2021年超高層建筑10大技術難點及應對措施

超高層建筑10大技術難點及應對措施歐陽光明（2021.03.07）根據理論及經驗分析，一般在40層（大約150米）左右，是超高層建筑設計的敏感高度（建筑物的超長尺度特性將引起建筑設計概念變化），這種變化促使建筑師必須提出有效設計對策，調整設計觀念，應用適宜的建筑技術。超高層樓宇就像一條豎立起來的街道，存在著安全、內部交通環(huán)境、能源消耗等多種難以妥善解決的問題，越是向高處發(fā)展，安全性、耐久性及適用舒適等問題就愈多，對結構、建筑、機電、暖通、電梯等專業(yè)的要求就越高。結構系統(tǒng)難點1由于超高層建筑結構的特殊性，建筑內部的梁柱將會不可避免的存在，在結構設計中要考慮異形柱的使用，特別是在超高層住宅戶型設計中，充分全面考慮梁柱的影響、規(guī)避及利用是設計的難點。對于結構設計來講，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及擬建場地的抗震設防烈度以經濟、合理、安全、可靠的設計原則，選擇相應的結構體系，一般分為六大類：框架結構體系、剪力墻結構體系、框架7剪力墻結構體系、框-筒結構體系、筒中筒結構體系、束筒結構體系。90年代以來，除上述結構體系得到廣泛應用外，多筒體結構、帶加強層的框架-筒體結構、連體結構、巨型結構、懸挑結構、錯層結構等也逐漸在工程中采用。進入90年代后，由于我國鋼材產量的增加，鋼結構、鋼-混凝土混合結構逐漸采用。如金茂大廈、地王大廈都是鋼-混凝土混合結構。此外，型鋼混凝土結構和鋼管混凝土結構在高層建筑中也正在得到廣泛應用。高層建筑結構采用的混凝土強度等級不斷提高，從C30逐步向C60及更高的等級發(fā)展。預應力混凝土結構在高層建筑的梁、板結構中廣泛應用。鋼材的強度等級也不斷提高。高層和超高層建筑在結構設計中除采用鋼筋混凝土結構（代號RC）外，還采用型鋼混凝土結構（代號SRC），鋼管混凝土結構（代號CFS）和全鋼結構（代號S或SS）。建筑高度100m,柱網為8.4m,抗震設防烈度為6度，采用框架-剪力墻或框-筒結構體系較為經濟合理，這種結構體系的剪力墻或筒體是很好的抗側力構件，常常承擔了大部分的風載和地震荷載產生的水平側力，總體剛度大，側移小，且滿足玻璃幕墻的外裝飾要求。超高層建筑的樓板和屋蓋具有很大的平面剛度，是豎向鋼柱與剪力墻或筒體的平面抗側力構件，同時使鋼柱與各豎向構件（剪力墻或筒體）起到變形協(xié)調作用?！沅摻Y構建筑物的樓板和屋蓋，都采用軋制的壓型鋼板加現澆鋼筋混凝土（簡稱鋼承混凝土）樓板和屋蓋，厚度一般不小于150mm。目前在設計鋼承混凝土樓板和屋蓋時沒有考慮鋼承混凝土樓板和屋蓋與鋼梁共同作用。主要是對于板底呈波形的計算原理不甚了解或認為計算繁瑣，就按平板計算，這樣既不安全又增加了鋼梁的用鋼量。如果采用鋼梁與鋼承混凝土樓板共同作用，簡稱MST組合梁，只要計算正確，配筋合理，栓釘可靠，則可以節(jié)約樓層和屋蓋鋼梁的用鋼量20%左右，而且不需對鋼梁進行穩(wěn)定驗算。垂直交通設計難點2超高層建筑，核心筒的設計需平衡采光、節(jié)能、易于維護、減少公攤、不同業(yè)態(tài)核心筒上下統(tǒng)一等多方要求，是建筑設計的難點之一。高層建筑與其他建筑之間的最大區(qū)別，就在于它有一個垂直交通和管道設備集中在一起的、在結構體系中又起著重要作用的“核”。