新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孟波

(上海原構(gòu)設(shè)計(jì)咨詢有限公司太原分公司，山西 太原 030000)

建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑工程的重要組成部分，關(guān)系到建筑物的安全性、耐久性、功能性和美觀性。隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)建筑物的要求越來越高，因此，建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需要不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，以適應(yīng)不同的環(huán)境條件和用戶需求[1]。新型建筑材料是建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要手段之一，它們具有傳統(tǒng)建筑材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能，可以提高建筑物的結(jié)構(gòu)性能和使用效果，降低建筑物的造價(jià)和維護(hù)成本，延長(zhǎng)建筑物的使用壽命，減少建筑物對(duì)環(huán)境的影響，增加建筑物的美觀度和舒適度等。

1 新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的關(guān)鍵意義

1.1 提高建筑物的安全性

新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用能夠有效提高建筑物的安全性。由于新型建筑材料具有較高的強(qiáng)度、剛度、韌性、抗震、抗風(fēng)、抗火等性能，它們可以有效地抵抗各種自然災(zāi)害和人為破壞，保證建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和人員安全。例如，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種常見的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，它將鋼材和混凝土通過一定方式連接起來，形成一種綜合性能優(yōu)于單一材料的結(jié)構(gòu)材料。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)既具有鋼材的高強(qiáng)度和高剛度，又具有混凝土的高韌性和高耐火性，因此可以有效地提高建筑物的抗震和抗火能力[2]。另一個(gè)例子是形狀記憶合金，它是一種新型智能結(jié)構(gòu)材料，它可以在受到外力變形后，在溫度或電流等刺激下恢復(fù)原來的形狀。形狀記憶合金可以作為結(jié)構(gòu)材料或連接件，用于調(diào)節(jié)或修復(fù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)能力和自修復(fù)能力。

1.2 提高建筑物的耐久性

新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用能夠有效提高建筑物的耐久性。由于新型建筑材料具有較好的耐腐蝕、耐磨損、耐老化、耐候化等性能，它們可以有效地抵抗各種化學(xué)、物理、生物等因素對(duì)結(jié)構(gòu)材料造成的損傷，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料和建筑物的使用壽命。例如，玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)是一種常見的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，它將玻璃纖維和樹脂通過一定方式組合起來，形成一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌的結(jié)構(gòu)材料。GFRP具有很好的耐腐蝕性和耐候性，因此可以用于海洋、沙漠、高溫、高濕等惡劣環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。另一個(gè)例子是氣凝膠，它是一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，它是由氣體和固體兩相組成的膠體體系，具有極低的密度和極高的孔隙率。氣凝膠具有很好的耐老化性和耐熱性，因此可以用于隔熱、隔音、防火等方面的建筑結(jié)構(gòu)[3]。

1.3 提高建筑物的功能性

由于新型建筑材料具有一些特殊的功能或效果，它們可以滿足不同的設(shè)計(jì)要求和使用條件，增加建筑物的適應(yīng)性和互動(dòng)性。例如，壓電材料是一種新型智能結(jié)構(gòu)材料，它可以在受到壓力或變形時(shí)產(chǎn)生電壓，或者在受到電壓時(shí)產(chǎn)生壓力或變形。壓電材料可以作為結(jié)構(gòu)材料或傳感器，用于感知或控制結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，或者用于轉(zhuǎn)換或存儲(chǔ)能量[4]。另一個(gè)例子是光致變色材料，它是一種新型節(jié)能環(huán)保結(jié)構(gòu)材料，它可以在受到光照時(shí)改變自身的顏色或透明度。光致變色材料可以作為玻璃或幕墻等建筑元素，用于調(diào)節(jié)光照和溫度，或者用于創(chuàng)造多彩和動(dòng)態(tài)的視覺效果。

1.4 提高建筑物的美觀性

由于新型建筑材料具有較好的可塑性、可切割性、可拼接性等特性，它們可以創(chuàng)造出多樣化和靈活化的結(jié)構(gòu)形式和空間布局，增加建筑物的美感和個(gè)性。例如，輕鋼是一種常見的新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，它具有較高的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也具有較好的可塑性和可切割性。輕鋼可以用于制作各種復(fù)雜和精細(xì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或裝飾元素，如桁架、網(wǎng)格、曲線等[5]。另一個(gè)例子是鋼-玻璃組合結(jié)構(gòu)，它是一種常見的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，它將鋼材和玻璃通過一定方式連接起來，形成一種輕盈透明的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。鋼-玻璃組合結(jié)構(gòu)既具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和耐久性，又具有很高的透明度和通透性，因此可以用于創(chuàng)造開放和明亮的空間效果。

