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超高層建筑設計技術的新成就與“垂直城市”的未來暢想

來源:華東建筑設計研究總院  作者:張俊杰  日期:2013-12-16
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  在高度方面,截止目前統(tǒng)計,我國在建的深圳平安大廈建筑(646米)、武漢綠地長江中心(636米)、上海中心(632米)等的高度都突破了600米,即將開工建設的蘇州中南中心髙度預計接近到了700米。于此同時,國際上超高層建筑的高度也在不斷攀升,阿拉伯聯(lián)合酋長國的迪拜哈里發(fā)塔的高度超過了800米,正在設計中的沙特阿拉伯吉達市王國塔將成為人類首座干米大廈。

  空調系統(tǒng)分區(qū)化設置,便于滿足不同用戶使用要求,利于節(jié)能降耗?照{系統(tǒng)模塊化設置,多樣化組合,提高靈活性。

  (4)能源分區(qū)計量

  按不同樓層、不同室內區(qū)域、不同用戶設置能源計量裝置,分析用能情況及時采取節(jié)能措施,同時利于管理和收費。

  (5)高效能源輸配:250米以上的超高層建筑直接使用高壓輸送電能

  因受低壓供電半徑的限制,變壓器設置在高層區(qū)位將成為必然的選擇。作為應急電源的自備發(fā)電機組的輸出電壓也將提升至高壓,和超高層建筑內的高壓輸送網(wǎng)聯(lián)網(wǎng),當市電因故消失時,通過高壓電纜、變壓器再輸送應急電源至重要負荷。高壓應急發(fā)電機的應用將會對原有的配電型式帶來一場變革,采用計算機控制的能源管理系統(tǒng)得到真正的應用。

  (6)同層排水、中水利用;

  在同層排水方面:降板排水、墻式后出水、不降板排水;

  在中水利用方面:水質型缺水的地區(qū)應當綜合考慮中水綜合利用、對于資源性缺水的城市應設建筑中水,同時也要考慮運行效果和經(jīng)濟效益。選用合理的中水水源,確定正確的水處理工藝流程,并做好水量平衡是中水利用的關鍵。

  (7)樓宇智能化系統(tǒng)全面發(fā)展,智能窗簾和燈光控制獲得節(jié)能舒適的效果

  在超高層建筑的能耗里面,燈光的能耗和空調的能耗占的60-70%,在能源使用高峰的時候,恰好是自然光最充足的時候。根據(jù)超高層建筑所處的地理經(jīng)度和緯度,模擬大樓的運行關系。根據(jù)自動讀取數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng),在不同的季節(jié)不同的時間段,進行窗簾智能化的調節(jié)。同時通過智能化的窗簾和燈光的聯(lián)動,在最高峰時能源可以節(jié)省50%,實現(xiàn)全自動化的辦公動態(tài)環(huán)境控制。

  2、發(fā)展趨勢

  (1)自然能源:過渡季節(jié)室外新風自然冷卻,自然通風;

  春秋季利用建筑形體和外窗自然通風,中庭可開啟外窗利用熱壓作用換氣;春秋季及冬季對需要供冷的區(qū)域利用空調通風設備實施新風自然供冷。

  (2)空氣質量嚴格管控

  開發(fā)民用高效低阻空氣過濾器,應對日益嚴重的城市霧霾、PM2.5等空氣質量問題。應用空調過濾、納米催化等高科技技術處理各種室內污染物,嚴格管控室內空氣品質。

  (3)智能化能源管理;

  在建筑物的生命周期中,近四分之三的能耗需求將在投產運營階段;根據(jù)負荷變化,使用變頻技術;根據(jù)人員活動情況,使用智能控制技術等;利用物聯(lián)網(wǎng)技術對建筑設備用能情況進修全面的監(jiān)測、計量和計費。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎上根據(jù)各種負荷、空氣品質、人員活動等變化,運用最優(yōu)化策略,對各種用能系統(tǒng)進行控制和管理。

  (4)可持續(xù)發(fā)展能源

  可持續(xù)發(fā)展能源深刻影響著超高層建筑的發(fā)展方向。低位能源是指大氣、水和土壤的熱能及位能(也就是勢能),地球重力和電磁場的能量等。用低位能源代替部分高位能源(煤、石油、電能等),實現(xiàn)節(jié)能減排。

  三、防災技術

  1、區(qū)域整體防災

  超高層建筑通常位于在城市中心,整個區(qū)域的建筑密度比較大,間距有限,數(shù)量密集。采用城市區(qū)域的防火隔離帶、防災避難場所以及特殊危險場所的防災緩沖綠地等規(guī)劃和措施,可以解決超高層建筑群所面臨的潛在的災害風險。

