新材料在超高层建筑中的应用及节能设计研究

郑衍旭，黄兴超

（1浙江宏通建设有限公司,浙江杭州311700；2淳安县住房保障和房屋征收服务中心,浙江杭州311700）

作为现代化城市的地标性建筑,超高层建筑往往是一座城市的象征,某种程度上已经成为城市经济发展的衡量尺度。超高层建筑既可以缓解城市用地紧张的现状,充分发挥“黄金地段”土地的经济价值,也可以为城市创造新的人文景观,丰富旅游景点,促进经济发展[1-2]。近几十年来,我国经济迅速发展,超高层建筑随之在各大城市相继涌现,并呈现出如火如荼的发展势头,不断影响、改变着城市的整体景观与文明形象,典型的诸如广州西塔（432m）、上海中心（632m）、武汉绿地中心（606m）以及深圳平安国际金融中心（648m）等[3]。

超高层建筑的建造较大程度上依赖于新材料与新技术的发展与应用,而超高层建筑的建设需求也在客观上不断催生着新型建筑材料的出现以及相关高科技产业的进步。对于超高层建筑而言,其建设中应用的材料主要包括三种,即钢结构、混凝土结构以及钢-砼组合结构[4]。其中,钢结构具有轻质高强、抗震优良以及安拆快捷等优势,但其防火性能较差,且综合造价成本偏高,使其在超高层的应用受到限制。混凝土结构工艺成熟,抗压能力好,取材便捷,后期维护费用少,且随着其强度等级的不断提升,已成为超高层建筑建造中的主要材料。但混凝土自重较大,延性较差,且所制成的构件尺寸大,不利于建筑空间的充分利用。而钢-混组合结构是将钢材与混凝土结合应用的一种新型构造形式,又被称为劲性结构,其能充分发挥两种材料的各自特性,优势互补,既有很强的承载能力,又能使自身尺寸尽量缩减,从而腾出更多的建筑使用空间。

随着科技水平的进步,拥有更高性能的新型建筑材料不断出现。为将新材料合理应用于当下的超高层建筑建造之中,在保证超高层建筑功能与使用品质的前提下,使超高层建筑的建造过程更加绿色环保、节能节材,本文总结介绍了高张力钢、低屈服点钢材、TMCP新型钢材和SN钢等高性能钢材,高性能混凝土以及钢管混凝土等几种现代化新材料的应用特性及其现状,并指出了目前我国超高层建筑在节能设计环节中的不足,提出针对性的改进方法,以期促进我国超高层建筑建造的可持续发展。

1 超高层建筑中的新材料应用

1.1 高性能钢材

目前,我国钢结构产业得到了迅速发展,工业化生产水平不断提高,促使钢结构材料在超高层建筑中得到广泛应用,尤其是大型结构件中。但同时,超高层建筑造型的多样化及使用环境的复杂化,对其中所应用的钢结构性能也不断提出新的要求,主要体现在抗震性、可焊性、可塑性以及强度等方面。在工程实践中,较为普遍应用的高性能钢主要有以下几种。

（1）高张力钢。高张力钢也即所谓的高强度钢,具有较高的屈服点,且比普通钢材强度更大。同时,其不仅只是强度高,还包括优良的韧性、焊接性、抗弯能力以及加工性等特性[5]。在实践中,该类钢材可允许通过焊接实现连接,所形成的结构塑性好,在易发生地震的地区适用性突出。

（2）低屈服点钢材（阻尼器钢材）。在超高层建筑中,阻尼器的应用越来越发挥出“定海神针”的作用,其能够通过一定幅度的晃动,吸收高楼所受到的荷载力,包括强风、地震等,从而使建筑本身保持稳定。阻尼器大多采用特制钢材制成,要求此类钢材屈服点较低,在进入塑性变形阶段前即发生屈服,从而保证足够的变形能力用以消耗外部能量。故此,低屈服点钢材应运而生,其主要被用于制造阻尼器内芯,也被称为阻尼器钢材[6]。该类钢材的应用能有效提升超高层建筑的抗震能力。