而這個“核”也恰恰在形態(tài)構成上舉足輕重，決定著高層建筑的空間構成模式。隨著高層建筑建設的發(fā)展、高度的增加和技術的進步，在高層建筑的設計過程中，逐漸演化出了中央核心筒式的“內核”空間構成模式。1?內核式：中央核心筒布局在建筑處理上，為了爭取盡量寬敞的使用空間，希望將電梯、樓梯、設備用房及衛(wèi)生間、茶爐間等服務用房向平面的中央集中，使功能空間占據最佳的采光位置，力求視線良好、交通便捷。在結構方面，隨著筒體結構概念的出現、高度的增加，也希望能有一個剛度更強的筒來承受剪力和抗扭。在建筑的中央部分，有意識地利用那些功能較為固定的服務用房的圍護結構，形成中央核心筒，而筒體處于幾何位置中心，還可以使建筑的質量重心、剛度中心和型體核心三心重合，更加有利于結構受力和抗震。這種“內核”空間構成模式，經過長期的實踐檢驗，以其結構合理、使用方便和造價相對低廉的優(yōu)勢，很快便成為高層建筑中最為流行的空間布局形式。盡管中央核心筒式布局的筒體周圍的房間需要人工采光和機械通風，總會多少給人帶來不適感，但“內核”式的布局形式及其變種在數量上占有絕對優(yōu)勢，大多數著名的超高層寫字樓建筑也都采用這種形式。但是作為超高層住宅建筑，這種內核式的布局存在著諸多不便利之處。2.外核式：雙側外核心筒布局隨著時代的發(fā)展、技術的進步，人們對建筑需求的變化和設計側重點的不同，以中央核心筒為主流的高層建筑“內核”空間構成模式開始受到了挑戰(zhàn)。第一次變革主要還是出于造型上的需要和建筑設計理念的變化，如70年代前后出現的“雙核”構成模式。雙側外核心筒的布局，不僅有利于避難疏散，而且也使高層建筑的外觀造型產生了巨大的變化。貝聿銘設計的新加坡“華僑銀行中心”和日建設計設計的日本“IBM本社大樓”等等就是當年風行一時的雙側外核設計手法的代表。3.多核式：分散多個外核布局第二次變革最先對核心筒提出革命性建議的是設備專業(yè)，他們認為隨著建筑設備的日趨增多和越來越復雜，如果把設備用房和管道井從核心筒中分離出來，可能會更有利于管理和維修。而80年代以后，智能化建筑的普及和電信設施的不斷增加，導致了在高層建筑中大量應用計算機和電信通訊設備，甚至許多建筑在竣工之后，仍然頻繁地改造布線系統(tǒng)和增添新設備。智能化辦公樓中的光纜與電腦網絡管道井、配線箱以及中繼裝置等，每層都必須設置三處以上才算合理。這樣，建筑上為了滿足機電設備經常變動的需要，便開始將“核”分散化，分置多處設備用房和管道井，以便于局部更改。對于結構專業(yè)來說，加強建筑周邊的剛度也會有效地抵抗地震對高層建筑的破壞，所以如果將垂直交通和設備用房等分散地布置在周邊，則無疑也會對結構抗震有利。同時，這種分散的多個外核的空間構成模式，也正好適用于新興的巨型框架結構，使這種結構體系中的巨型支撐柱具有了使用功能。其最典型的實例就是丹下健三設計的日本“東京都新都廳”。而從建筑設計的角度來看，核的移動、垂直交通、服務性房間和管道井分散到建筑的周邊，對于高層建筑的空間構成模式和立面造型上的變化也是極具革命性的。它不但適應了其它專業(yè)的需求，而且還有利于避難疏散，創(chuàng)造更大的使用空間和使高層建筑的底部獲得解放。這種空間構成模式所具有的靈活性和先進性，很快便被推崇技術表現的歐洲建筑師們所發(fā)現，并創(chuàng)造性地應用在他們的作品之中。