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大宸设计:超高层建筑设计难点及应对总结
发布日期:2022-10-26

  随着国家经济的不断发展,建筑技术、建筑结构、建筑材料的革命,支持了建筑向上发展的需求,超高层建筑陆续兴起,已成为展示城市形象的名片。同时,随着建筑高度的增加,其技术合理性、适用性、经济性都会发生变化,需要解决安全问题、能耗问题、环境问题、内部交通问题。因此,大宸设计认为超高层建筑设计需兼顾科学性、经济性、美观性、舒适性等因素。

  在目前的超高层建筑中,结构设计主要包括基础形式选择、结构体系类型选择、楼盖体系的分析等。结构设计要考虑成本投入,不仅包括建造成本,还需要考虑到空间占用面积和成本之间的关系,比如上部结构的重量对地基造成的影响以及如何加强地基,这一过程就需要增加成本。同时,由于超高层建筑结构的特殊性,建筑内部的梁柱将会不可避免的存在,在结构设计中要考虑异型柱的使用,特别是在超高层住宅户型设计中,充分全面考虑梁柱的影响、规避及利用是设计的难点。

  对于结构设计来讲,按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则,选择相应的结构体系,一般分为六大类:框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、框-筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。

  大宸设计认为,外立面设计,除线条比例外,投射在建筑上的几何状阴影使空间具有层次感,同时起到遮阳节能效果。超高层建筑外立面的清洗和保洁,特别是玻璃幕墙中的破损玻璃、泛光照明灯具和Logo广告牌等的更换,是建筑设计必须考虑的问题。擦窗机则是外立面维护系统的最常见设备,擦窗机设计重点考虑因素包括擦窗机类型、楼顶空间通道、结构承载、对建筑物美观的影响、完全覆盖建筑物所有区域的外墙作业等因素。

  超高层建筑,核心筒的设计需平衡采光、节能、易于维护、减少公摊、不同业态核心筒上下统一等多方要求,是建筑设计的难点之一。高层建筑与其它建筑之间的最大区别,就在于它有一个垂直交通和管道设备集中在一起的、在结构体系中又起着重要作用的“核”。而这个“核”也恰恰在形态构成上举足轻重,决定着高层建筑的空间构成模式。随着高层建筑建设的发展、高度的增加和技术的进步,在高层建筑的设计过程中,逐渐演化出了中央核心筒式的“内核”空间构成模式。

  对于超高层建筑来说,必须保证垂直运输的平稳性、快速性、高效性,这也是设计的难点内容,电梯是高层建筑使用最广泛的垂直交通工具,需要保证设置数量的合理性,同时要对等候时间电梯载重进行科学设置,不仅关系到安全问题,也影响到投资问题。通过分区设计、不同梯速设计、局部设置转换电梯等方式,既保证整体垂直运输效率,同时降低冲顶高度和基坑深度,降低电梯投资成本。由于超高层建筑采用多梯系统,应采用微机电梯控制系统,通过计算机控制系统及时地处理大量信息,判断各站台的呼叫信息和各电梯的位置、方向、开闭状态、轿厢内呼叫等各种状态,以提高运送能力,改善服务质量,提高超建筑的经济效益。

  超高层建筑由于其特殊的构造和功能要求,致使其内部火灾荷载大,火势蔓延迅速,人员疏散困难,救援难度大,形成重大火灾的隐患大。消防设计要点:防火-控火-耐火。防火,建筑工程中使用防火材料、防火构件、防火配件,装修工程中采用不燃、难燃性建筑材料,易燃易爆场所强化通风,设置防爆电气,使用不发火地面等。控火,一是把火灾控制在初始阶段;二是把火灾控制在较小范围。耐火,加强建筑结构构件的耐火稳定性,使其在火灾中不致失效。

  超高层建筑内人员也较多较密集,在实际设计过程中,应适当增加超高层建筑安全通道数量,避免发生火灾事故后出现人员拥挤现象。因此,要合理设置避难层高度、疏散楼以及消防电梯的数量等,具体说来:第一个避难层的楼地面至灭火救援区域地面的高度≤50m,两个避难层之间的高度≤50m,每个防火分区消防电梯数量≥1台、每层建筑面积≤1500 m设置1台电梯,每层建筑面积1500~4500 m设置2台电梯,每层建筑面积≥4500 m设置3台电梯。

