新型建筑材料设计的主要技术途径分析构建

引言

随着科技的迅猛发展和全球环境问题的日益严峻，新型建筑材料在现代建筑中的应用愈发广泛且重要。这些材料不仅能够满足建筑结构的功能性需求，还在节能减排、绿色环保等方面展现出显著优势。新型建筑材料的设计与应用已成为建筑行业创新发展的关键驱动力。新型建筑材料的设计并非易事，它涉及多学科交叉融合，需要综合考虑材料的物理性能、化学稳定性、经济成本以及施工工艺等因素 。因此，深入研究新型建筑材料设计的技术途径显得尤为必要。这不仅有助于突破现有技术的局限，推动新材料的发展和应用，还能为建筑行业带来革命性的变革。本文旨在深入剖析新型建筑材料设计的主要技术途径，探讨其在现代建筑中的应用前景及发展趋势。

一、新型建筑材料的主要研究内容

1、新型墙体材料

墙体材料作为建筑围护的主体承重材料，朝功能性多元化方向发展。其中值得关注的有泡沫轻质混凝土（体积密度小于 500kg/m³ ，抗压强度不低于5MPa）、ALC 蒸压加气混凝土板（导热率小于等于 0.13W/(m⋅δK) ）、装配式钢结构配套墙板（楼板厚度小于等于 60mm ，隔声量大于 45dB）、相变储能墙体（相变温度 18～28^∘C ），通过合理改变材料的配方使墙体能够兼具承重、保温、隔声、防火（A 级不燃烧）等功能，相比黏土砖可减少墙体自身的重量 60% ，生产效率提升3 倍[2]。

2、新型建筑涂料

涂料功能化在具有装饰功能涂料方面有着巨大突破，利用纳米复合的功能化技术，如光催化自清洁涂料(TiO2 纳米晶含量 25% ，VOCs 降解率90% )、辐射制冷涂料(太阳反射比 ≥0.93 ，半球发射率 ≥0.94 )、石墨烯防腐涂料(耐盐雾 ≥5000h )、气凝胶隔热涂料(导热系数 ≤0.025W/(m⋅K) 等，充分利用了溶胶-凝胶法、原位聚合等制造技术，实现在涂层上的可控生长，寿命可以稳定在15 年甚至更长寿命上[3]。

3、新型建筑塑料

推进高分子复合材料向高性能化方向发展，重点突破：高强长玻纤增强聚丙烯（LFT-PP，弯曲模量 ≥6GPa ）、碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP，拉伸强度 ≥800MPa ）、建筑塑料 3D 打印材料（线膨胀系数≤5×10-5/^∘C ）、自修复聚氨酯（修复效率 ≥85% ）等，利用反应挤出、微发泡等先进成型技术，材料回收利用率 95% ，碳排放量比传统材料低 40‰

4、新型装饰材料

具有智能响应功能的装饰材料是研究热点，如电致变色玻璃(响应时间≤3min ，透光率可调范围 15-80% )、温敏变色陶瓷(变色温度 、抗菌人造石 299.9% 、光电装饰复合板(光电转换效率 ≥18% )等，采用磁控溅射、化学气相沉积等表面改性处理方法，使材料功能、美感兼得。

5、新型防水、密封材料

耐久性提升是技术攻关重点，开发方向涵盖：喷涂聚脲防水材料（拉伸强度 ≥16MPa ，断裂伸长率 2450% ）、石墨烯改性沥青（软化点 ≥100 ℃，低温弯折- 30^∘C 无裂纹）、自愈合硅酮密封胶（愈合效率 280% ）、纳米渗透结晶材料（抗渗压力 ≥1.2MPa ）等。采用分子结构设计技术，材料服役寿命可达30 年，较传统产品提升2-3 倍。

二、材料设计的主要技术途径

1、知识库及数据库技术的深度整合

建立一个极其庞大、全面的多维度知识体系，包括材料基因组数据库，大数据量的组分-性能数据达106 以上为材料设计的可靠依据，以及失效案例库，精心收集整理5 万多个工程案例为避免在工程中材料失效提供指引，并利用自然语言技术对这些非结构化数据进行数据挖掘，如同在茫茫数据海洋中发现珍宝一般，从而构建材料性能预测神经网络，误差可控在 ≤8% 以内为材料性能预测提供准确性保障，基于区块链技术材料数据共享平台使研究周期缩减 40% 、实验成本下降 35‰ 。技术整合以及集成创新带来的设计材料创新是材料设计的一场革命。

