郭菁 煙臺(tái)市建筑設(shè)計(jì)研究股份有限公司

1 引言

根據(jù)GB 50352—2019《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，高度超過100m 的建筑為超高層建筑。城市中的商業(yè)辦公建筑、居民住宅建筑都存在超高層建筑設(shè)計(jì)方案，高度的增加導(dǎo)致其在建筑基礎(chǔ)、供水、消防、抗震性、垂直交通等多個(gè)方面都存在較大的設(shè)計(jì)難度。此類工程項(xiàng)目投資金額大、容納人數(shù)多，必須從技術(shù)層面解決好以上難點(diǎn)，否則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全和經(jīng)濟(jì)隱患。

2 抗震設(shè)計(jì)

2.1 抗震等級(jí)

抗震等級(jí)的確認(rèn)受到建筑層高及建筑基本環(huán)境條件等多方面因素的影響。根據(jù)建筑工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化要求，抗震等級(jí)需要結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)際需求和宏觀上的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)工作的開展中，抗震等級(jí)的設(shè)計(jì)是最為基礎(chǔ)的條件，一旦抗震等級(jí)的級(jí)別層次確定后，一系列的設(shè)計(jì)和建設(shè)工作都需要以符合此抗震等級(jí)為前提進(jìn)行開展。顯而易見，建筑物高度越大，其抗震設(shè)計(jì)的難度就越高，國(guó)家對(duì)不同類型建筑物的抗震設(shè)防程度提出了差異化的要求，根據(jù)GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，將其分為四類，具體要求可參考表1。地震的發(fā)生概率以及地震的強(qiáng)度與各個(gè)地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)密切相關(guān)，因此，不同地區(qū)在抗震設(shè)防烈度上也提出了不同的要求，在地震烈度較小的地區(qū)，一般將超高層建筑的抗震設(shè)防烈度限制在6度～8度之間，以8度居多。有些地區(qū)地震風(fēng)險(xiǎn)較高，易發(fā)生較大的震級(jí)，其抗震設(shè)防烈度一般為最高的9級(jí)。高層建筑在設(shè)計(jì)階段必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防要求以及建筑物的高度和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合理的抗震設(shè)計(jì)等級(jí)，確保建筑物的安全性。

表1 建筑抗震設(shè)計(jì)分類

2.2 提升高層建筑抗震性的技術(shù)方案

（1）加強(qiáng)地基的設(shè)計(jì)。地基在超高層建筑中發(fā)揮的作用更為重要，層高逐步升高后，對(duì)地基的穩(wěn)固性以及地基建設(shè)中所應(yīng)用技術(shù)的科學(xué)性都提出了非常高的要求。因此，地基建設(shè)的前期設(shè)計(jì)工作也應(yīng)當(dāng)在技術(shù)含量和設(shè)計(jì)思路的創(chuàng)新性上達(dá)到一定的程度。在地基設(shè)計(jì)中，要確保設(shè)計(jì)工作能同時(shí)滿足既定的標(biāo)準(zhǔn)化要求和工程項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)際需求，在此基礎(chǔ)上才能從根本上取得更好的效果。超高層建筑的主體結(jié)構(gòu)對(duì)地基可產(chǎn)生巨大的載荷，而地基的埋深、構(gòu)造方式以及施工材料等將會(huì)決定其性能和承載力，高度達(dá)到632m 的上海中心大廈地基深度高達(dá)86m，大廈地基中設(shè)計(jì)了980個(gè)樁基礎(chǔ)，并且利用混凝土澆筑了一個(gè)厚度達(dá)到6m的基礎(chǔ)底板；（2）主體框架結(jié)構(gòu)。除了基礎(chǔ)之外，地面上構(gòu)筑物的主體框架結(jié)構(gòu)也在很大程度上決定了超高層建筑物的抗震等級(jí)，根據(jù)現(xiàn)有的工程項(xiàng)目案例，常用的結(jié)構(gòu)形式包括了筒體、筒中筒、框架核心筒、巨型結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)等，有些建筑物創(chuàng)新性較強(qiáng)，采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)類型。主體框架結(jié)構(gòu)是最核心的承重結(jié)構(gòu)，其剛度、抗剪性能等都會(huì)影響到高層建筑的抗震性，因而必須加強(qiáng)力學(xué)論證[1]（詳見表1）。

3 消防設(shè)計(jì)

超高層建筑大多為商業(yè)辦公大樓或者城市中的居民住宅樓，其人員密度大，火災(zāi)情況下的逃生、消防以及避難都成為難點(diǎn)問題。

3.1 避難層設(shè)計(jì)

