新型建筑结构材料在大跨度建筑中的应用与性能分析

一、引言

大跨度建筑通常是指横向跨越 60m 以上空间的各类建筑，如体育馆、展览馆、机场航站楼等。这类建筑以其开阔的内部空间、独特的造型和强大的功能性，满足了现代社会多样化的需求。然而，大跨度建筑的建设对建筑结构材料提出了严峻挑战，不仅要求材料具备高强度、轻质等基本特性，还需在耐久性、防火性、抗震性等方面表现出色。传统建筑结构材料在某些性能上逐渐难以满足大跨度建筑的需求，新型建筑结构材料应运而生。这些新型材料通过创新的成分设计和先进的制备工艺，展现出卓越的性能，为大跨度建筑的发展注入了新的活力。

二、新型建筑结构材料在大跨度建筑中的应用

2.1 建筑膜材

建筑膜材作为一种新型的大跨度空间结构材料，被称为“第五代建材”。它一般由膜材的基质及高分子聚合物组成，即高分子聚合物涂层与基材层按特定工艺粘合而成。基质通常为高强度聚酯纤维，提供主要强度，涂层则保证膜材的密实性和自洁性等。膜结构通过支撑构件（如刚性梁、柱、柔性索）或给膜内空气加压，并施加适当初始预张力，形成具有一定刚度的空间结构形状，以承受外荷载。

建筑膜材具有诸多优点。其重量极轻，能大幅降低大跨建筑的总造价，同时满足大跨建筑对材料轻质的要求。例如，中等强度的 PVC 膜厚度仅0.61mm ，拉伸强度却相当于钢材的一半；中等强度的 PTFE 膜厚度仅0.8mm ，拉伸强度已达到钢材水平。膜材还具有良好的透光性，对自然光的透射率可达 25% ，透射光在结构内部产生均匀漫射光，无阴影和眩光，显色性良好。夜晚在环境光和内部照明共同作用下，膜结构表面发出自然柔和的光辉。此外，PTFE 建筑膜材和经过特殊表面处理的 PVC 膜材具有出色的自洁性能，雨水可将尘土冲洗掉，保持膜材表面清洁。建筑膜材广泛应用于体育场馆的屋顶系统、机场大厅、展览中心、站台、景观亭蓬等大型公共设施。1970 年日本大阪万国博览会的美国馆，采用气承式膜结构，首次以聚氯乙烯（PVC）为涂层的玻璃纤维织物作为覆盖材料，是第一个现代意义上的大跨度膜结构，开启了建筑膜材在大跨度建筑中应用的新篇章。

2.2 装配式预应力混凝土叠合楼盖体系

装配式预应力混凝土叠合楼盖体系是一种创新的建筑结构材料体系，包括预应力带肋混凝土叠合楼盖、预应力混凝土空心板叠合楼盖、预应力双 T 板叠合楼盖等多种类型。该体系通过理论分析、数值模拟和试验论证，将相关楼盖体系的设计方法编制成计算软件，可“一键”输出设计方案，大大提高了设计效率。

在深圳长圳公共住房项目中，预应力带肋混凝土叠合楼盖得到应用，实现了建筑内部空间无梁无柱，且全生命周期可更新，用户可根据实际需求改变户型结构。在坪山新能源汽车产业园区项目中，针对厂房结构跨度大、荷载重的问题，对预应力混凝土空心板的节点连接、叠合层设计进行优化，实现了最大跨度 12 米，最大荷载 2.5 吨/平米。预应力双 T 板叠合楼盖应用于深汕特别合作区中建绿色产业园综合楼，实现最大跨度 18 米，最大荷载 3 吨/平米，为重荷载、大跨度的巨型结构在民用建筑中的应用探索了新路径。该体系解决了传统现浇楼盖施工过程中支模多、工业化程度低、施工环境差等行业痛点，实现了建筑的大跨度、高荷载、快速建造，适用于住宅、学校、医院、商城等多种公共建筑。