羅杰斯設計的英國“倫敦勞埃德大廈”、88木街辦公樓和福斯特設計的“香港匯豐銀行”等等即是分散式核心筒的杰作，它們從內部的空間構成到外部立面，均與中央核心筒式的高層建筑大相經庭。此外，在規(guī)模較小的高層建筑中，近年來還出現一種核與主要使用空間分離化的現象，垂直交通、服務性用房和設備管道井均分別獨立，與建筑主體分開。主要使用空間更加完整，四面對外，核與主要使用空間之間以連廊相接。從結構的角度來看，核的剛度較大，而主體較柔，兩部分各自分別工作，既受力合理又相對經濟。當然，連接部分的設計是這類高層建筑設計的關鍵所在，不過這種設計方式給建筑外觀帶來的變化，已引起了建筑師們的關注，并很快在歐洲和日本流行起來。德國的漢諾威建筑博覽會管理辦公樓、埃森RWE公司辦公樓，以及日本東京的東急南大井大樓和大阪的凱恩斯本部辦公樓。核與主要使用空間分散和分離還可以使樓梯間、衛(wèi)生間等直接對外自然采光通風，既節(jié)約能源，又省去消防所需的加壓送風設備,更符合低能耗，可循環(huán)的現代設計原則。因此，近幾年強調生態(tài)、節(jié)能的高層建筑多采用這種布局方式。馬來西亞建筑師楊經文設計的高層建筑，不但樓梯、衛(wèi)生間等全部對外，而且電梯筒壁還被刻意用來遮擋日曬，可謂“分散外核空間構成模式的生態(tài)設計方式”?！凹∑聫V場大廈”及其最新設計的“新加坡展覽大廈”就都反映出這—設計特征。而另一位歐洲的建筑師赫爾佐格設計的前述之德國漢諾威建筑博覽會管理辦公樓，也以其生態(tài)觀念贏得了眾□稱贊。電梯難點3在超高層建筑中，快速、高效、平穩(wěn)的垂直服務是難點之一。電梯作為垂直交通工具，對其數量的配置、控制方式及有關參數的選定將不僅直接影響建筑物的一次投資（一般電梯投資約占建筑物總投資的10%左右），而且還將影響建筑物的使用安全和經營服務質量。在建筑物內，恰當地選用電梯的臺數、容量、運行速度、控制方式非常重要，而建筑物內的電梯一經選定和安裝使用就幾乎成了永久的事實，以后若想增加或改型非常困難，甚至是不可能的了，因此，在設計中應該在設計開始時對電梯的配置應予以充分重視。現代超高層建筑大都超過60層，建筑內人□流動大，縱向交通主要依賴電梯，有效設計超高層建筑的電梯的關鍵是運用各種局部電梯進行服務，并把局部區(qū)域電梯系統(tǒng)組織起來。通往這些局部區(qū)域，通過由地面始發(fā)站至局部區(qū)域的空中候梯廳之間的快速穿梭電梯進行服務，乘客到達空中候梯廳后再換乘區(qū)間電梯。為了能夠將乘客以最快的速度運送到達目的地，一般以建筑每30一35層為一局部區(qū)域。由于超高層建筑采用多梯系統(tǒng)，應采用微機電梯控制系統(tǒng)，通過計算機控制系統(tǒng)及時地處理大量信息，判斷各站臺的呼叫信息和各電梯的位置、方向、開閉狀態(tài)、轎廂內呼叫等各種狀態(tài)，以提高運送能力，改善服務質量，提高超建筑的經濟效益。供電安全性和穩(wěn)定性難點4作為超高層建筑，安全性必然是供電系統(tǒng)設計所需要格外注意的地方，其次是供電可靠性。配電系統(tǒng)的設計上，需考慮多回路供電及備用發(fā)電機組的配置。因超高建筑的高度，變配電房可以考慮設置在塔樓中部的樓層，以減少低壓配電的損耗。