摘 要:為滿足建筑工業(yè)的新要求，建筑材料的品種和功能需要不斷的增加、更新與完善。為此，新型材料的設計近年來已逐漸形成潮流，特別是計算機技術的發(fā)展極大的推動了材料設計的發(fā)展。本文對建筑材料設計的技術途徑包括研究內(nèi)容、基本途徑與計算方法做簡要概述。

關鍵詞:新型建材;材料設計;技術途徑;計算方法

0 引言

傳統(tǒng)的七大類建筑材料在科學技術發(fā)達的今天已經(jīng)不能滿足建筑工業(yè)的某些要求，所以有特殊功能和效用的一類建筑材料即新型建筑材料應運而生。研究設計并努力發(fā)展新型建材具有十分重要的意義，為適應建筑工業(yè)的新要求生產(chǎn)出滿足以上特點的新型建筑材料，材料設計近年來已經(jīng)蓬勃發(fā)展起來了。目前，國內(nèi)外已全面開展新材料計算、設計、模擬研究，其中包括材料的性能模擬、性能預報、物相預報、材料微觀結構計算、專家系統(tǒng)。

1 材料設計概述

1.1 材料設計的內(nèi)涵

材料設計是指通過理論與計算預報新材料組分、結構與性能，或者說，通過理論設計來“訂做”具有特定性能的新材料。材料設計的研究范疇按研究對象的空間尺度不同可劃分為4個層次，即電子層次、原子與分子層次、微觀結構組織和宏觀層次。

1.2 材料設計的主要研究內(nèi)容

日本學者三島良績在其撰寫的《新材料開發(fā)和材料設計學》一書中勾畫出材料設計的目標和內(nèi)容，即從材料制備到使用全過程都是材料設計的研究范圍。相應的材料設計系統(tǒng)應該包括材料數(shù)據(jù)庫和知識庫兩個方面，其中知識庫包括理論公式或計算結果，也包括經(jīng)驗規(guī)律和數(shù)學模型。柳田博明認為材料設計應該包括兩個方面的含義:①從指定的目標出發(fā)規(guī)定材料性能，并提出合理手段;②為新材料開發(fā)和新效應、新功能研究提供指導原理。也有專家建議，單純利用理論物理、理論化學計算進行材料設計。

1.3 新型建筑材料的主要研究內(nèi)容

我國新型建筑材料工業(yè)伴隨著改革開放的不斷深入而發(fā)展起來的，我國新型建筑材料工業(yè)基本完成了從無到有、從小到大的發(fā)展過程，在全國范圍內(nèi)形成了一個新型的行業(yè)，成為建筑材料工業(yè)中重要的產(chǎn)品門類和新的增長點?，F(xiàn)階段我國新型建筑材料的主要研究內(nèi)容為:

新型墻體材料。墻體材料是指在建筑中起承重、圍護或分割作用的材料。新型墻體材料的品種較多，主要包括各種空心磚、新型實心磚、砌塊、墻板等，其主要特點是節(jié)能、利廢、省土、環(huán)保、減輕勞動強度和提高施工效率。

新型建筑涂料。新型建筑涂料是指涂敷于物體表面能形成連續(xù)性涂膜，裝飾、保護或使物體具有某種特殊功能的材料。

新型建筑塑料。建筑塑料是以高分子材料為主要成分，添加各種改性劑及助劑，為適合建筑工程各部位的特點和要求而生產(chǎn)用于各類建筑工程的塑料制品。

新型裝飾材料。裝飾材料是指建筑物內(nèi)外墻面、地面、頂棚的飾面材料。

新型防水、密封材料。防水材料是指有效防止雨水或地下水向建筑物內(nèi)部滲漏的防水薄膜材料，是建筑業(yè)及其他有關行業(yè)所需要的重要功能材料。

2 材料設計的主要技術途徑

知識庫與數(shù)據(jù)庫技術。計算機的材料知識庫和性能數(shù)據(jù)庫具有一系列優(yōu)點，可與人工智能技術相結合，構成材料性能預測或材料設計專家系統(tǒng)。計算機的材料知識庫和性能數(shù)據(jù)庫與早起數(shù)據(jù)的自由管理方式和文件管理方式相比還具有數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)獨立、數(shù)據(jù)一致、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)保護等優(yōu)點。

材料設計專家系統(tǒng)。材料設計專家系統(tǒng)是指具有相當數(shù)量的與材料有關的各種背景知識，并能運用這些只是解決材料設計中有關問題的計算機程序系統(tǒng)。