  超高层结构安全主要考虑结构体系抗风压性能、外幕墙安全性等问题。超高层建筑的风荷载,是结构设计中位移和扭转超限的主要控制因素,是结构设计安全的重点和难点之。结构系统的选择及抗侧力构件的设计,主要是为了该建筑结构可以承担大部分风力以及地震荷载力,使得建筑整体刚度得到保证,也需要考虑到玻璃幕墙的装饰要求。因此,项目在开展设计前,应通过风洞实验,确定作用在超高层建筑表面上的平均风荷载和脉动风荷载、体型系数,以及确定其重要部位的风振位移和加速度响应以及各层的等效风荷载,为确定主体结构与幕墙结构的风荷载提供设计依据,确保结构设计抗风性能安全,以及位移满足电梯运行和外幕墙安全性等要求。

  高层建筑要保证结构具有足够的强度,能可靠地承受风荷载作用下的内力;结构必须具有足够的刚度,控制高层建筑在水平荷载作用下的位移,保证良好的居住和工作条件;选择合理的结构体系和建筑外形;采用较大的刚度可以减少风振的影响;圆形、正多边形平面可以减少风压的数值;尽量采用对称平面形状和对称结构布置,减少风力偏心产生的扭转影响;外墙、玻璃、女儿墙及其它围护构件必须有足够的强度并与主体结构可靠地连接,防止局部破坏。

  作为超高层建筑,安全性必然是供电系统设计所需要格外注意的地方,其次是供电可靠性。配电系统的设计上,需考虑多回路供电及备用发电机组的配置。因超高建筑的高度,变配电房可以考虑设置在塔楼中部的楼层,以减少低压配电的损耗。备用柴油发电机设置于地库层,供电电压采用10千伏输出,再经变压器降压至低压配电,保证配电至塔楼的高层。

  在超高层建筑的配电系统上,供电距离、电缆的长度、电缆大小的适当调整以及安装时的施工工艺也是难题之一。由于超高层面积大、楼层多,自然会出现远距离供电的问题,因此后备电源可考虑采用高压发电机来发电,从而解决了这个难题。

  给水设计是超高层建筑设计中的一个重要环节,主要作用是为用户提供水源通道,通过一定的加压设施使水源管道中的水具有一定的压力,满足整个建筑的用水需求。除了生活用水外,还有一个重要的作用就是为消火栓系统与自动喷水灭火系统等提供水源,一旦发生意外火灾将会提供水源保障。

  由于超高层建筑其建筑高度大,功能复杂,在给水系统的设计过程中往往存在着:分区多,管路复杂,管道系统受压过高,系统联动控制复杂,水泵运行过程中管道易出现超压现象,严重时甚至会出现管道破裂现象等一系列问题。选择给水方式是高层建筑给水系统设计的关键,直接关系到给水系统的使用和工程造价,对于超高层建筑,城市给水管网的水压一般满足不了高区部分的用水压力要求,绝大多数采用分区给水的方式,即低区部分由城市给水管网供水,高区部分由水泵加压供水。

  超高层建筑施工难度大,施工工艺复杂,因此在设计过程应充分考虑施工便利性和可行性。比如楼板结构形式设计,有现浇板、压型钢板以及桁架楼承板等,不同形式,施工便利性差异较大。超高层外幕墙设计一般优先选择单元式幕墙,这种幕墙的单元板块都是先在工厂车间组装,施工周期较短还可以和土建施工一起进行,使得整个施工周期得到有效控制,也有利于施工品质的保证。

  由于建筑高,体量大,支撑高层的地基必须达到足够的强度,所以超高层多采用深基础,持力层嵌入微风化岩层。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。超高层结构形式多为混合型,如型钢混凝土、钢管混凝土、钢筋混凝土结构或全钢结。它们的共同特点是:施工简便、工期短、结构性能好且大大节约建筑材料,目前已成为超高层建筑群最为实用和主要的结构形式。超高层建筑的装饰工程的安全性设计尤其重要,抗风压,风、水、气的密闭性要求高。超高层建筑设计需与时俱进,考虑新技术、新材料、新工艺采用。

  大宸设计认为超高层建筑的出现为城市发展注入了新的活力,其建筑设计需要从安全性、实用性、经济性和美观性的角度出发,明确超高层建筑设计管控的要点,制定出科学的解决措施,进而满足城市发展的使用要求。

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