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超高层建筑设计技术的新成就与“垂直城市”的未来畅想

来源:华东建筑设计研究总院  作者:张俊杰  日期:2013-12-16
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  在高度方面,截止目前统计,我国在建的深圳平安大厦建筑(646米)、武汉绿地长江中心(636米)、上海中心(632米)等的高度都突破了600米,即将开工建设的苏州中南中心髙度预计接近到了700米。于此同时,国际上超高层建筑的高度也在不断攀升,阿拉伯联合酋长国的迪拜哈里发塔的高度超过了800米,正在设计中的沙特阿拉伯吉达市王国塔将成为人类首座干米大厦。

  2:巨型框架、支撑筒

  (1)抗侧力体系主要特点为周边化、巨型化、轴向化;

  超高层建筑结构体系也不断创新,出现了主要抗侧力构件布置周边化、支撑化、巨型化和立体化特点,抗侧力结构体系更加高效。斜交网格结构(CCTV新台址、广州西塔)、钢板剪力墙结构(天津津塔,330m)以及悬挂结构体系等新结构体型也逐渐加以应用。

  (2)建筑平面以四边形、三角形为主;

  建筑平面以四边形、三角形为主。对方型、圆形、三角型等不同平面进行分析比较。在相同面积A情况下,方形的I=A2/12,圆形的I=A2/12.56,等边三角型的I=A2/10.39。在相同边长B情况下,方形的I=B4/12,圆形的I=B4/20.4,等边三角型的I=B4/55.4。

  (3)建筑体型朝锥形化方向发展;

  建筑体型呈现了锥体化的趋势。锥形化体型一方面与超高层建筑结构沿高度倾覆力矩分布相适应,使材料充分发挥作用;另一方面,有利于减小顺风向风荷载和横风向荷载,提高结构稳定性

  (4)结构材料混合化

  钢结构曾经是超高层建筑的主要结构材料,尤其在北美地区得到广泛使用。目前,组合结构、混凝土结构以及混合结构在超高层建筑中广泛应用。在目前100幢最高的建筑中,纯钢结构只占了24%,而在1990年时高达57%。

  2、专项技术

  (1)结构抗风技术(建筑抗风有利体型及措施、风洞试验以及数值模拟)

  风荷载是超高层建筑(300米以上)结构的控制荷载。风洞试验技术研究分析风的特性和风对建筑物的影响,以及相邻建筑风力的相互影响,对建筑的变形、使用舒适度等进行控制。在方案设计阶段,对建筑的朝向、体型等结合风洞试验进行早期规划,建筑体型与结构动力特性对风荷载影响,可有效降低结构风荷载。

  (2)结构抗震技术(性能化设计、弹塑性动力时程分析、结构振动台试验)

  超高层建筑进行地震弹塑性分析技术的发展,使基于性能化的抗震设计得以实现,从而使抗震结构体系的设计更为安全、经济、有效。在基于性能化的抗震设计中,结构变形是起控制作用的参数,而不再是传统简单的三水准抗震设计。根据结构的重要性、业主的要求等按照性能化的设计方法进行设计,包括对大地震损害后的修复费用与按照更高的设计水准进行设计避免损害而需增加的费用之间的利弊进行分析。

  (3)施工技术

  超高层建筑的建造技术发展主要有深基坑的施工技术(上海中心基坑深度31m)、高强混凝土的泵送技术(迪拜塔C100泵送600m高度)、大体积混凝土的施工技术(上海中心6m厚基础底板6万m3混凝土一次浇捣)、超长大直径桩基(天津117大厦,1m桩径、100m桩长)超高层建筑的模板体系、超高层建筑的钢结构安装技术、超高层建筑的监测技术。这些施工技术的发展,为结构工程师设计更高、更复杂的超高层建筑提供了支撑。

  3、发展趋势

  (1)消能减(震)振技术

  消能装置(阻尼)能减小地震作用或风致振动。超高层建筑抗震设计已从单纯由主体结构刚度来抵抗地震力转向由耗能装置来消减地震力。结构隔震体系也将在高地震烈度区、重要建筑物中加以应用。为了控制风荷载作用下高层建筑顶部舒适度,粘滞阻尼、TMD(TLD)等阻尼系统已广泛应用与抗风设计(台北101、上海中心)。

