超高層建筑10大技術(shù)難點及應(yīng)對措施

超高層建筑10大技術(shù)難點及應(yīng)對措施

超高層建筑的設(shè)計必須考慮到特殊的尺度和高度，這會帶來許多挑戰(zhàn)。在40層左右，建筑師必須調(diào)整設(shè)計觀念，采用適宜的建筑技術(shù)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。超高層建筑類似于豎立起來的街道，需要解決許多問題，如安全、內(nèi)部交通、環(huán)境和能源消耗等。隨著建筑高度的增加，這些問題變得更加復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、暖通和電梯等專業(yè)的要求也越來越高。在超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要考慮到梁柱的影響、規(guī)避及利用。為了滿足建筑的使用功能和抗震設(shè)防烈度，可以選擇不同的結(jié)構(gòu)體系，如框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框-筒結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系和束筒結(jié)構(gòu)體系。除了這些傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，還可以采用多筒體結(jié)構(gòu)、帶加強(qiáng)層的框架-筒體結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)、懸挑結(jié)構(gòu)和錯層結(jié)構(gòu)等。在90年代以后，鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等也逐漸得到廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑的梁、板結(jié)構(gòu)中也廣泛應(yīng)用。在高層建筑中，除了采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外，還可以采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和全鋼結(jié)構(gòu)。對于建筑高度為100米、柱網(wǎng)為8.4米、抗震設(shè)防烈度為6度的超高層建筑，采用框架-剪力墻或框-筒結(jié)構(gòu)體系較為經(jīng)濟(jì)合理。這種結(jié)構(gòu)體系的剪力墻或筒體是很好的抗側(cè)力構(gòu)件，可以承擔(dān)大部分的風(fēng)載和地震荷載產(chǎn)生的水平側(cè)力，同時滿足玻璃幕墻的外裝飾要求。樓板和屋蓋具有很大的平面剛度，可以起到變形協(xié)調(diào)作用，同時也是豎向鋼柱與剪力墻或筒體的平面抗側(cè)力構(gòu)件。鋼承混凝土樓板和屋蓋的設(shè)計存在問題。通常采用軋制的壓型鋼板加現(xiàn)澆鋼筋混凝土，但在計算時往往沒有考慮到與鋼梁的共同作用。這樣做不僅不安全，還增加了鋼梁的用鋼量。采用MST組合梁，可以節(jié)約樓層和屋蓋鋼梁的用鋼量20%左右，而且不需要對鋼梁進(jìn)行穩(wěn)定驗算。超高層建筑的核心筒設(shè)計是一個難點。它需要考慮多方要求，如采光、節(jié)能、易于維護(hù)、減少公攤、不同業(yè)態(tài)核心筒上下統(tǒng)一等。與其他建筑不同，高層建筑有一個垂直交通和管道設(shè)備集中在一起的核心，這個核心在空間構(gòu)成模式中起著重要作用。隨著高層建筑建設(shè)的發(fā)展，中央核心筒式的“內(nèi)核”空間構(gòu)成模式逐漸成為流行的空間布局形式。這種布局形式以其結(jié)構(gòu)合理、使用方便和造價相對低廉的優(yōu)勢而備受青睞。但對于超高層住宅建筑來說，這種內(nèi)核式的布局存在著一些不便利之處。外核式的雙側(cè)外核心筒布局是中央核心筒式布局的一種變種。它的出現(xiàn)是因為人們對建筑需求的變化和設(shè)計側(cè)重點的不同。在這種布局形式中，核心筒位于建筑的兩側(cè)，而不是中央部分。這種布局形式的優(yōu)點是可以提供更大的空間，同時也可以更好地滿足建筑的需求。第一次變革主要是為了滿足建筑設(shè)計理念和造型上的需要，例如70年代前后出現(xiàn)的“雙核”構(gòu)成模式。這種設(shè)計模式采用雙側(cè)外核心筒的布局，不僅方便避難疏散，而且也大大改變了高層建筑的外觀。新加坡“華僑銀行中心”和日本“IBM本社大樓”等建筑，都是采用當(dāng)時風(fēng)行一時的雙側(cè)外核設(shè)計手法的代表。第二次變革最初是由設(shè)備專業(yè)提出的，他們認(rèn)為隨著建筑設(shè)備的日益增多和越來越復(fù)雜，如果將設(shè)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。80年代以后，智能化建筑的普及和電信設(shè)施的不斷增加，導(dǎo)致許多高層建筑大量應(yīng)用計算機(jī)和電信通訊設(shè)備，甚至竣工后仍頻繁改造布線系統(tǒng)和增添新設(shè)備。智能化辦公樓中的光纜、電腦網(wǎng)絡(luò)管道井、配線箱以及中繼裝置等，每層都必須設(shè)置三處以上才算合理。因此，為了滿足機(jī)電設(shè)備經(jīng)常變動的需要，建筑開始將“核”分散化，分置多處設(shè)備用房和管道井，以便于局部更改。