備用柴油發(fā)電機設置于地庫層，供電電壓采用10千伏輸出，再經變壓器降壓至低壓配電，保證配電至塔樓的高層。在超高層建筑的配電系統(tǒng)上，供電距離、電纜的長度、電纜大小的適當調整以及安裝時的施工工藝也是難題之一。由于超高層面積大、樓層多，自然會出現遠距離供電的問題，因此后備電源可考慮采用高壓發(fā)電機來發(fā)電，從而解決了這個難題。另外還需要特別注意的是，超高層建筑遇到強風時，可能會出現左右晃動。由于超高層建筑物會有一定的搖擺度，在上升主干線的設計上可以考慮將電纜連接銅母線槽配電，以減低超高層建筑物在搖擺時對銅母線槽接駁組件位置的拉扯壓力，減少發(fā)生故障及維修的機會，也相對地增加了主干系統(tǒng)的壽命。*歐陽光明*創(chuàng)編建成后業(yè)主的使用方便也是必須要考慮到的，在電氣設備的空間安排方面要有可調整的空間。作為超高樓，樓層多，機電方面的設備自然也多，為了讓業(yè)主獲得更多的使用空間，在排布電纜和豎井方面要盡量減少轉換豎井和縮小豎井等所占用的空間，以便提供出更多的空間給業(yè)主使用。消防難點5消防難點：超高層建筑由于其特殊的構造和功能要求，致使其內部火災荷載大，火勢蔓延迅速，人員疏散困難，救援難度大，形成重大火災的隱患大。如2009年2月中央電視臺新址的附屬文化中心大火，造成了人員傷亡及財產損失。消防設計要點：防火-控火-耐火防火，建筑工程中使用防火材料、防火構件、防火配件，裝修工程中采用不燃、難燃性建筑材料，易燃易爆場所強化通風，設置防爆電氣，使用不發(fā)火地面等。控火，一是把火災控制在初始階段，包括安裝火災自動報警、自動滅火系統(tǒng)，進行早期探測和初期撲救；二是把火災控制在較小范圍，在建筑物平面和豎向劃分防火分區(qū)和防煙分區(qū)，在建筑物之間留有適當防火安全距離，切斷火災蔓延途徑，減小成災面積，便于實施救援。耐火，加強建筑結構構件的耐火穩(wěn)定性，使其在火災中不致失效。測量難點6*歐陽光明*創(chuàng)編超高層建筑，一般由超高層塔樓和多層地下室組成，工程測量難度大，施工測量如果失誤，造成的損失會非常嚴重，并且難以彌補和修復，因此工程測量是超高層建筑的重點、難點。側向風影響難點7高層、超高層建筑要承受側向的風力，一般說，在正常的風壓狀態(tài)下，距地面高度為10m處，如風速為5m/s,那么在90m的高空，風速可達到15m/s。若高達300-400m，風力將更加強大，即風速達到30m/s以上時，摩天大樓產生的晃動將十分劇烈。對大樓的這種晃動，首先要考慮它對電梯的影響，電梯被視為超高層建筑的“生命線”。當電梯高速運行的同時，如果大樓的晃動超過一定尺寸，電梯的鋼纜就會因時緊時松的受力不均受到傷害，并造成危險。煙囪效應難點8冬天，在氣溫較低的情況下，會由于低層（特別是一層大堂）和地下室的冷空氣竄入電梯井，經煙囪效應形成強大氣流，造成電梯關不上門。而且會將底層的一些氣味帶到高層，如廚房的氣味、油煙味等，此時如在底層或地下室有電焊操作或燃氣泄漏就可能將火源隨氣流帶到高層，極端危險。同時，由于電梯轎廂與井壁間的縫隙很小，在電梯移動時，氣流的摩擦會產生嘯叫，這種現象在金茂大廈也有出現。目前，這是個國際性難題，目前尚未找到很好的解決辦法。管理維護問題難點9—些超高層大樓都曾出現過斷電、跑水等事故。