  2、建筑單體防災

  在消防技術方面:超高層建筑面臨人員密度很高、疏散距離較長、建筑物內設備和系統(tǒng)眾多、煙囪效應影響等特點。人員疏散和煙霧模擬等參數(shù)化模擬技術和性能化設計理念推廣應用,自救、撲救技術設備。每隔10-15層設一個避難層,疏散樓梯直接進入避難層,提供休息或等待救援的安全區(qū)域。有些學者提出了電梯疏散的理念,疏散電梯包括兩種模式:一種是有組織疏散電梯,在指定區(qū)域如避難層或空中大堂,由消防人員或樓宇安保人員進行控制,組織大量人員進行有組織疏散。還有一種是自助式疏散電梯,超高層建筑配備自助救生電梯,由疏散人員自主操控,順暢地從較高樓層疏散到低處。

  在抗震防災方面:消能減震技術不斷應用,彈塑性時程分析,防連續(xù)倒塌、性能化設計、抗爆、抗風設計曰益重視,數(shù)值風洞模擬等技術方法大量運用。

  3、防恐怖襲擊

  超高層建筑的防恐設計主要涉及具有較大政治經(jīng)濟和社會影響力的重要超高層建筑,選用合理的結構體系和材料至關重要。建筑外圍護結構越強,則建筑物抗外力的特性就越好,外圍護密柱的結構類型,對抗外力是最有效的。混凝土結構具備防火和抗外力優(yōu)勢,混凝土屬于不燃材料,在火災中能很好地保持其完整性。輕質混凝土的防火性能較好,還可以減輕大樓的自身重量。

  四、電梯技術

  目前由于受制于電梯鋼索的重量與強度,電梯運行最大高度不超過600米,超過這個高度的建筑需要多重轉換的電梯系統(tǒng)。為順應大量人員集散需要,電梯由最初的單轎箱逐步發(fā)展為雙轎箱電梯、雙子電梯。電梯組織方式也從直達電梯到穿梭電梯+層間電梯的交通模式,極大的提高了超高層豎向交通運載能力。同時,通過目的層選控等智能化系統(tǒng)減少候梯時間,電梯調度系統(tǒng)的升級及優(yōu)化,無需進入電梯操控、在電梯廳操控板輸入目的層,提高電梯的使用效率間。

  為了進一步提升垂直運輸?shù)娜萘亢托,全新的垂直運輸理念持續(xù)涌現(xiàn)。有些學者提出“空中客車”的理念,利用相鄰電梯梯井,多個懸臂轎廂并聯(lián)靈活上下,適合大量人流集散輸運。還有學者提出模擬“地鐵列車”引入超高層建筑的理念,將垂直井道和水平“站臺”相結合,“站臺”的設置在特定樓層如底層大堂和空中大堂等人流密集換乘的樓層,“列車”從水平“站臺”出發(fā)過渡進入到兩站臺之間的垂直井道內,上升至目標樓層,再過渡恢復到水平“站臺”。通過車廂懸掛技術,保證乘客在水平“站臺”和垂直井道等各種情況下均保持站立狀態(tài)。

  五、幕墻表皮技術

  1、發(fā)展現(xiàn)狀

  (1)BIM技術應用在超級復雜曲面的表皮設計;

  在建筑方案設計階段:在建筑形體表皮空間找形、參數(shù)驅動表皮模型分析、rhino-grasshopper參數(shù)化設計對幕墻單元體劃分、板塊形狀實現(xiàn)實時尺寸驅動優(yōu)選表皮方案。建筑施工圖設計階段:幕墻單元板塊裝配模擬、表皮整體仿真。

  (2)綠色技術應用在節(jié)能幕墻:雙層呼吸幕墻、通鳳幕墻;

  主動式雙層呼吸幕墻(上海地區(qū))由外層幕墻、內層玻璃窗、遮陽系統(tǒng)和通風裝置組成,外層幕墻為單元式幕墻,內層幕墻為上懸窗結構,便于雙層幕墻內部構件的維護與清洗。采用主動雙層呼吸幕墻及合理布置中央空調的進風口位置,將會大大提高幕墻的性能及室內環(huán)境的舒適度。

  通風幕墻運用通風型材在幕墻上面的集成設計,實現(xiàn)不設開啟窗的情況下實現(xiàn)24小時通風功能。對超高層幕墻安全、節(jié)能起到積極作用。又由于通風型材與幕墻型材何為一體,不影響室內視覺美觀。

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