（3）TMCP新型钢材。所谓TMCP,指Thermo-Mechanical Control Process,即“热机械控制过程”。此类钢材主要是在压延过程中采取受控热轧（即加热与压轧）后,再实施联机快冷工艺而成型。快冷的过程可使得钢材以位错形式储存部分能量,提升强度,并可于受热高温条件下释放该能量,减少淬硬性,增强韧性、加工性与可焊性[7]。TMCP新型钢材凭借其优异的强度与可焊性,在强度要求高、断面大以及尺寸厚的场合中得到了较多应用。

（4）SN钢。SN钢是一种新型的建筑用结构钢材。该钢材通过特殊的工艺措施制成,显著提升了钢材强度及韧性,同时具备优异的可焊性及抗震性,因此在超高层建筑中应用广泛[8]。目前,SN钢材已经占据日本建筑结构用钢的主流市场,其建造的超高层建筑适用于地震多发地区,且综合成本较低。

1.2 高性能混凝土（HPC）

随着国家对绿色低碳理念的日益重视,超高层建筑建造过程中的绿色与节能要求也逐步提高。而高性能混凝土很好地响应了绿色节能要求,其在配比中尽量省去水泥熟料的掺入,取而代之的是加入了更多的粉煤灰、硅灰等工业废料,利于碳排放的减少与环境保护,因此在超高层建筑中具有良好的适用性[9]。混凝土为取得高性能,最主要的途径是在配制时掺入新型高性能减水剂与矿物质超细粉。新型高性能减水剂的应用可降低水灰比,使混凝土和易性及流动性更加优异,与此同时使塌落度进一步提高,能保证混凝土实现更好的密实性。而矿物质超细粉的加入,不仅能通过推动水化反应,进而提升混凝土的密实性,而且可以优化混凝土的界面构造,将材料孔隙尽量充填,从而提升强度,延长其耐久性。

高性能混凝土的准确定义,目前行业内尚未取得统一,但其基本特性得到广泛共识：组分中含有高效减水剂与矿物质细粉料；免振自密实；早期强度高、体积稳定性好；在不良环境条件下长期强度好；韧性优异。自发明以来,C60与C80强度等级的高性能混凝土已得到普遍实践,如桥梁工程、船舶制造以及高层建筑等。目前,C90、C150甚至是C230强度等级的高性能混凝土也已配制成功,并在具体的工程建设中展开了局部运用。随着城市现代化进程的深入与发展,超高层建筑发展迅猛；而高性能混凝土凭借其优异的综合性能,如高强度与高流态、可泵送性好与密实度高等,必将在城市超高层建筑领域得到越来越多的应用。

1.3 钢管混凝土（CFT）

在超高层建筑中,高张力钢,即高强度钢材的使用,虽使得构件在保证承载能力的前提下,自身尺寸与截面得到了有效压缩,但随着带来的是局部屈曲以及刚度降低显著等弊端。针对该缺陷问题,钢管混凝土的结构形式可以作为解决方案之一。钢管混凝土的截面形式多样,既可以为方形、矩形,也可以为圆形或多边形。其主要是通过将混凝土灌注于不同截面形状的钢管内部而形成,相互协调制约,从而达到共同受载的目的。在受力机理方面,外部围合的钢管对其内部的混凝土起到套箍约束效果,使混凝土三向受压,并具备更优异的变形性能及更高的抗压强度[10]。

钢管混凝土具备优异的力学性能,如轻质高强、延性佳、抗冲击性好、耐疲劳等,同时在工程建设中的可操作性良好,能达到节省工期、提高效率、安装轻便等目的。大多情况下,钢管自身即具备横向箍筋与纵向主筋的功能,也直接是混凝土的灌注模板,因此该结构形式一般不再另外配筋和配模。混凝土在工程应用中,其破坏大多为脆性模式,强度等级越高,脆性特征越突出。这在对抗震有较高要求的超高层建筑中是结构设计亟需改进的问题。而采用钢管混凝土形式,混凝土受到钢管套箍作用,在受地震力作用时将先产生顺钢管的塑性变形,并呈现鼓曲形态,破坏模式也由原先的脆性转变为塑性,破坏前有明显的特征,有利于结构安全。