從管理上看除了做好預案，防止事故發(fā)生和做好備用系統(tǒng)以外，一旦事故出現，如何搶救，是否有一位掌握全局、了解本系統(tǒng)一切細枝末節(jié)的人十分重要。上海金茂大廈的管理層就曾對沒有一位掌握該建筑14000多個閥門的人感到十分遺憾。擦玻璃也成了管理這些龐然大物的一個麻煩。金茂大廈的幕墻有10.18萬平方米，據說兩架擦窗機連續(xù)工作，一年才能把所有的玻璃擦一遍，而且，由于建筑外形凹凸起伏太大，檐部又挑出很多，有的地方達3m以上，擦玻璃相當困難。施工難點難點101?超高層基礎米用深基礎。由于建筑高，體量大，支撐高層的地基必須達到足夠的強度，所以多采用深基礎，持力層嵌入微風化巖層。2?超高層地下室深度大、層數多、面積大。一是要滿足建筑功能方面的要求，比如人防面積、停車位數量等；二是要解決在施工過程中的結構抗浮問題。3?超高層結構形式多為混合型。如型鋼混凝土、鋼管混凝土、鋼筋混凝土結構或全鋼結。它們的共同特點是：施工簡便、工期短、結構性能好且大大節(jié)約建筑材料，目前已成為超高層建筑群最為實用和主要的結構形式。4?超高層裝飾工程裝飾富于變化，工程量大，技術含量高、要求高。超高層建筑的裝飾工程的安全性功能尤其重要，抗風壓，風、水、氣的密閉性要求高。*歐陽光明*創(chuàng)編5?建筑功能復雜，子系統(tǒng)多，安裝工程工程量大，要求精度高。6?新技術、新材料、新工藝大量采用。超高層建筑的特點，在施工中應當采取如下對策：1?施工技術必須有新突破超高層建筑絕不僅簡單是建筑樓層數量上的疊加、施工的延長，而在施工技術方面必須注入新的元素，必須有新突破。（1） 深基礎施工技術。根據地質條件，深基礎一般采用大直徑人工挖孔樁，沖（鉆）孔灌注樁，預制混凝土管樁或預制鋼管樁，為一種或兩種同時采用。對于施工總承包來說，按照設計的樁類型進行施工，主要考慮的是技術能力、設備能力、安全和質量控制能力。工程總承包項目就需要考慮成本因素以及獲得這些能力的難易程度。（2） 大基坑土方開挖和支護技術。按照我國現行的政策和建筑本身的需要，超高層建筑必然有一個超大、超深的地下室結構部分，這部分工程施工的最大難點在于土方開挖和基坑支護。超高層建筑一般在城市的主要路段，場地狹窄，周圍環(huán)境復雜而且重要。土方開挖的方案至少應該解決以下幾個問題：a?進出土路線的選擇挖運土方設備數量和性能的選擇以及進退場安排最后土方的挖、運的具體措施基坑支護技術的優(yōu)化和周圍環(huán)境建（構）筑物以及基坑邊坡的變形監(jiān)測土方開挖和基坑支護，乃至樁基礎施工的配合。2.施工組織要有新思維超高層建筑的豎向跨度非常大，在施工組織中首要解決垂直運輸效率的問題。利用有限的機械設備解決龐大的人員、材料的上下，做到有序并且有效。（1） 合理配置大型機械設備。要核算現場人員流量，在施工高峰期有多少人需要乘電梯到達現場，全部輸送完需要多少時間。結合工期計劃，核算和分析需要使用人貨電梯運輸的原材料、周轉材料、成品、半成品的總用量以及周轉率要求，核算工作時間。在此基礎上，合理確定塔吊，人、貨電梯的規(guī)格型號和數量；選擇混凝土輸送泵的性能和數量。在實際中，超過150m的建筑應考慮布置一臺高速施工電梯和一臺普通施工電梯，分別服務不同的施工區(qū)域。應選用一次泵送到位的混凝土輸送泵，油泵和電泵均要配備。塔吊的性能和布置不僅要滿足鋼筋、模板、鋼管等材料運輸，而且必須考慮鋼結構件的吊裝和安裝需要。慎密