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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。

  空调系统分区化设置,便于满足不同用户使用要求,利于节能降耗。空调系统模块化设置,多样化组合,提高灵活性。

  (4)能源分区计量

  按不同楼层、不同室内区域、不同用户设置能源计量装置,分析用能情况及时采取节能措施,同时利于管理和收费。

  (5)高效能源输配:250米以上的超高层建筑直接使用高压输送电能

  因受低压供电半径的限制,变压器设置在高层区位将成为必然的选择。作为应急电源的自备发电机组的输出电压也将提升至高压,和超高层建筑内的高压输送网联网,当市电因故消失时,通过高压电缆、变压器再输送应急电源至重要负荷。高压应急发电机的应用将会对原有的配电型式带来一场变革,采用计算机控制的能源管理系统得到真正的应用。

  (6)同层排水、中水利用;

  在同层排水方面:降板排水、墙式后出水、不降板排水;

  在中水利用方面:水质型缺水的地区应当综合考虑中水综合利用、对于资源性缺水的城市应设建筑中水,同时也要考虑运行效果和经济效益。选用合理的中水水源,确定正确的水处理工艺流程,并做好水量平衡是中水利用的关键。

  (7)楼宇智能化系统全面发展,智能窗帘和灯光控制获得节能舒适的效果

  在超高层建筑的能耗里面,灯光的能耗和空调的能耗占的60-70%,在能源使用高峰的时候,恰好是自然光最充足的时候。根据超高层建筑所处的地理经度和纬度,模拟大楼的运行关系。根据自动读取数据的控制系统,在不同的季节不同的时间段,进行窗帘智能化的调节。同时通过智能化的窗帘和灯光的联动,在最高峰时能源可以节省50%,实现全自动化的办公动态环境控制。

  2、发展趋势

  (1)自然能源:过渡季节室外新风自然冷却,自然通风;

  春秋季利用建筑形体和外窗自然通风,中庭可开启外窗利用热压作用换气;春秋季及冬季对需要供冷的区域利用空调通风设备实施新风自然供冷。

  (2)空气质量严格管控

  开发民用高效低阻空气过滤器,应对日益严重的城市雾霾、PM2.5等空气质量问题。应用空调过滤、纳米催化等高科技技术处理各种室内污染物,严格管控室内空气品质。

  (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将在投产运营阶段;根据负荷变化,使用变频技术;根据人员活动情况,使用智能控制技术等;利用物联网技术对建筑设备用能情况进修全面的监测、计量和计费。在物联网的基础上根据各种负荷、空气品质、人员活动等变化,运用最优化策略,对各种用能系统进行控制和管理。

  (4)可持续发展能源

  可持续发展能源深刻影响着超高层建筑的发展方向。低位能源是指大气、水和土壤的热能及位能(也就是势能),地球重力和电磁场的能量等。用低位能源代替部分高位能源(煤、石油、电能等),实现节能减排。

  三、防灾技术

  1、区域整体防灾

  超高层建筑通常位于在城市中心,整个区域的建筑密度比较大,间距有限,数量密集。采用城市区域的防火隔离带、防灾避难场所以及特殊危险场所的防灾缓冲绿地等规划和措施,可以解决超高层建筑群所面临的潜在的灾害风险。

  2、建筑单体防灾

  在消防技术方面:超高层建筑面临人员密度很高、疏散距离较长、建筑物内设备和系统众多、烟囱效应影响等特点。人员疏散和烟雾模拟等参数化模拟技术和性能化设计理念推广应用,自救、扑救技术设备。每隔10-15层设一个避难层,疏散楼梯直接进入避难层,提供休息或等待救援的安全区域。有些学者提出了电梯疏散的理念,疏散电梯包括两种模式:一种是有组织疏散电梯,在指定区域如避难层或空中大堂,由消防人员或楼宇安保人员进行控制,组织大量人员进行有组织疏散。还有一种是自助式疏散电梯,超高层建筑配备自助救生电梯,由疏散人员自主操控,顺畅地从较高楼层疏散到低处。

  在抗震防灾方面:消能减震技术不断应用,弹塑性时程分析,防连续倒塌、性能化设计、抗爆、抗风设计曰益重视,数值风洞模拟等技术方法大量运用。

  3、防恐怖袭击

  超高层建筑的防恐设计主要涉及具有较大政治经济和社会影响力的重要超高层建筑,选用合理的结构体系和材料至关重要。建筑外围护结构越强,则建筑物抗外力的特性就越好,外围护密柱的结构类型,对抗外力是最有效的。混凝土结构具备防火和抗外力优势,混凝土属于不燃材料,在火灾中能很好地保持其完整性。轻质混凝土的防火性能较好,还可以减轻大楼的自身重量。

  四、电梯技术

  目前由于受制于电梯钢索的重量与强度,电梯运行最大高度不超过600米,超过这个高度的建筑需要多重转换的电梯系统。为顺应大量人员集散需要,电梯由最初的单轿箱逐步发展为双轿箱电梯、双子电梯。电梯组织方式也从直达电梯到穿梭电梯+层间电梯的交通模式,极大的提高了超高层竖向交通运载能力。同时,通过目的层选控等智能化系统减少候梯时间,电梯调度系统的升级及优化,无需进入电梯操控、在电梯厅操控板输入目的层,提高电梯的使用效率间。

  为了进一步提升垂直运输的容量和效率,全新的垂直运输理念持续涌现。有些学者提出“空中客车”的理念,利用相邻电梯梯井,多个悬臂轿厢并联灵活上下,适合大量人流集散输运。还有学者提出模拟“地铁列车”引入超高层建筑的理念,将垂直井道和水平“站台”相结合,“站台”的设置在特定楼层如底层大堂和空中大堂等人流密集换乘的楼层,“列车”从水平“站台”出发过渡进入到两站台之间的垂直井道内,上升至目标楼层,再过渡恢复到水平“站台”。通过车厢悬挂技术,保证乘客在水平“站台”和垂直井道等各种情况下均保持站立状态。

  五、幕墙表皮技术

  1、发展现状

  (1)BIM技术应用在超级复杂曲面的表皮设计;

  在建筑方案设计阶段:在建筑形体表皮空间找形、参数驱动表皮模型分析、rhino-grasshopper参数化设计对幕墙单元体划分、板块形状实现实时尺寸驱动优选表皮方案。建筑施工图设计阶段:幕墙单元板块装配模拟、表皮整体仿真。

  (2)绿色技术应用在节能幕墙:双层呼吸幕墙、通凤幕墙;

  主动式双层呼吸幕墙(上海地区)由外层幕墙、内层玻璃窗、遮阳系统和通风装置组成,外层幕墙为单元式幕墙,内层幕墙为上悬窗结构,便于双层幕墙内部构件的维护与清洗。采用主动双层呼吸幕墙及合理布置中央空调的进风口位置,将会大大提高幕墙的性能及室内环境的舒适度。

  通风幕墙运用通风型材在幕墙上面的集成设计,实现不设开启窗的情况下实现24小时通风功能。对超高层幕墙安全、节能起到积极作用。又由于通风型材与幕墙型材何为一体,不影响室内视觉美观。

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