為了防止人員在火災(zāi)發(fā)生時(shí)出現(xiàn)擁擠、踩踏或者無法快速撤離等情況，根據(jù)建筑物的整體高度，采取分層設(shè)計(jì)避難層的方案，避難層要分流人員，每一個(gè)避難層負(fù)責(zé)容納一定樓層數(shù)量?jī)?nèi)的避難人員。當(dāng)處于建筑物中上段的人員無法安全撤離時(shí)，可在避難層臨時(shí)停留，等待專業(yè)救援。

3.2 消防電梯和疏散樓梯

消防電梯用于在火災(zāi)情況下為消防人員上下通行提供便利性，同時(shí)還可借助這種電梯將高層建筑上層的人員運(yùn)輸?shù)降孛婊蛘咂渌踩牡胤剑离娞莸臄?shù)量和分布要根據(jù)建筑物的特點(diǎn)來確定。除了消防電梯外，高層建筑還應(yīng)該設(shè)置防火消防通道，一般為樓梯，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將通道部署在不同的方位，便于人員分流。

3.3 防火及防煙分區(qū)

高層建筑的煙囪效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致失火的情況下出現(xiàn)快速的火勢(shì)蔓延，并且內(nèi)部材料在燃燒的過程中還會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害煙氣，容易造成人員窒息。防火分區(qū)能夠有效阻斷火勢(shì)蔓延，而防煙分區(qū)可避免煙氣充滿整個(gè)建筑空間，為人員逃生創(chuàng)造有利的條件。通?？砂凑彰?0層～35層設(shè)計(jì)一個(gè)局部區(qū)域，并配置電梯設(shè)施。

3.4 施工材料控制

超高層建筑的主體結(jié)構(gòu)、室內(nèi)裝飾、外立面施工、電氣配置等應(yīng)該優(yōu)先選用難燃、不燃的材料，減少燃燒情況和有毒煙霧的產(chǎn)生量，降低火災(zāi)發(fā)生時(shí)的危害性，這是從本質(zhì)上提高防火效果的重要措施，在火災(zāi)火警和自動(dòng)滅火系統(tǒng)的配合下，可取得良好的消防設(shè)計(jì)效果[2]。

4 給水設(shè)計(jì)

給水系統(tǒng)整體規(guī)模的覆蓋范圍以及設(shè)計(jì)的合理性都是影響給水設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。在設(shè)計(jì)工作的開展中，給水設(shè)計(jì)的基本要求是通過壓力指標(biāo)，對(duì)給水效果進(jìn)行同步的控制，另外給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的開展還需要重視基礎(chǔ)原材料和其他影響因素，通過合理的設(shè)計(jì)規(guī)避某些影響因素，最終確保設(shè)計(jì)對(duì)功能的發(fā)揮起到促進(jìn)作用。建筑高度增加對(duì)給水系統(tǒng)增壓設(shè)計(jì)帶來了一定的難度，并且給水系統(tǒng)承擔(dān)著消防用水和生活用水。超高層建筑的給水方式常見兩種類型，其一是“輸水系統(tǒng)+變頻供水”，這種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)是在保證供水和傳輸?shù)拇笄疤嵯?，水箱?nèi)的水可按照從下到上的順序逐步消耗，這樣可確保水的更新，保證水質(zhì)，系統(tǒng)承受的壓力也更小。當(dāng)然，任何技術(shù)都存在一定的缺點(diǎn)，變頻供水的成本較高，管材消耗大，因此要定期對(duì)使用的管材進(jìn)行檢查和更換，確保管材質(zhì)量，才能在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)及時(shí)快速滅火。其二是“傳輸系統(tǒng)+水箱供水”，這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是供水的可靠性較高、水壓穩(wěn)定性強(qiáng)、管道消耗比較少、整體成本更低。通常情況下超高層建筑水箱的設(shè)計(jì)位置和避難層是一致的，因?yàn)楸茈y層對(duì)建筑物用戶沒有過多的使用價(jià)值，因此，將水箱和輸水設(shè)備布置在該層可為業(yè)主節(jié)省更多的使用空間，在保障安全性的同時(shí)，空間更大。實(shí)際上，以上兩種供水方式具有的各自優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，在建筑給水設(shè)計(jì)中可將其綜合在一起，形成優(yōu)化的配置方案。消防用水也是給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要包括自動(dòng)噴淋系統(tǒng)和消火栓的供水設(shè)計(jì)，由于消防供水對(duì)壓力要求較高，可分為常高壓和臨時(shí)高壓，或者二者的組合[3]。通過設(shè)置有效的消防設(shè)備，一旦發(fā)生危險(xiǎn)可以快速提供撲滅火災(zāi)的水資源，最大化保證建筑使用者的安全。最后，給水設(shè)計(jì)還需要充分考慮對(duì)水資源和能源的節(jié)約，這也是符合可持續(xù)發(fā)展的基本要求，現(xiàn)代超高層建筑的設(shè)計(jì)工作更需要把握住節(jié)能環(huán)保的基本原則，通過設(shè)計(jì)工作的開展最大化的實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。只有對(duì)水資源做到最大化的利用，才能夠說明建筑設(shè)計(jì)的合理性達(dá)到了最佳狀態(tài)。