1.5 提高建筑物的經(jīng)濟(jì)性

由于新型建筑材料具有較低的密度和較高的效率，它們可以減少建筑物的自重和受力，降低基礎(chǔ)和框架的造價(jià)，節(jié)約材料和能源消耗，增加建筑物的使用空間和舒適度。例如，泡沫混凝土是一種常見的新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，它是由水泥、水、泡沫劑等材料通過一定方式制成的多孔輕質(zhì)混凝土。泡沫混凝土具有很好的隔熱、隔聲、防火等性能，因此可以用于填充墻體、屋面、地板等部位，提高建筑物的保溫和隔音效果，同時(shí)也可以減少結(jié)構(gòu)的自重和受力，降低結(jié)構(gòu)的造價(jià)。另一個(gè)例子是氣凝膠玻璃，它是一種新型節(jié)能環(huán)保結(jié)構(gòu)材料，它是由氣凝膠和玻璃通過一定方式組合而成的透明或半透明的玻璃材料。氣凝膠玻璃具有很高的透光率和很低的導(dǎo)熱系數(shù)，因此可以用于制作窗戶或幕墻等建筑元素，提高建筑物的采光和隔熱效果，同時(shí)也可以節(jié)約空調(diào)和照明的能源消耗[6]。

2 新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的基本原則

2.1 安全原則

安全原則是指在保證結(jié)構(gòu)安全性能的前提下，選擇和使用新型建筑材料。結(jié)構(gòu)安全性能包括承載力、穩(wěn)定性、抗震性、耐久性等方面。選擇和使用新型建筑材料時(shí)，需要考慮其與結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)形式和施工工藝等因素的相容性和協(xié)調(diào)性，避免出現(xiàn)不利的影響或損傷。例如，高強(qiáng)度混凝土在提高結(jié)構(gòu)承載力和抗震性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，但也需要注意其脆性大、收縮裂縫多等缺點(diǎn)，并采取相應(yīng)的措施來改善其穩(wěn)定性和耐久性；復(fù)合材料在提高結(jié)構(gòu)輕量化和耐腐蝕性方面有顯著的效果，但也需要注意其與其他材料之間的界面粘結(jié)力和溫度敏感性，并采取相應(yīng)的措施來增強(qiáng)其可靠性[7]。

2.2 經(jīng)濟(jì)原則

經(jīng)濟(jì)原則是指在保證結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性能的前提下，選擇和使用新型建筑材料。結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性能包括成本效益、資源節(jié)約、環(huán)境友好等方面。選擇和使用新型建筑材料時(shí)，需要考慮其與傳統(tǒng)建筑材料相比的優(yōu)劣勢(shì)和適用范圍，并進(jìn)行合理的比較和評(píng)價(jià)。例如，預(yù)應(yīng)力混凝土在降低結(jié)構(gòu)截面和增加跨度方面有顯著的優(yōu)勢(shì)，但也需要考慮其施工費(fèi)用和維護(hù)成本，并進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)；納米材料在改善結(jié)構(gòu)功能和性能方面有巨大的潛力，但也需要考慮其生產(chǎn)成本和環(huán)境影響，并進(jìn)行合理的選擇和控制[8]。

2.3 美觀原則

美觀原則是指在保證結(jié)構(gòu)美觀性能的前提下，選擇和使用新型建筑材料。結(jié)構(gòu)美觀性能包括形態(tài)美感、色彩協(xié)調(diào)、風(fēng)格統(tǒng)一等方面。選擇和使用新型建筑材料時(shí)，需要考慮其與建筑物的功能、形式、風(fēng)格和環(huán)境等因素的契合度和協(xié)調(diào)度，避免出現(xiàn)不協(xié)調(diào)或突兀的現(xiàn)象。例如，輕質(zhì)混凝土在減輕結(jié)構(gòu)重量和增加結(jié)構(gòu)空間方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，但也需要注意其與建筑物的外觀和色彩的搭配，并采取相應(yīng)的措施來提高其美觀性；智能材料在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)和自修復(fù)方面有顯著的效果，但也需要注意其與建筑物的風(fēng)格和氛圍的協(xié)調(diào)，并采取相應(yīng)的措施來提高其美觀性。

3 新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的不足之處

3.1 成本高昂

新型建筑材料通常需要較高的研發(fā)投入、生產(chǎn)成本和施工費(fèi)用，導(dǎo)致其價(jià)格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑材料。例如，預(yù)應(yīng)力混凝土需要專門的設(shè)備和技術(shù)來施加預(yù)應(yīng)力，并且需要定期檢測(cè)和維護(hù)；復(fù)合材料需要復(fù)雜的制備工藝和精密的加工設(shè)備；納米材料需要高端的儀器和實(shí)驗(yàn)室條件。這些因素都增加了新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用成本，限制了其推廣和普及。