2.3UHPC 板

UHPC（Ultra-High Performance Concrete）板由水泥、石英粉、硅灰石、钢纤维等组成，是一种新型建筑材料。其在大跨度建筑中具有显著优势。首先，UHPC 板抗压强度极高，可达 150MPa 以上，远高于传统混凝土材料，在承重和支撑方面表现卓越。其次，它重量轻、体积密度小，方便搬运安装的同时，能有效降低建筑结构的自重负荷。再者，UHPC 板抗酸碱性和耐候性能良好，对氯离子的渗透很弱，在使用寿命和防震抗震方面表现优异。此外，它含纤维量高，不易着火，着火后也不会爆裂和剥落，防

火效果极佳。

由于这些性能优势，UHPC 板在大跨度建筑结构中应用广泛，常见于场馆、大型桥梁、机场、地铁站等大跨度建筑。例如在一些大型体育馆的屋面板和看台板中采用 UHPC 板，既能满足大跨度空间的承载要求，又能减轻结构自重，提高建筑的整体性能。

三、新型建筑结构材料的性能分析

3.1 力学性能

从力学性能角度来看，上述新型建筑结构材料表现突出。建筑膜材虽然弹性模量较低，但这有利于其形成复杂的曲面造型，同时其拉伸强度能达到较高水平，如前文所述的 PVC 膜和 PTFE 膜。装配式预应力混凝土叠合楼盖体系通过预应力技术，提高了楼盖的承载能力和抗裂性能，能够承受大跨度建筑中的较大荷载。UHPC 板的高强度使其在大跨度建筑中作为承重构件时，可有效减小构件截面尺寸，增加建筑内部使用空间，同时其良好的延性也保证了在承受较大变形时结构的安全性。

3.2 耐久性

耐久性是衡量建筑材料性能的重要指标。建筑膜材中，PTFE 膜材具有优良的抗紫外线、抗老化性能，使用寿命长，在正常使用情况下，法拉利膜材使用寿命可达 15 年，Solus 膜材使用寿命在 25 年以上。玻纤 PVC 建筑膜材通过添加光、热稳定剂等方式提高了耐老化性能。装配式预应力混凝土叠合楼盖体系中的混凝土部分，通过合理的配合比设计和施工工艺控制，可有效抵抗环境因素的侵蚀，保证结构的长期性能。UHPC 板的抗酸碱性和耐候性能良好，对氯离子渗透弱，大大提高了其在恶劣环境下的使用寿命。

3.3 防火性能

在防火性能方面，当前广泛使用的建筑膜材防火等级为 B1 级，属难燃材料，防火性能指标达到多国防火标准。UHPC 板含纤维量高，不易着火，着火后不会爆裂和剥落，具有极佳的防火效果。装配式预应力混凝土叠合楼盖体系中的混凝土本身具有一定的防火性能，在采取适当的防火构造措施后，可满足大跨度建筑的防火要求。

3.4 节能环保性能

节能环保也是新型建筑结构材料的重要特性。建筑膜材可滤除大部分紫外线，减少内部物品褪色，同时其对自然光的有效利用，降低了建筑内部的照明能耗。装配式预应力混凝土叠合楼盖体系相比传统现浇楼盖，减少了施工现场的湿作业和模板使用量，降低了能源消耗和建筑垃圾排放。UHPC 板在制造过程中所需能源比传统混凝土材料少，且其高强度和轻质特性，在建筑使用过程中可降低结构自重，减少能源消耗，具有节能环保优势。

四、结论与展望

新型建筑结构材料如建筑膜材、装配式预应力混凝土叠合楼盖体系、UHPC 板等，凭借其优异的力学性能、耐久性、防火性能和节能环保性能，在大跨度建筑中得到了成功应用，为大跨度建筑的发展提供了有力支撑。然而，随着建筑技术的不断进步和人们对建筑性能要求的日益提高，新型建筑结构材料仍需不断创新和发展。未来，应加强对新型建筑结构材料的研发投入，进一步优化材料性能，降低成本，提高材料的可加工性和施工便利性。同时，结合智能化、绿色化建筑发展趋势，开发具有智能感知、自修复等功能的新型建筑结构材料，以更好地满足大跨度建筑乃至整个建筑行业可持续发展的需求。

参考文献

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