超高层建筑新材料的选择及其在节能设计中的应用

钟 岩

(山东华邦建设集团有限公司 山东 潍坊 262500)

1 选择新材料与节能设计的必要性

钢和混凝土是超高层建筑中最为关键的两类材料，经过现代科技的不断发展，两种材料的功能也在不断改变。钢结构的强度较大，材料较为均匀，塑形较好，已经广泛地应用于建筑行业当中。但是纯钢结构的建筑综合刚性不足、抗侧移能力差是钢结构建筑的最为明显的缺陷，即使增加了减震系统、支撑系统也难以有效抵抗强风、地震等影响。同时，钢结构缺乏稳定的高温性能差异，这就增加了建筑火灾安全隐患，一旦发生火灾后果严重。在传统建筑设计施工中，如果楼层高度增加，为了保证建筑结构稳定性需要扩大柱的界面剂，但是同时会导致大部分空间被消耗，对建筑空间利用效率产生不良影响[1]。

2 节能设计中应用新材料

2.1 高性能钢铁

早在20世纪八十年代末就已经逐渐出现超高层建筑，大跨度结构也随之产生。超高层建筑对材料的选择标准更高，无论是强度还是抗屈服性能方面的要求都在不断提高。钢材作为超高层建筑中必不可少的材料，其性能关系着建筑结构稳定安全，为此，要保证选择的钢材持久性强、抗震性能优、加工尺寸准确。在具体施工中，常见的有四种高性能钢铁。

(1)高张力钢。此类材料的屈服点较高，比普通钢材的强度更高，同时抗弯水平得到显著提升。在操作中，能够通过焊接连接高张力钢。此材料的安全性较好，可塑性强，屈服点和抗压能力好，在地震多发国家有着广泛的应用。

(2)屈服点偏低的钢材。在超高层建筑中应用此类钢材能够充分发挥钢材的抗震性能、隔震性能，有助于提高超高层建筑物抵抗地震的能力，并且可以吸收能力将超高层建筑安全水平提升，避免地震发生时对建筑结构产生破坏，所以，这些吸能材料能够防止于特殊位置。

(3)TMCP钢。超高层建筑和大跨度的建筑对刚才的强度和断面要求较高，为了提高其强度往往会在冶炼钢材过程中加入一定量的碳元素，但是同时其焊接性也降低。为了将这一缺陷改善，TMCP钢材应运而生。TMCP钢材在使用中需要加热处理并且其凭借着良好的强度和较大的断面已经广泛地应用于超高层建筑当中。

(4)SN钢。该钢材凭借这自身可塑性和弹性较好在超高层建筑中应用广泛。SN钢材构造的超高层建筑抵抗地震能力较强，并且经济性较好[2]。

2.2 保温系统

合理利用钢筋混凝土能够达到提高外墙保温性能和屋面热工性能的效果。在外墙、屋面等外围结构中综合应用保温隔热工艺可以将节能思想充分体现出来。一般情况下，内外保温和自保温是建筑常用的保温形式。内部保温中热桥是评价节能效果的关键参数，为此，在保温材料选择过程中需要充分做好混凝土粗骨料的选择，将导热系数尽量降低，尽量避免热桥效应的出现，将建筑结构的保温功能最大程度地提升。

2.3 钢管混凝土

钢材是现如今建筑行业必不可少的材料之一，为了贯彻节能理念，可以将构件截面尽量减小减薄，但是这种方式会对钢材刚度产生不良影响，在应用中可能出现局部屈曲的问题。利用第四种结构体系能够有效解决这一问题，也就是钢管混凝土解耦股。钢管混凝土结构主要是在圆形或者多边形钢管内部灌注混凝土材料保证其形成稳定、高强度的结构，将连接效果提升，并且将刚度和耐久性提升，此结构的抗变形能力较强，所以在超高层建筑中有着较为广泛的应用。此结构需要将混凝土填充到钢管中，当钢管混凝土受到压力和弯度的影响，力会扩散向横向位置，限制了横向钢管，所以，需要进一步将混凝土强度和变形能力提升。此外，该结构可以将局部屈曲问题有效抑制，达到高张力钢强度提升的效果[3]。

3 我国超高层建筑新材料在节能方面的应用

3.1 节能优化的技术分析

建筑高度的变化必然会对新材料节能参数等相关指标产生一定的影响，进而对整个超高层建筑的安全性能产生影响，增加建筑物的整体能耗，这是不可避免的问题。当建筑高度达到一百米以上后那么基本不会发生较大的太阳辐射变化，但是其他变化较大的因素随之出现，比如风、温度。当前我国很多设计人员都无法充分对天气变化实际规律有准确实时的反应，所以从节能角度来看，难以对建筑物周围表面热量交换差别进行判定，这就导致难以合理地配置制冷、配电、空调等设备。

3.2 节能设计标准的分析

当前建筑行业中节能设计标准在逐渐提高，超高层建筑物的节能设计仍然无法和普通建筑媲美。相关工作人员在设计超高层建筑过程中需要对建筑物基本条件标准进行深入考虑，比如建筑物通风、节能等，明确标准是否适用于超高层建筑物，在计算和判断超高层建筑物所用标准时也要充分结合实际情况[4]。

4 超高层建筑新材料的应用及节能措施

某超高层建筑为商住小区，共计5座楼宇，所有建筑物均为地上32层地下一层共计33层，建筑总面积为101450m2。小区内建筑结构均为剪力墙，工程设计中选用的材料为高性能钢材和混凝土等，具体材料应用和节能设计如下。

(1)高性能钢的应用。工程所用钢材包括三种，分别为高张力钢、TMCP钢、SN钢。本工程采用的高张力钢材的屈服点≥400，可以将发生局部屈曲的问题有效降低，实现建筑材料节约以及节能优化的目的。TMCP钢屈服点为490n/mm2，在设计中降低了含碳量从而增强了钢材的可焊性，避免浪费钢材。SN钢共包括a、b、c三类，采用的钢板厚度至少为490n/mm2，SN钢材的可焊性强有着十分便捷的加工方式。

(2)钢筋混凝土。该工程外墙采用了200mm厚度的混合砂浆、30mm厚度的保温板、20mm厚的水泥砂浆。内墙采用的是10mm厚的混合砂浆、10mm厚的保温板和200mm的钢筋混凝土墙。

(3)钢管混凝土。该工程外墙梁部所用钢管混凝土为200mm的厚度。

工程使用一年后评价其节能效果，发现不存在裂缝、变形等情况，利用率高且稳定性强，节能效果良好[5]。

在超高层建筑中合理应用新材料并且通过合理设计能够提高建筑物的节能效果，符合未来建筑行业发展趋势，值得在未来进一步推广节能新材料和新技术。