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超高層建築10大技術難點及解決方案

目录:企業新聞发布时间:2019-01-17 14:12:27點擊率:

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根據理論及經驗分析,一般在40層(大約150米)左右,是超高層建築設計的敏感高度(建築物的超長尺度特性將引起建築設計概念變化),這種變化促使建築師必須提出有效設計對策,調整設計觀念,應用適宜的建築技術。

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、環境、能源消耗等多種難以妥善解決的問題,越是向高處發展,安全性、耐久性及適用舒適等問題就愈多,對結構、建築、機電、暖通、電梯等專業的要求就越高。

難點1——結構系統

由于超高層建築結構的特殊性,建築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、規避及利用是設計的難點。

對于結構設計來講,按照建築使用功能的要求、建築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,一般分爲六大類:框架結構體系、剪力牆結構體系、框架-剪力牆結構體系、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年代後,由于我國鋼材産量的增加,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築中也正在得到廣泛應用。高層建築結構采用的混凝土強度等級不斷提高,從C30逐步向C60及更高的等級發展。預應力混凝土結構在高層建築的梁、板結構中廣泛應用。鋼材的強度等級也不斷提高。

高層和超高層建築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)。

建築高度100m,柱網爲8.4m,抗震設防烈度爲6度,采用框架-剪力牆或框-筒結構體系較爲經濟合理,這種結構體系的剪力牆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産生的水平側力,總體剛度大,側移小,且滿足玻璃幕牆的外裝飾要求。

超高層建築的樓板和屋蓋具有很大的平面剛度,是豎向鋼柱與剪力牆或筒體的平面抗側力構件,同時使鋼柱與各豎向構件(剪力牆或筒體)起到變形協調作用。

一般鋼結構建築物的樓板和屋蓋,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爲計算繁瑣,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定驗算。

難點2——垂直交通設計

超高層建築,核心筒的設計需平衡采光、節能、易于維護、減少公攤、不同業態核心筒上下統一等多方要求,是建築設計的難點之一。

高層建築與其他建築之間的最大區別,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”也恰恰在形態構成上舉足輕重,決定著高層建築的空間構成模式。

隨著高層建築建設的發展、高度的增加和技術的進步,在高層建築的設計過程中,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

在建築處理上,爲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。

在建築的中央部分,有意識地利用那些功能較爲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,還可以使建築的質量重心、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勢,很快便成爲高層建築中最爲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勢,大多數著名的超高層寫字樓建築也都采用這種形式。但是作爲超高層住宅建築,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

隨著時代的發展、技術的進步,人們對建築需求的變化和設計側重點的不同,以中央核心筒爲主流的高層建築“內核”空間構成模式開始受到了挑戰。

第一次变革主要还是出于造型上的需要和建筑设计理念的变化,如 70 年代前后出现的“双核”构成模式。双侧外核心筒的布局,不仅有利于避难疏散,而且也使高层建筑的外观造型产生了巨大的变化。贝聿铭设计的新加坡“华侨银行中心”和日建设计设计的日本“IBM 本社大楼”等等就是当年风行一时的双侧外核设计手法的代表。

3.多核式:分散多個外核布局

第二次变革最先对核心筒提出革命性建议的是设备专业,他们认为随着建筑设备的日趋增多和越来越复杂,如果把设备用房和管道井从核心筒中分离出来,可能会更有利于管理和维修。而80 年代以后,智能化建筑的普及和电信设施的不断增加,导致了在高层建筑中大量应用计算机和电信通讯设备,甚至许多建筑在竣工之后,仍然频繁地改造布线系统和增添新设备。智能化办公楼中的光缆与电脑网络管道井、配线箱以及中继装置等,每层都必须设置三处以上才算合理。这样,建筑上为了满足机电设备经常变动的需要,便开始将“核”分散化,分置多处设备用房和管道井,以便于局部更改。

對于結構專業來說,加強建築周邊的剛度也會有效地抵抗地震對高層建築的破壞,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”。

而從建築設計的角度來看,核的移動、垂直交通、服務性房間和管道井分散到建築的周邊,對于高層建築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的需求,而且還有利于避難疏散,創造更大的使用空間和使高層建築的底部獲得解放。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築師們所發現,並創造性地應用在他們的作品之中。羅傑斯設計的英國“倫敦勞埃德大廈”、88木街辦公樓和福斯特設計的“香港彙豐銀行”等等即是分散式核心筒的傑作,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築大相經庭。