5 電力供應(yīng)設(shè)計(jì)

電力供應(yīng)是現(xiàn)代社會(huì)背景下超高層建筑設(shè)計(jì)中最為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之一，且在具體落實(shí)的過程中，也需要綜合考慮多方面因素的影響，確保設(shè)計(jì)工作的效果和具體落實(shí)符合超高層建筑項(xiàng)目的實(shí)際需求。這不僅是保障電力供應(yīng)設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮作用的前提條件，也是體現(xiàn)現(xiàn)代建筑背景下電力供應(yīng)設(shè)計(jì)科學(xué)性和有效性的途徑。超高層建筑的電力供應(yīng)設(shè)計(jì)以安全、穩(wěn)定、節(jié)能、節(jié)約電力電纜等為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在安全性設(shè)計(jì)方面，必須充分論證電力負(fù)荷、電流強(qiáng)度、用電設(shè)備以及導(dǎo)線截面積等影響因素。此類建筑物一旦電力供應(yīng)中斷、電梯停運(yùn)、照明失效，所產(chǎn)生的負(fù)面影響會(huì)非常大，為了避免出現(xiàn)這種不良局面，一般要配置專門的備用電源，將柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)置在建筑物的地庫層作為應(yīng)急電源。超高層建筑的主電源一般為高壓市政電，因此要設(shè)計(jì)專門的變配電系統(tǒng)，該裝置的部署位置直接決定了低壓用電線路的布置方式、線路長(zhǎng)度、線路損耗以及線纜采購(gòu)成本，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材的目標(biāo)，可將其布置在塔樓靠中部的樓層，這樣上下層建筑物的低壓配電線路都可達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，減少整體的線纜采購(gòu)成本。另一方面，電力供應(yīng)的設(shè)計(jì)方案還能影響到超高層建筑物的能耗水平，有些超高層建筑利用自身的高度優(yōu)勢(shì)，在建筑物主體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)有風(fēng)力發(fā)電裝置，減少了對(duì)市電的依賴性，同時(shí)降低了建筑物的能耗水平。最后，超高層建筑物內(nèi)部的電力線纜、通信光纜等都要采用綜合布線的方式來設(shè)計(jì)，其目的是減少線路布設(shè)占用的空間以提高室內(nèi)環(huán)境的整潔性，尤其要盡可能節(jié)約豎井占用的空間，為建筑物的業(yè)主方留出更加充足的使用空間[4]。

6 垂直交通設(shè)計(jì)

超高層建筑中的電梯配備是電力用戶的基礎(chǔ)配備結(jié)構(gòu)。因此，電梯結(jié)構(gòu)數(shù)量和運(yùn)行等方面的設(shè)計(jì)也是超高層建筑設(shè)計(jì)工作中非常重要的組成部分。作為設(shè)計(jì)人員，一方面要考慮超高層建筑的安全問題，確保電梯在設(shè)計(jì)和應(yīng)用效果方面的安全性，另一方面也要從電梯設(shè)備的基礎(chǔ)特征和運(yùn)行需求出發(fā)，在滿足電梯運(yùn)行需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其與高層建筑的融合設(shè)計(jì)。電梯是超高層建筑物垂直運(yùn)輸最重要的工具，此類建筑物的樓層數(shù)一般可達(dá)到40層以上，對(duì)于高度為數(shù)百米的高層建筑，可采用分區(qū)設(shè)計(jì)的方案，也就是將樓層分為高、中、低三個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域的電梯獨(dú)立運(yùn)行，不同區(qū)域之間的通行要換乘電梯。之所以不采用同一部電梯貫穿設(shè)計(jì)，是因?yàn)楫?dāng)建筑物高度過高時(shí)，沒有可與之匹配的規(guī)格的電梯，若單獨(dú)定制電梯又會(huì)導(dǎo)致成本過高，電梯的安全性也難以保障。電梯的數(shù)量和分布位置是影響高層建筑垂直通行效率的關(guān)鍵因素，在設(shè)計(jì)過程中要結(jié)合人員數(shù)量、樓體結(jié)構(gòu)合理布置。電梯既可布置在建筑物內(nèi)部，也可布置在外側(cè)（獨(dú)立于核心筒），前一種對(duì)電梯的保護(hù)性更強(qiáng)，但是會(huì)占據(jù)建筑物的內(nèi)部空間，后一種布置在核心筒之外，可節(jié)省內(nèi)部空間，具體采用哪一種方式，可結(jié)合實(shí)際情況確定。采用分區(qū)設(shè)計(jì)的方案還具有其他方面的優(yōu)勢(shì)，高層建筑內(nèi)部的生活保障一般也是分區(qū)設(shè)計(jì)的，因?yàn)樯舷乱淮蔚臅r(shí)間較長(zhǎng)，分區(qū)設(shè)計(jì)的靈活性更好[5]。