3.2 性能不穩(wěn)定

新型建筑材料由于其創(chuàng)新性和復(fù)雜性，往往缺乏充分的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持其性能和可靠性。例如，高強(qiáng)度混凝土雖然具有高強(qiáng)度、高耐久性和高抗震性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在脆性大、收縮裂縫多、溫度敏感等缺點(diǎn)；鋼纖維混凝土雖然具有增強(qiáng)韌性、延展性和抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在鋼纖維分布不均勻、粘結(jié)力不足、耐久性差等缺點(diǎn)；智能材料雖然具有自適應(yīng)、自修復(fù)和自診斷等優(yōu)點(diǎn)，但也存在敏感度低、響應(yīng)速度慢、壽命短等缺點(diǎn)。這些因素都影響了新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的性能穩(wěn)定性和安全性[9]。

3.3 規(guī)范缺失

新型建筑材料由于其更新速度快和多樣性大，往往難以制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來指導(dǎo)其在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。例如，輕質(zhì)混凝土由于其成分和性能的差異，目前還沒有一個(gè)通用的定義和分類；納米材料由于其尺度和形態(tài)的多樣性，目前還沒有一個(gè)完善的評(píng)價(jià)和測(cè)試體系；智能材料由于其功能和機(jī)理的復(fù)雜性，目前還沒有一個(gè)明確的分類和命名。這些因素都導(dǎo)致了新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用缺乏規(guī)范和統(tǒng)一，增加了其使用的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

4 建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用新型建筑材料的具體策略

4.1 應(yīng)用新型混凝土材料

混凝土是最常用的建筑材料之一，它具有強(qiáng)度高、施工方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，傳統(tǒng)混凝土也存在一些缺點(diǎn)，如開裂、滲漏、碳化、鋼筋銹蝕等，這些問題會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。為了克服這些問題，科學(xué)家們研發(fā)了一些新型混凝土材料，如自密實(shí)混凝土、高性能混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土、超高性能混凝土等。這些新型混凝土材料具有密度高、強(qiáng)度高、韌性好、耐久性好、抗?jié)B性好、抗碳化性好等特點(diǎn)，可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能和耐久性能，降低混凝土結(jié)構(gòu)的自重和截面尺寸，節(jié)省鋼筋用量和施工成本，提高混凝土結(jié)構(gòu)的美觀度和舒適度。例如，在北京奧林匹克公園中心區(qū)域的國家體育場(chǎng)(鳥巢)和國家游泳中心(水立方)，就采用了自密實(shí)混凝土作為主要結(jié)構(gòu)材料，使得這兩座標(biāo)志性建筑物具有獨(dú)特的外形和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能[10]。

4.2 應(yīng)用新型金屬材料

金屬是另一種常用的建筑材料，它具有強(qiáng)度高、延展性好、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)。但是，傳統(tǒng)金屬也存在一些缺點(diǎn)，如重量大、易生銹、易疲勞等，這些問題會(huì)影響金屬結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。為了克服這些問題，科學(xué)家們研發(fā)了一些新型金屬材料，如鋼鐵復(fù)合材料、鎂合金材料、鋁合金材料、鈦合金材料等。這些新型金屬材料具有密度低、強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕性好、耐疲勞性好等特點(diǎn)，可以降低金屬結(jié)構(gòu)的重量和截面尺寸，提高金屬結(jié)構(gòu)的抗震性能和耐久性能，節(jié)省金屬用量和施工成本，提高金屬結(jié)構(gòu)的美觀度和舒適度[11]。例如，在上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)的上海中心大廈，就采用了鋼鐵復(fù)合材料作為主要結(jié)構(gòu)材料，使得這座超高層建筑物具有高達(dá)632m的高度和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能。

4.3 應(yīng)用新型復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組合而成的一種新型材料，它具有各組分材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能。復(fù)合材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：一是作為結(jié)構(gòu)材料，二是作為功能材料。作為結(jié)構(gòu)材料，復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度高、模量高、韌性好、耐腐蝕性好、耐熱性好等特點(diǎn)，可以提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗震性能和耐久性能，降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的重量和截面尺寸，節(jié)省復(fù)合材料用量和施工成本，提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的美觀度和舒適度。例如，在北京首都國際機(jī)場(chǎng)的T3航站樓，就采用了玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)作為主要結(jié)構(gòu)材料，使得這座巨型建筑物具有流暢的曲線和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能。作為功能材料，復(fù)合材料具有導(dǎo)電性、磁性、光學(xué)性、熱學(xué)性、聲學(xué)性等特殊功能，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的智能化、節(jié)能化、環(huán)保化等目標(biāo)。例如，在北京國家大劇院，就采用了聚碳酸酯(PC)作為主要功能材料，使得這座現(xiàn)代建筑物具有透明的外殼和節(jié)能的效果。

5 結(jié)語

新型建筑材料在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用具有關(guān)鍵意義，可以從多個(gè)方面提高建筑物的性能和效果，滿足不同的設(shè)計(jì)要求和使用條件，創(chuàng)造出一些新的建筑形式和空間效果。如應(yīng)用新型混凝土材料、新型金屬材料、新型復(fù)合材料都是合理的實(shí)踐策略，不難看出，新型建筑材料是建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要?jiǎng)?chuàng)新資源和發(fā)展方向，值得進(jìn)一步研究和推廣。