此外,在規模較小的高層建築中,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,與建築主體分開。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築設計的關鍵所在,不過這種設計方式給建築外觀帶來的變化,已引起了建築師們的關注,並很快在歐洲和日本流行起來。德國的漢諾威建築博覽會管理辦公樓、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、衛生間等直接對外自然采光通風,既節約能源,又省去消防所需的加壓送風設備,更符合低能耗,可循環的現代設計原則。因此,近幾年強調生態、節能的高層建築多采用這種布局方式。馬來西亞建築師楊經文設計的高層建築,不但樓梯、衛生間等全部對外,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設計方式”。“吉隆坡廣場大廈”及其最新設計的“新加坡展覽大廈”就都反映出這一設計特征。而另一位歐洲的建築師赫爾佐格設計的前述之德國漢諾威建築博覽會管理辦公樓,也以其生態觀念贏得了衆口稱贊。


難點3——電梯

在超高層建築中,快速、高效、平穩的垂直服務是難點之一。

電梯作爲垂直交通工具,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築物的一次投資(一般電梯投資約占建築物總投資的10%左右),而且還將影響建築物的使用安全和經營服務質量。在建築物內,恰當地選用電梯的台數、容量、運行速度、控制方式非常重要,而建築物內的電梯一經選定和安裝使用就幾乎成了永久的事實,以後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。

現代超高層建築大都超過60層,建築內人口流動大,縱向交通主要依賴電梯,有效設計超高層建築的電梯的關鍵是運用各種局部電梯進行服務,並把局部區域電梯系統組織起來。通往這些局部區域,通過由地面始發站至局部區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後再換乘區間電梯。爲了能夠將乘客以最快的速度運送到達目的地,一般以建築每30~35層爲一局部區域。

由于超高層建築采用多梯系統,應采用微機電梯控制系統,通過計算機控制系統及時地處理大量信息,判斷各站台的呼叫信息和各電梯的位置、方向、開閉狀態、轎廂內呼叫等各種狀態,以提高運送能力,改善服務質量,提高超建築的經濟效益。

難點4——供電安全性和穩定性

作爲超高層建築,安全性必然是供電系統設計所需要格外注意的地方,其次是供電可靠性。配電系統的設計上,需考慮多回路供電及備用發電機組的配置。因超高建築的高度,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。

在超高層建築的配電系統上,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,因此後備電源可考慮采用高壓發電機來發電,從而解決了這個難題。

另外還需要特別注意的是,超高層建築遇到強風時,可能會出現左右晃動。由于超高層建築物會有一定的搖擺度,在上升主幹線的設計上可以考慮將電纜連接銅母線槽配電,以減低超高層建築物在搖擺時對銅母線槽接駁組件位置的拉扯壓力,減少發生故障及維修的機會,也相對地增加了主幹系統的壽命。

建成後業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。作爲超高樓,樓層多,機電方面的設備自然也多,爲了讓業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主使用。

難點5——消防

消防難點:超高層建築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月中央電視台新址的附屬文化中心大火,造成了人員傷亡及財産損失。

消防設計要點:防火-控火-耐火

防火,建築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、難燃性建築材料,易燃易爆場所強化通風,設置防爆電氣,使用不發火地面等。

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,進行早期探測和初期撲救;二是把火災控制在較小範圍,在建築物平面和豎向劃分防火分區和防煙分區,在建築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,加強建築結構構件的耐火穩定性,使其在火災中不致失效。

難點6——測量

超高層建築,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,並且難以彌補和修複,因此工程測量是超高層建築的重點、難點。

難點7——側向風影響

高層、超高層建築要承受側向的風力,一般說,在正常的風壓狀態下,距地面高度爲10m處,如風速爲5m/s,那麽在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,摩天大樓産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,電梯被視爲超高層建築的“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,並造成危險。

難點8——煙囪效應

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,氣流的摩擦會産生嘯叫,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。

難點9——管理維護問題

一些超高层大楼都曾出现过断电、跑水等事故。从管理上看除了做好预案,防止事故发生和做好备用系统以外,一旦事故出现,如何抢救,是否有一位掌握全局、了解本系统一切 细枝末节的人十分重要。上海金茂大厦的管理层就曾对没有一位掌握该建筑14000多个阀门 的人感到十分遗憾。 擦玻璃也成了管理这些庞然大物的一个麻烦。金茂大厦的幕墙有10.l8万平方米,据说两架擦窗机连续工作,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,有的地方达3m以上,擦玻璃相当困难。