對于結(jié)構(gòu)專業(yè)來說，加強(qiáng)建筑周邊的剛度也會有效地抵抗地震對高層建筑的破壞。因此，如果將垂直交通和設(shè)備用房等分散地布置在周邊，則無疑也會對結(jié)構(gòu)抗震有利。同時，這種分散的多個外核的空間構(gòu)成模式，也正好適用于新興的巨型框架結(jié)構(gòu)，使這種結(jié)構(gòu)體系中的巨型支撐柱具有了使用功能。丹下健三設(shè)計的日本“東京都新都廳”就是最典型的實例。從建筑設(shè)計的角度來看，將核的移動、垂直交通、服務(wù)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(gòu)成模式和立面造型上的變化也是極具革命性的。這種設(shè)計不僅適應(yīng)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(gòu)成模式所具有的靈活性和先進(jìn)性，很快被歐洲建筑師們所發(fā)現(xiàn)，并創(chuàng)造性地應(yīng)用在他們的作品之中。英國“倫敦勞埃德大廈”、88木街辦公樓和“香港匯豐銀行”等建筑，都是分散式核心筒的杰作，從內(nèi)部的空間構(gòu)成到外部立面，與中央核心筒式的高層建筑大相徑庭。近年來，一種新的高層建筑設(shè)計趨勢出現(xiàn)，即將核與主要使用空間分離，使得垂直交通、服務(wù)性用房和設(shè)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。這種設(shè)計方式不僅既受力合理又相對經(jīng)濟(jì)，而且可以使樓梯間、衛(wèi)生間等直接對外自然采光通風(fēng)，符合低能耗，可循環(huán)的現(xiàn)代設(shè)計原則。近幾年強(qiáng)調(diào)生態(tài)、節(jié)能的高層建筑多采用這種布局方式。例如，馬來西亞建筑師楊經(jīng)文設(shè)計的高層建筑和歐洲建筑師赫爾佐格設(shè)計的德國漢諾威建筑博覽會管理辦公樓，都以其生態(tài)觀念贏得了眾口稱贊。在超高層建筑中，電梯作為垂直交通工具，對其數(shù)量的配置、控制方式及有關(guān)參數(shù)的選定將不僅直接影響建筑物的一次投資，而且還將影響建筑物的使用安全和經(jīng)營服務(wù)質(zhì)量。因此，在設(shè)計中應(yīng)該在設(shè)計開始時對電梯的配置應(yīng)予以充分重視?，F(xiàn)代超高層建筑大都超過60層，建筑內(nèi)人口流動大，縱向交通主要依賴電梯，有效設(shè)計超高層建筑的電梯的關(guān)鍵是運(yùn)用各種局部電梯進(jìn)行服務(wù)，并把局部區(qū)域電梯系統(tǒng)組織起來。為了能夠?qū)⒊丝鸵宰羁斓乃俣冗\(yùn)送到達(dá)目的地，一般以建筑每30～35層為一局部區(qū)域。這種設(shè)計方式可以有效地解決電梯數(shù)量和效率的問題，提高建筑物的使用安全和經(jīng)營服務(wù)質(zhì)量。超高層建筑采用多梯系統(tǒng)，需要采用微機(jī)電梯控制系統(tǒng)來提高運(yùn)送能力和改善服務(wù)質(zhì)量。計算機(jī)控制系統(tǒng)可以實時處理大量信息，判斷各站臺的呼叫信息和各電梯的狀態(tài)，以提高經(jīng)濟(jì)效益。供電系統(tǒng)設(shè)計需要格外注意超高層建筑的安全性和可靠性。配電系統(tǒng)應(yīng)考慮多回路供電和備用發(fā)電機(jī)組的配置。變配電房可以設(shè)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(jī)設(shè)置于地庫層，供電電壓采用10千伏輸出，再經(jīng)變壓器降壓至低壓配電，保證配電至塔樓的高層。在電纜連接銅母線槽配電時，可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(jī)會，也相對地增加了主干系統(tǒng)的壽命。消防難點是超高層建筑內(nèi)部火災(zāi)荷載大，火勢蔓延迅速，人員疏散困難，救援難度大。防火、控火、耐火是消防設(shè)計的要點。建筑工程中需要使用防火材料、防火構(gòu)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(qiáng)化通風(fēng)，設(shè)置防爆電氣，使用不發(fā)火地面等。控火需要安裝火災(zāi)自動報警、自動滅火系統(tǒng)，進(jìn)行早期探測和初期撲救，以及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(dāng)防火安全距離，切斷火災(zāi)蔓延途徑，減小成災(zāi)面積，便于實施救援。耐火需要加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火穩(wěn)定性，使其在火災(zāi)中不致失效。為了讓業(yè)主獲得更多的使用空間，超高層建筑的電氣設(shè)備空間安排需要有可調(diào)整的空間。排布電纜和豎井時應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)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。測量難點6：超高層建筑由超高層塔樓和多層地下室組成，工程測量難度大，一旦施工測量失誤，將會造成嚴(yán)重的損失，難以彌補(bǔ)和修復(fù)。