2、材料设计系统的智能化升级

本研究集成第一性原理计算（精度控制在 0.01eV ）可透彻地揭示材料的微观构造，集成分子动力学模拟（时间尺度 1ns- 1μ s）可清楚揭示材料在不同时间尺度行为，集成有限元分析（网格精度 0.1mm ）可准确模拟材料各工况下宏观性能。应用多层仿真平台将材料设计从原子结构到宏观性能贯通，实现多层次模拟的并行贯通设计。应用深度强化学习算法DQN、PPO 建立组分-工艺-性能的逆向设计模型，能够依据已知的材料性能反向推演生成材料该性能的组分和工艺。建立材料服役性能数字镜像体系，通过实时关联材料服役过程中 200 余种传感器数据，能够实时感知材料服役全过程的状态，其预测准确率达到 95% ，从而实现对材料全寿命周期性能的监控，使材料的高效使用、安全使用有了更加有效的保障。

三、新型建筑材料应用发展建议

1、产品体系战略规划

培育“ 4+3+N^′′ 产品体系，重点培育 4 类引领性产品，超低能耗围护材料，提高建筑物隔热保温的性能，促进绿色建筑发展；智能响应材料，随着环境的改变作出响应，实现智能化的建筑功能；再生建材，实现废弃物的循环利用，体现了可持续发展的理念；3D 打印材料，给建筑设计与施工带来了新的机遇，能够快速构建复杂的建筑结构。重点培育 3 大未来前沿，如，碳纳米管增强水泥，将碳纳米管优异性能引入到水泥材料中，改善水泥材料性能；生物基建筑材料，利用生物资源制备建筑材料，减少对石油基材料的依赖；辐射制冷材料，可实现建筑物降温，为建筑提供舒适的室内温度。布局 N 个特色产品，以丰富不同市场的不同应用场景需求。制定分层级技术标准体系，由基础到高端，共计 200 项以上的团体标准，严把新型建筑材料的质量和性能关。

2、创新科研机制建设

建立“ 政产学研用” 五位一体创新联合体，集聚政府、企业、高校、院所、用户等各方资源、力量。建成 10 家国家级材料创新中心，创新中心就是创新孵化器，凝聚了最顶尖的科研人才、最先进的科研设备，为新型建筑材料研发提供了强大支持。实施“ 三个一批” 攻关计划，一是储备一批前沿技术，如量子点发光建筑材料，储备未来建筑发展方向技术；二是推广一批成熟技术，如装配式装修体系，提高建筑施工效率，提升建筑质量。将投入强度由 3% 提升至 3.5% ，就是说在新型建筑材料的研发方面投入更多的资金和资源，为技术创新提供强有力的后盾保障。把技术成果的转化率从 50% 提升到 60% ，把科研成果转换为实际的生产力，给新型建筑材料应用发展提供强有力的支撑。

3、工程应用技术体系

一是建立从试验室到工程的全链条验证平台，包括加速度试验系统，可在1年的时间内模拟20年的老化过程，为新型建筑材料耐久性能提供严酷考验；实尺寸构件测试平台，可承担1000吨级荷载，模拟工程实际受力，为新型建筑材料力学性能提供精准测试数据；BIM-DataMaterial数据库集成系统，将建筑信息模型(BIM)与材料数据库相结合，完成设计、施工、验收等12个环节信息共享、协同工作，提高工程应用效率和质量；二是编制应用技术指南，包括设计、施工、验收环节，为新型建筑材料工程应用提供详尽指导和规范。

四、展望

高性能与智能性的材料。2030年，智能建筑材料规模超过8000亿元，绿色材料碳排放强度比2020年减半。将来主要推动材料-结构-功能融合设计、生物启发性自适应材料系统、基于量子计算超材料设计，推动建筑业绿色化、数字化和智能化发展。探索协同式跨学科材料研究，促进良性发展的产业生态，建立材料全寿命周期碳足迹，支撑建筑行业“双碳”目标。

参考文献

[1]陈嘉雯,邱栋,张新,等.基于《绿色建筑评价标准》的绿色建筑减碳技术分析与碳减排量核算研究[J].福建建筑, 2023(2):39-44.

[2]马国兴.建筑节能环保设计中新技术和新材料的应用研讨思考[J].中国战略新兴产业, 2024(11):146-148.

[3]朱婧.房屋建筑外墙保温材料和施工技术分析[J].电脑爱好者（电子刊）, 2023(7):615-616.