  (2)长周期地震

  超过300m的超高层建筑结构自振周期一般超过6s。常规的地震反应谱在6s以内的地震影响系数比较可靠,超过6s的地震影响系数及用于超高层建筑设计的实际地震记录均要专研究。对长周期的结构采用基于振型分解的加速度反应谱法可能无法得到准确的地震反应,是否采用位移谱方法需要进一步研究。汶川地震对上海地区超高层建筑的较大影响(上海与汶川约有1000km以上距离)就是最好的例证。

  (3)预制装配式技术

  超高层建筑结沟投资巨大,缩短施工周期可以提前收回投资。建筑人工成本剧增、建筑可持续发展以及施工场地环境保护等使超高层建筑预制装配化成为发展方向之一。工厂化、预制化、模数化和标准化是结构设计的趋势。

  (4)高强高性能材料应用(C100混凝土、Q460以上钢材)

  目前C80高强混凝土及屈服强度大于460N/mm2的高强度钢材(CCTV新台址主楼)已成功运用于工程实践。楼面轻质混凝土的采用,使建造更高的建筑成为可能,同时也减少了建筑的重量,改善了结构的抗震性能,减小了构件的尺寸。今后C100高强混凝土以及Q690等级高强钢将在超高层建筑中加以推广。

  (5)抗侧力体系集束化和空中城市设计概念

  随着建筑结沟高度不断突破,对结构抗侧力刚度要求提出新的挑战。通过提高结构材料强度、单个建筑塔楼的刚度已不能满足水平荷载作用下结构承载力、位移以及舒适度要求。巨型空中连体结构(或抗侧力结构集束式)将成为结构体系发展的新方向。

  二、设备技术

  1、发展现状

  (1)多能源耦合应用:

  多能源耦合、多系统互补,提高供能系统经济性和可靠性。包括热电三联供技术、冰(水)蓄能技术、地源热泵技术、江水源、风能技术、太阳能发电或集热技术等。

  在天然气冷热电三联供系统方面:充分利用发电余热,包括高温热水、中温热水和余热烟气,进行热交换再利用,使得天然气热效率由40%提高到80%以上。大大提高了不可再生能源的有效利用率。

  在水蓄能和冰蓄冷方面:通过水或冰蓄能实现移峰蓄能,减小电网波动,提高电网效:率,提高了能源系统的运营稳定性和效率。

  在江河湖海及土壤源热泵方面:根据浅层地热能源的特点,包括地下水、土壤、地表水等能量,即可供热又可制冷的高效节能系统。通过输入少量的高品位能源,实现由低品位能源向高品位能源的转移。

  在风冷热泵方面:基于压缩式制冷循环,利用冷媒为载体,通过风机的强制换热,从大气中吸取热量或排放热量,以达到制冷或制热的需求,提高供冷效率。

  (2)多种空调方式

  包括变风量空调系统、毛细管网福射空调系统、变制冷剂流量多联空调系统、地板送风空调系统等。

  在变风量空调系统方面:提高空气品质,利于新风供冷。根据室内负荷变化或室内要求参数的变化,自动调节空调系统送风量的较低能耗的全空气系统。同时引入室外新风的自然冷量来实现节能的效果。

  在毛细管网辐射空调系统方面:利用高温冷水,降低风机能耗。系统以水作为冷媒载体,通过均匀紧密的毛细管席辐射传热,大大低于常规水空调供回水所需的能耗,使得系统更加节能.

  在变制冷剂流量多联空调系统方面:便于计量管理,降低风机能耗。室外空气源制冷或热泵机组配置多台室内机,通过改变制冷剂流量适应各空调区域负荷变化的空调系统。具有明显的节能和舒适效果。

  在地板送风空调系统方面:利于个人调节,方便房间调整。改变传统的上送风方式,改为下送风方式,利用架空地板空间,分隔为送风区和回风区,达到快速制冷或快速制暖,具有静音节能的效果。

  (3)空调系统分区化、模块化设置

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