7 抗側(cè)向風(fēng)設(shè)計(jì)

隨著整體層高的提升，風(fēng)力以及自然環(huán)境中的一些因素對(duì)建筑設(shè)計(jì)效果的影響也更加地突出，側(cè)向風(fēng)就是超高層建筑設(shè)計(jì)工作中需要注意的一個(gè)重要因素，在設(shè)計(jì)工作中，首先要對(duì)側(cè)向風(fēng)問題引起充分的重視，并且通過設(shè)計(jì)工作的開展，以精確的數(shù)據(jù)計(jì)算和有效的防護(hù)措施盡可能減小側(cè)向風(fēng)對(duì)超高層建筑的不利影響，體現(xiàn)出超高層建筑的技術(shù)含量和質(zhì)量水平。地面上的風(fēng)力受到樹木或者其他構(gòu)筑物的影響，一般都比較低，不易對(duì)建筑物的安全性造成影響，但是在數(shù)百米的高空，風(fēng)力作用會(huì)顯著增強(qiáng)，超高層建筑的迎風(fēng)面積大，基礎(chǔ)占地面積通常又比較小，上部結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下會(huì)產(chǎn)生力矩效應(yīng)，導(dǎo)致其產(chǎn)生搖擺的現(xiàn)象，長(zhǎng)期的來回?fù)u擺會(huì)增加結(jié)構(gòu)物的損耗，使其產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而可能危害建筑物的安全性。上海中心大廈的頂部在風(fēng)力作用下可產(chǎn)生明顯的搖晃，幅度可達(dá)1m以上。為了增強(qiáng)超高層建筑物抵抗側(cè)向風(fēng)力作用的能力，可從多個(gè)方面加強(qiáng)設(shè)計(jì)。（1）強(qiáng)化建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。上部建筑物在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的力矩對(duì)底部基礎(chǔ)的影響最大，因?yàn)榱匦?yīng)在底部時(shí)達(dá)到最大，因此，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)必須達(dá)到足夠的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性。（2）外立面設(shè)計(jì)。外立面設(shè)計(jì)的美觀性和功能性是設(shè)計(jì)工作追求的重點(diǎn)。在具體的設(shè)計(jì)工作中設(shè)計(jì)的造型，也會(huì)影響到整個(gè)超高層建筑的功能效果發(fā)揮。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮多方面因素，用專業(yè)的方法和具有創(chuàng)新性的科學(xué)思路指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作的開展。流線型的外立面可促進(jìn)空氣快速通過，減少“兜風(fēng)”的效應(yīng)，優(yōu)秀的外立面設(shè)計(jì)效果可大幅降低風(fēng)載荷，減少風(fēng)力干擾。（3）設(shè)置阻尼裝置。在超高層建筑物上設(shè)置阻尼器可起到抑制沖量、減緩力學(xué)振動(dòng)以及消耗動(dòng)能的作用，風(fēng)力作用往往并不規(guī)則，建筑物的擺動(dòng)方向也會(huì)不斷變化，當(dāng)建筑物擺動(dòng)時(shí)，阻尼器會(huì)朝著相反方向擺動(dòng)，從而抵消其能量，減少擺動(dòng)的幅度[6]。

8 結(jié)束語

超高層建筑物的結(jié)構(gòu)安全性和抗震性能與建筑物基礎(chǔ)、主體框架結(jié)構(gòu)、外立面形式以及抗震阻尼關(guān)系密切，垂直交通系統(tǒng)主要依靠電梯，根據(jù)建筑物的高度采取分區(qū)設(shè)計(jì)的方案。消防系統(tǒng)的重點(diǎn)是控制好耐火材料、防火分區(qū)、防煙分區(qū)、避難層以及消防電梯。超高層建筑的電力供應(yīng)系統(tǒng)將變配電裝置設(shè)置在樓層中部，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約電力線纜、降低線損耗的目的。