因此，工程測量是超高層建筑的重點和難點。側(cè)向風(fēng)影響難點7：高層、超高層建筑需要承受側(cè)向的風(fēng)力。在正常的風(fēng)壓狀態(tài)下，距地面高度為10m處，如風(fēng)速為5m/s，那么在90m的高空，風(fēng)速可達(dá)到15m/s。若高達(dá)300-400m，風(fēng)力將更加強(qiáng)大，即風(fēng)速達(dá)到30m/s以上時，摩天大樓產(chǎn)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(dāng)電梯高速運(yùn)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(yīng)難點8：冬天，在氣溫較低的情況下，低層(特別是一層大堂)和地下室的冷空氣會竄入電梯井，經(jīng)煙囪效應(yīng)形成強(qiáng)大氣流，造成電梯無法關(guān)閉門。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?xì)庑孤┚涂赡軐⒒鹪措S氣流帶到高層，存在極端危險。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?xí)a(chǎn)生嘯叫。這種現(xiàn)象在金茂大廈也有出現(xiàn)。目前，這是個國際性難題，尚未找到很好的解決辦法。管理維護(hù)問題難點9：一些超高層大樓都曾出現(xiàn)過斷電、跑水等事故。除了做好預(yù)案、防止事故發(fā)生和做好備用系統(tǒng)以外，一旦事故出現(xiàn)，如何搶救，是否有一位掌握全局、了解本系統(tǒng)一切細(xì)枝末節(jié)的人十分重要。上海金茂大廈的管理層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(jù)說兩架擦窗機(jī)連續(xù)工作，一年才能把所有的玻璃擦一遍。由于建筑外形凹凸起伏太大，檐部又挑出很多，有的地方達(dá)3m以上，擦玻璃相當(dāng)困難。施工難點難點10：1.超高層基礎(chǔ)采用深基礎(chǔ)。由于建筑高、體量大，支撐高層的地基必須達(dá)到足夠的強(qiáng)度，因此多采用深基礎(chǔ)，持力層嵌入微風(fēng)化巖層。2.超高層地下室深度大、層數(shù)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(shù)量等；二是要解決在施工過程中的結(jié)構(gòu)抗浮問題。3.超高層建筑通常采用混合型結(jié)構(gòu)，如型鋼混凝土、鋼管混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)具有施工簡便、工期短、結(jié)構(gòu)性能好、節(jié)約建筑材料等共同特點，已成為超高層建筑群最為實用和主要的結(jié)構(gòu)形式。4.超高層建筑的裝飾工程具有豐富的變化和大量的工程量，技術(shù)含量高、要求高，特別是安全性功能的要求尤為重要，需要具備抗風(fēng)壓、風(fēng)、水、氣的密閉性。5.超高層建筑的建筑功能復(fù)雜，子系統(tǒng)多，安裝工程工程量大，要求精度高。6.超高層建筑廣泛采用新技術(shù)、新材料和新工藝。針對超高層建筑的特點，需要采取以下對策：1.施工技術(shù)需要有新的突破。超高層建筑的施工技術(shù)不僅僅是建筑樓層數(shù)量的疊加和施工時間的延長，還需要注入新的元素，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和突破。例如，深基礎(chǔ)施工技術(shù)和大基坑土方開挖和支護(hù)技術(shù)都需要特別關(guān)注。2.施工組織需要有新思維。由于超高層建筑的豎向跨度非常大，施工組織需要解決垂直運(yùn)輸效率的問題，合理利用機(jī)械設(shè)備和人員，保證施工有序并且高效。合理配置大型機(jī)械設(shè)備是建造超高層建筑的重要環(huán)節(jié)。在此過程中，需要考慮現(xiàn)場人員流量、工期計劃、原材料、周轉(zhuǎn)材料、成品、半成品的總用量以及周轉(zhuǎn)率要求等因素，以確定塔吊、人、貨電梯的規(guī)格型號和數(shù)量，選擇混凝土輸送泵的性能和數(shù)量。在布置大型機(jī)械時，需要根據(jù)現(xiàn)場條件和地理位置情況，按照最短運(yùn)輸路徑和最大運(yùn)輸能力的原則進(jìn)行平面布置。同時，考慮架子、施工電梯的運(yùn)輸路線和塔吊的安裝和拆除便利、覆蓋面積和附墻的可行性。為了合理配置機(jī)械并提高使用效率，需要制定機(jī)械使用計劃，并對各工種、工序現(xiàn)場作業(yè)的先后順序進(jìn)行預(yù)先安排和強(qiáng)制執(zhí)行。在垂直運(yùn)輸設(shè)備的使用安排計劃上，每個人、每一件物都要清楚自己的運(yùn)輸時間、順序。有計劃有組織地調(diào)節(jié)設(shè)備的使用頻率，提高使用效率。采取技術(shù)措施，如使用鋼筋網(wǎng)片、機(jī)械接頭和大模板等，可以有效地提高現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動生產(chǎn)率，減少對作業(yè)人員和操作設(shè)備的需求，從而減少垂直運(yùn)輸?shù)膲毫?。超高層建筑的質(zhì)量要求比普通建筑更高，特別體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的