計算機模擬技術。材料設計中的計算機模擬對象遍及從材料研制到使用的全過程，包括合成、結構、性能、制備和使用等。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)。材料設計涉及材料的組分、工藝、性能之間的關系，但這些內(nèi)在的規(guī)律往往不甚清楚，難于建立起精確的數(shù)學模型。

3 材料設計中的計算方法

3.1 材料計算與設計的關系及相關概念

材料設計中的計算主要是通過計算機模擬實現(xiàn)的，計算機模擬對象遍及從材料研制到使用的全過程，包括合成、結構、性能、制備和使用等。隨著計算機技術的進步和人類對物質不同層次的結構及動態(tài)過程理解的深入，可以用計算機精確模擬的對象日益增多。在許多情況下，用計算機模擬比進行真實的實驗要快、要節(jié)省，因此可根據(jù)計算機模擬結果預測有希望的實驗方案，以提高實驗效率。

材料計算與設計(Materials Computation and Design) 是指以計算機為手段，通過理論與計算對材料的固有性質、結構與組分、使用性能以及合成與加工進行綜合研究的一門新學科方向，其目的在于使人們能主動地對材料進行結構與功能的優(yōu)化與控制，以便按需要制備新材料。簡而言之，所謂材料計算與設計就是通過理論計算與設計指導“訂做”具有特定性能的新材料。

3.2 材料計算與設計的理論與方法

目前關于現(xiàn)代材料計算與設計的理論與方法主要有第一性原理法、第一性原理分子動力學方法、分子動力學方法、蒙特卡羅方法、有限元法等。下面對以上幾種方法進行簡要介紹。

第一性原理法(First Principle。第一性原理方法是在電子層次上研究材料的性能。所謂第一性原理，即從最基本的物理規(guī)律出發(fā)，求解體系的薛定諤方程以獲取材料性能方面的信息，從而理解材料中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，預測材料的性能。除原子構型外，它不需要任何其他的經(jīng)驗參數(shù)，因此，第一性原理方法是一種真正意義上的預測。

第一性原理分子動力學方法(Car-Parrinello)。第一性原理分子動力學方法(CP) 就是在正確描述電子狀態(tài)和作用于各原子間的力的基礎上進行分子動力學模擬的方法。與經(jīng)典分子動力學方法中把電子系與離子系相互獨立地進行計算相比，其特點在于將兩者以統(tǒng)一的形式進行處理和計算。

蒙特卡羅方法(Monte-Carlo)。MC 方法又稱為隨機抽樣技術或統(tǒng)計實驗方法，它以概率論和數(shù)理統(tǒng)計學為基礎的，通過統(tǒng)計實驗來實現(xiàn)目標量的計算。其基本思想是求解數(shù)學、物理化學問題時，將它抽象為一個概率模型或隨機過程，使得待求解等于隨機事件出現(xiàn)的概率值或隨機事件的數(shù)學期望值。

有限元法。有限元法是一種常規(guī)的數(shù)值解法，它是將連續(xù)介質采用物理上的離散與片分多項式插值來形成一個統(tǒng)一的數(shù)值化方程，非常方便計算機求解。該方法實質上是完成兩個轉變:從連續(xù)到離散和從解析到數(shù)值，因此可解決大多數(shù)力學問題、凝固模擬和晶體的塑性模擬等。

分子動力學方法(Molecule Dynamics)。分子動力學方法(MD) 是按該體系內(nèi)部的內(nèi)稟動力學規(guī)律來計算并確定位形的轉變。它把多粒子體系抽象為多個相互作用的質點，建立一組分子的運動方程，通過直接對系統(tǒng)中的一個個分子運動方程進行數(shù)值求解，得到每個時刻各個分子的坐標與動量，即在相空間的運動軌跡，再利用統(tǒng)計計算方法來確定多體系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，從而得到系統(tǒng)的宏觀性質。

4 結語

發(fā)展新型建筑材料，節(jié)約資源與能源，降低污染，提高工業(yè)廢棄物的利用率，符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，新型建筑材料的設計與研發(fā)是21世紀最重要、最有發(fā)展?jié)摿Φ念I域之一。按照材料設計的理論方法與計算方法，依托不斷發(fā)展的強大計算機功能，材料的設計與研發(fā)已成為當今熱門行業(yè)。今后的材料設計應重點注意原材料的循環(huán)利用，材料使用過程中的環(huán)保，節(jié)能等方面的問題。

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