超高层建筑新材料的选择其在节能中的应用

摘 要：近十余年来我国的超高层建筑建设可谓突飞猛进,其建设速度和建造数量在世界建筑史上都是少有的.我国的理论研究多偏重于介绍国外的思潮流派,或是探讨文化、艺术、美学等与外在形式相关的东西,而对于功能组织和空间构成模式的研究却较少有人问津.然而,当今的建筑学早已超越了工程和艺术范畴,需要我们从更多方面对其进行的研究.超高层建筑在施工及建筑材料方面都有很高的要求,本文针对超高层的材料的选用进行了分析,同时针对超高层建筑的节能问题进行了探讨,以公同行参考.

关 键 词：超高层建筑新材料

节能设计

超高层建筑在城市节地、提升城市形象、拉动社会投资、扩大旅游和商贸活动等方面有其独特作用,也远非普通建筑可以比拟,因此近年来我国经济实力雄厚的地区竣工、在建和拟建的超高层建筑如雨后春笋,建筑新材料等技术的发展更是助长了建筑超高层化态势,高度超过100米的建筑从1990年代中期的不足200栋一跃发展到目前的近900栋.超高层建筑的高度增长还会伴随着结构工程技术的不断进步而不会休止.

一、超高层建筑新材料的利用

1.高性能钢

80年代后期,超高层建筑,大跨结构迅速发展,对钢材性能的要求也越多.主要包括有高强度,低屈强比,窄屈服幅等的耐震性能；可焊性,形状尺寸加工精度的施工方面的性能以及耐久性等.

(1)高张力钢

建筑用钢材的应力　应变曲线如图3所示.其屈服点在100～780n／mm2的范围,其中屈服点为400n／mm2的钢材,占一半以上.

钢材屈服点的提高,在设计方面就需要保证结构的刚度要求,防止局部屈曲；在施工方面就要保证结构的可焊性.另一方面,在多震国,地震时确保结构建筑物的安全性是一个最大的课题.因此,高张力钢不仅要有很高的屈服点及抗拉强度,还要具备充分的塑性变形能力.

(2)低屈服点钢

另一方面,还开发研制了利用钢材的低屈服点和屈服特性的技术,耐震设计中的隔震和抗震构造技术得到了迅速发展,地震对建筑物输入的能量,通过建筑物特殊的部位吸收,从而确保整个结构的安全,防止结构构件(梁,柱)的破坏和损伤,低屈服点钢主要用于这些特殊部位,作为吸收地震能的材料.

(3)tmcp钢

建筑物的高层化、大跨化等,要求使用的钢材高强度化,大断面化,极厚化.以往的冶炼方法,若保证钢材的高强度,就需加入相应的碳元素,钢材含碳量的增加会导致可焊性的降低.为了解决这个问题,开发研制了490n／mm2级的建筑结构用tmcp钢.建筑结构用tmcp钢,是通过tmcp(热处理)处理后得到的.已广泛用于超高层建筑中.

(4)sn钢

根据超高层建筑的抗震要求,钢材应具有足够的弹塑性性能和较好的机械性能,可焊性能,具有吸收地震能的能力.广泛用于超高层建筑.sn钢要求：①保证可焊性,②保证塑性变形能力,③保证板厚方向的性能,④保证经济性和加工方便,⑤保证与国际规格接轨.sn钢的规格有a、b、c三种,其板厚都是在6～100mm,分400n／mm2和490n／mm2两个等级.

2.新rc结构(钢筋混凝土)

在钢结构钢材的强度不断提高的同时,钢筋混凝土结构中的钢筋和混凝土强度也在迅速地提高.1988年以来,进行了强度为58.8～117.6mpa的混凝土及强度为686～1176.7mpa的钢筋的开发,并已用于超高层住宅中,如礼新城北高层住宅(地上45层,高度160m),所用混凝土强度为58.8mpa,主筋强度为686mpa,断面加强筋强度为784mpa,是以前高层rc结构所用材料强度的两倍.现在超高层建筑已开始使用78.4mpa,98mpa的混凝土.

3.cft结构(钢管混凝土)

由于高强度钢的使用,可以使构件截面做得小而薄,然而这必带来局部屈曲和刚度降低的问题,解决这个问题的途径之一就是采用cft柱.

继s结构、src结构、rc结构之后,它形成了第四种结构体系.cft结构体系,就是用圆形或多边形钢管内填充混凝土的柱子和s结构,钢混凝土结构的梁连接起来而形成的结构体系,具有刚度大,耐久力大,变形能力强,防火性好等方面的优良结构性能.因此,超高层建筑,大跨结构等开始广泛采用此种结构体系.

cft柱的优点是,混凝土填充在钢管中,在受压和受弯共同作用下,混凝土向横向扩散,然而却受到钢管的横向约束(称为钢箍效应).所以,混凝土的强度和变形能力提高.另一方面,由于混凝土的填充,钢管的局部屈曲受到了有效的抑制,如图5.这样,cft柱可以最充分利用高张力钢的强度.随着高强混凝土及其组合的研究不断发展,将来高度为1000m级的超高层建筑的构想实现,期待Ncft柱将起主要作用.

二、我国目前超高层建筑节能设计的思考

目前国内针对超高层建筑工程所探讨的关键技术问题多是结构的安全,而对于所面临的建筑节能问题研究和技术投入不够.

1、超高层建筑的建筑节能优化设计技术看,建筑的高度变化导致相关参数的变异,进而影响建筑能耗的变化是一个不争的事实,高度超过100米以上除太阳辐射可以认为基本不变以外,其它的气象参数都会发生很大的变化.而依据国内建筑节能的设计能力来看,大多数设计单位所掌握的用以优化建筑围护结构的建筑能耗模拟软件,都不能反映气象参数沿高度的变化规律,也不能够反映建筑围护结构沿高度变化的表面热交换能力的差别,这就势必无法准确地计算建筑物的能量消耗,更无从谈及科学合理地设计建筑物制冷、空调、配电等一系列设备系统.

2、建筑节能设计标准所能约束的节能技术还不能够完全适用于超高层建筑,在现行建筑节能设计标准中涉及到遮阳、通风等技术的规定,对超高层建筑无法适用,标准规定的建筑能耗的权衡判断方法也是基于建筑物全楼整体建模的一种评价方法,而受目前能耗模拟工具的计算能力所限,超高层建筑中的计算对象(如房间数量)规模远远超出了软件的计算能力.从根本上说,超高层建筑的节能设计问题,实质是一个在技术上超出了现行国家标准《公共建筑节能设计标准》所能控制的新技术问题,如果草率地执行现行标准,则工程设计的技术依据显然不足.

3、超高层建筑的节能设计仅仅局限于当前建筑节能50％的目标,不符合国家长远发展要求.应根据当地的技术经济能力,结合国家建筑节能中长期发展规划确定出工程的实际节能能目标(即节能率),只有以此为前提做出的节能设计才能体现行业进步,否则,如此重大工程,在投入使用后的不远将来,必然会面临国家节能规划目标的提高而锒铛沦为不节能建筑.

建筑节能是国家发展的基本国策之一,超高层建筑又是标志性极强的建筑,抓好超高层建筑的节能设计,将会带动国家和地方的建筑节能事业,促进全社会建筑节能的技术进步.