优化建筑结构材料

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【摘 要】随着我国建筑业发展很快,规模不断扩大.平均每年新建20亿m2建筑,这样大面积建筑的建造消耗了大量的自然矿物资源、能源,同时又向大气中排放大量的有害气体,严重污染环境、破坏生态.由此带来的资源枯竭、环境破坏,已经引起人们的警惕.因此,如何优化建筑结构,用较少的资源来满足大规模建设,就成为目前急需解决的问题.

【关 键 词】建筑结构;建筑材料;可再生技术

1.结构用材的现状

建筑结构的形式主要有:砌体结构、木结构、钢结构、钢筋混凝土结构.我国土地资源紧张、森林资源匮乏,木结构和粘土砖砌体结构受到限制、淘汰,钢结构造价偏高,难以普及.据统计,我国建筑业每年消耗的混凝土达15亿m3,建筑用钢超过7000万t,几乎占全球的1/3.钢筋和混凝土作为主要的工程结构材料,是国家工程建设必不可少的物质基础,但消费了大量的能源和资源,给国民经济可持续发展带来了挑战.

2.存在问题

1)资源和能源不足;2)消费结构不合理;3)环境污染严重.

3.结构优化的途径

3.1提高结构材料的强度

一般来讲,在同等结构体系中,混凝土强度等级越高,其结构构件尺寸、体积就会相对减小,其用料就会减少.例如HRB400,HRB500的钢筋,对于受力钢筋,可节约钢材10%~25%.配制C35混凝土,用42.5级比用32.5级可节约水泥80kg/m3左右.

随着材料强度的提高,强度价格比(即每元购得的单位重量材料的强度)明显增加,可降低配筋率,节省钢筋;减少运输、加工、绑扎等施工量;缓解密集配筋区域(如节点)的施工困难;还可减轻结构自重,技术经济效益显著.因此,推广应用新型高强钢筋,加大C30,0向0,C50升级应用,以及C70,C280高性能混凝土在建筑结构中的应用技术研究是节约材料的基本途径.

3.2重视结构材料的耐久性

混凝土结构的耐久性是当前困扰土建基础设施工程的世界性问题.长期以来,人们一直认为混凝土结构是非常耐久的材料,直到20世纪70年代末期,发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程,在一些环境下出现过早损坏,许多城市的混凝土结构基础设施工程和港口工程建成后不到20年、30年甚至更短的时间内就出现劣化.国内外统计资料表明,由于混凝土结构的耐久性病害而导致的经济损失是巨大的.

而且,混凝土结构的质量检查习惯上以单一的强度指标作为衡量标准.工程中为满足施工工作性能要求,用水量大,水灰比高,导致混凝土的孔隙率很高,约占水泥石总体积的25%~40%,特别是毛细孔占相当大的部分.毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其他有害物质进入混凝土内部的通道,使混凝土结构耐久性大大降低.

3.3大力发展空心结构

将目前重量达1.8t/m2的粘土实心砖混合结构建筑,改用空心砖或空心砌块可使建筑重量下降到0.8t/m2~1t/m2,无疑会节约大量建筑材料,或者说用同样数量的自然资源可建造更多面积的建筑.

3.4大力发展预应力混凝土结构

日新月异的生产工艺变革以及人们对物质文化生活需求的迅速提高,使建筑结构正在向大柱网、大开间、大跨度、多功能方向发展,人们总想在有限的建筑面积和空间内获得最好的使用功能和最佳的投资回报.

经验证明:8m~18m柱网(或跨度)的房屋正处于预应力混凝土建筑结构经济跨度范围内,对于大多数多层工业厂房,各类公共建筑如文化娱乐建筑、体育建筑、医疗建筑、商业建筑、办公建筑、航站建筑等,预应力混凝土结构常常是最佳的选择,具有良好的技术和经济指标.

预应力混凝土在高层建筑中的应用有很大的发展前景,尤其是无粘结预应力混凝土平板和预应力混凝土扁梁用于高层建筑的楼盖,具有降低层高、简化模板、加快施工等明显效果.预应力混凝土除用于楼盖外,有时还用来解决大跨度、大空间部位柱网转换时的转换梁、转换桁架,以及复杂柱网情况下的转换板.此外,8m~18m跨度的预应力混凝土空心板,外墙用的装饰保温复合预应力混凝土墙板在高层建筑中的应用前景也很广阔.

3.5大力发展预制、现浇相结合的装配整体式结构

预制混凝土构件具有工厂化规模生产的各种优点,如质量控制水平高、构件耐久性好、模板周转率高、损耗小.在道路及运输吊装条件较好,运距不太大(200km以内)的情况下,预制构件常常有良好的技术经济指标.先进工业化国家中,预制混凝土构件的比例很高,美国占70%~80%,法国、德国约占60%.


随着大柱网、大开间多层建筑和高层建筑迅猛发展,大力发展装配整体式建筑结构体系,把预制与现浇二者的优点结合起来,避免纯装配式建筑对产品尺寸的高精度要求,结构整体性差和节点耗钢量大等缺点,又避免了现浇结构现场湿作业工程量大,受制于现场施工及气候条件,耗用大量模板、支撑等缺点.

3.6大力发展可再生技术

建筑垃圾中的许多废弃物经过分捡、剔除和粉碎后,大多可作为再生资源重新利用.如废钢筋、废铁丝、废电线和各种废钢配件等金属,经分拣、集中、重新回炉后,可以再加工制造成各种规格的钢材;废竹木材则可以用于制造人造木材;砖、石、混凝土等废料经破碎后,可以代砂,用于砌筑砂浆、抹灰砂浆、打混凝土垫层等,还可以用于制作砌块、铺道砖、花格砖等建材制品.因此大力发展可再生技术将固体废弃物作为建筑材料生产的原材料:1)实现自然资源的可再生;2)实现垃圾、建筑材料等人造材料的可再生利用.以可再生资源逐步替代不可再生资源,以应对未来建筑必须面临的诸如环境和生态保护.

3.7加强已有建筑的修复与维护

我国是发展中国家,现在正大兴土木,可是过去建成的大量工程已经过早老化.如:国内40%的公路桥梁的桥龄已大于25年,加上进入20世纪90年代以后交通量猛增、超载严重,以往的设计标准又低,路桥的维修问题十分突出.由于养护维修费得不到保障,造成工程安全隐患,并在以后需支出更多的大修费用.因此,定期的检查和维护是非常必要的,这对围护结构的适用性和耐久性,延长结构使用寿命是非常重要的.

4.结论和建议

可持续发展要从土地开发、建材选择、建筑使用及维护以及建筑拆除的整个生命周期中,体现出对自然资源的索取少,能源消耗小,对环境影响小,再生利用率高的新特征.在这个发展过程中:1)应当避免低性能钢筋和低品质水泥造成对资源的浪费,将提升钢材、水泥、混凝土等建筑用材消费层次作为主线,形成合理的消费结构.2)优化建筑结构,用较少的材料满足大规模的建设,同时重视可再生资源的利用.并将成熟和行之有效的科学成果及时纳入国家标准规范,做到以最小的资源投入获得最佳的经济效果.只有这样才能合理利用自然资源,实现建筑的可持续发展.

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