難點10——施工難點

1.超高層基礎采用深基礎。由于建築高,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,持力層嵌入微風化岩層。

2.超高层地下室深度大、层数多、面积大。一是要满足建 筑功能方面的要求,比如人防面积、停车位数量 等;二是要解决在施工过程中的结构抗浮问题。

3.超高層結構形式多爲混合型。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約建築材料,目前已成爲超高層建築群最爲實用和主要的結構形式。

4.超高层装饰工程装饰富于变化,工程量大,技术含量高、要 求高。超高层建筑的装饰工程的安全性功能尤其 重要,抗风压,风、水、气的密闭性要求高。

5.建筑功能复杂,子系统多,安装工程工 程量大,要求精度高。

6.新技術、新材料、新工藝大量采用。

針對超高層建築的特點,在施工中應當采取如下對策:

1.施工技術必須有新突破

超高层建筑绝不仅简单是建筑楼层数量上的叠加、施工的延长,而在施工技术方面必须注 入新的元素,必须有新突破。

(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(鑽)孔灌注樁,預制混凝土管樁或預制鋼管樁,爲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)大基坑土方开挖和支护技术。按照我国 现行的政策和建筑本身的需要,超高层建筑必然有一个超大、超深的地下室结构部分,这部分工程施工的最大难点在于土方开挖和基坑支护。超高层建筑一般在城市的主要路段,场地狭窄,周围环境复杂而且重要。土方开挖的方案至少应该 解决以下几个问题:

a.進出土路線的選擇

b.挖運土方設備數量和性能的選擇以及進退場安排

c.最後土方的挖、運的具體措施

d.基坑支護技術的優化和周圍環境建(構)築物以及基坑邊坡的變形監測

e.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

超高层建筑的竖向跨度非常大,在施工组织 中首要解决垂直运输效率的问题。利用有限的机 械设备解决庞大的人员、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的建築應考慮布置一台高速施工電梯和一台普通施工電梯,分別服務不同的施工區域。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。慎密規劃,緊貼實際,科學統籌大型機械平面布置。分析現場條件和地理位置情況,按照最短運輸路徑和最大運輸能力的原則,進行大型機械平面布置。快速提升架和施工電梯首要考慮樓層內的運輸路線;塔吊要考慮安裝和拆除的便利、覆蓋面積和附牆的可行性。

(2)既要合理而不富余的配置機械,就必然存在機械使用的沖突問題,機械的使用計劃就顯得十分必要。對各工種、工序現場作業的先後順序要預先安排並強制執行。體現在垂直運輸設備的使用安排計劃上,每個人、每一件物都要清楚自己的運輸時間、順序。有計劃有組織地調節設備的使用頻率,提高使用效率。

(3)采取技術措施,減少對垂直運輸的依賴。鋼筋網片的使用,機械接頭的使用,大模板的使用,可以有效地提高現場作業人員的勞動生産率,減少對作業人員和操作設備的需求,從而減少垂直運輸的壓力。

3.施工質量要求高

以建筑总高度允许偏差值来说,超高层建筑的质量要求已经与普通建筑有了差别,特别体现 在结构的安全性能和建筑功能要求上。超高层建筑承受的风压非常大,对气密性、水密性有很高要求,玻璃或幕墙的三性检验报告不可缺少。装饰工程中,外墙粘贴砖的施工质量关系到建筑的使用安全,必须引起足够重视,应从技术、工艺上予以解决。外墙的防水工程应从材料的选用、工艺试验、过程质量监督等方面严格把关。

4.文明安全施工管理與普通建築的不同

超高層文明安全施工管理與普通建築施工有許多的不同。裝飾工程、安裝工程的立體交叉施工。必須設立安全分隔區和防火分隔區。腳手架的搭設、拆除方案必須經過審批、落實和檢查。另外,大型設備要有安全保護措施等等。總之文明安全施工應該做到橫向到邊,縱向到底,措施到位,責任到人。

5.必須在樓層內設置簡易廁所

由于超高層建築施工人員集中,生活區、生産區布置井然並保持日常檢查做到有效控制。


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