在超高层建筑的建造中,钢管混凝土柱的应用形式较为灵活,具备很强的替代性。在钢结构建筑中,钢管混凝土柱可以替代钢柱,从而降低风致振动与钢材使用量；在钢筋混凝土结构系统中,钢管混凝土柱可以在某些部分场合取代钢筋混凝土柱,在避免脆性破坏问题的同时,能够减少柱体自身尺寸,拓宽结构空间,突破超高层建筑中常规的结构底部“胖柱”设计形式。

2 超高层建筑的节能设计

2.1 节能参数优化

当前我国城市中的超高层建筑项目日益增多,但在前期的建筑节能优化设计阶段存在一定的不足。在开展节能设计时,应当充分考虑自然条件。区别于一般的高层建筑,超高层建筑的高空往往超过100m,其高空环境下的气象参数存在较大的不确定性与变动[11],但不少设计人员未对超高层建筑的高空环境与高度因素进行全面考量,未能合理预估风速影响、气温降低、太阳辐射等影响,导致优化设计时出现设计参数缺失或计算错漏情况。现阶段,较多的模拟软件在测定当地自然环境参数变化曲线方面也存在不同程度的缺陷,计算结果失真、不准确现象较为常见。由此导致无法精确预估超高层建筑的表面热交换能力,内部的能力消耗情况也存在偏差,最终造成超高层建筑的内部机电系统设计、通风与空调系统设计等存在针对性不足的问题。

顾名思义,对于超高层建筑而言,高度是其区别于常规建筑的最显著的特征。在设计时,应将高度这一核心理念作为节能设计的首要因素,充分掌握建筑当地区域高空中的温度、湿度变化特点以及四季气候更替规律,正确设置模拟软件参数,从而计算得出符合客观条件的超高层建筑环境影响曲线,以此为基础实现超高层建筑合理的节能优化设计。

2.2 节能设计标准

目前,我国的超高层建筑的节能设计标准存在较大的滞后现象,如在超高层建筑的遮阳与通风等方面,相关的设计规范基本为空白,无法起到有效的指导功能。由于超高层建筑发展迅猛,且高空环境对建筑节能设计的影响研究未能及时取得有借鉴性的成果,导致常规的建筑节能设计标准的适用性存在打折,其基于整体建模的能耗推断方式也难以满足超高层建筑庞大的参数使用需求。因此,在当前的超高层建筑节能设计过程中,不能一味参考目前的节能设计标准,应当深入考虑当地实际自然环境条件,对标准中的应用条件与计算过程做出有效判断,明确通风、采光、制冷以及配电等的适用性,从而保证超高层建筑的节能设计质量与使用功能。

2.3 超高层建筑的布局设计

目前,我国的超高层建筑大多是单体式设计形式,其布局设计的合理性直接影响通风与采光效率,因此在超高层建筑节能设计时,必须考虑布局设计对节能效果的影响。与此同时,超高层建筑结构高度在100m以上,该条件下的风速相比地面更大,应当考虑风压对建筑顶部的幕墙稳定性、窗户启闭以及冬季保温等的影响,在布局设计时需要调查当地的气象条件,总结风向、风速等大小与频次,综合考虑门窗的开启方式以及户型朝向等[12]。

另外,为更好地提升超高层建筑的节能效果,还可在垂直空间方面展开节能优化布置。如在超高层建筑的周围表面实施绿色植被的种植设计,不仅能起到环境绿化的功能,还可净化局部城市空气质量；又如在超高层建筑的楼顶种植绿植,实现城市屋顶绿化[13],或于建筑向阳面布局设计光能转换设备,将太阳能充分转化为电能等。

3 结束语

在超高层建筑的建造过程中,新型节能建筑材料的应用既是新时代的环保趋势,也是可持续发展理念的必然需求。当前,高性能钢材、高性能混凝土以及钢管混凝土等新材料的应用,对于超高层建筑的节能效果实现具有直接的影响。另外,在超高层建筑的节能设计方面,应当充分权衡自然环境因素,如风速、光照以及绿化等的影响,通过合理布局,充分利用自然条件,从而实现建筑与自然的融合。

在未来的超高层建筑设计与施工过程中,应勇于创新,积极采用新材料,通过更加先进的现代化软件与计算工具,将更加符合节能要求的现代化新材料因地制宜地选择应用于超高层建筑之中,实现绿色设计、绿色施工与绿色运维。