超高層建筑中應(yīng)用及節(jié)能設(shè)計探究
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摘要：為有效緩解當(dāng)前城市中心人口劇增與用地緊張的矛盾，超高層建筑在我國各大城市發(fā)展迅速。但超高層建筑的建造要求以及節(jié)能設(shè)計均不同于常規(guī)建筑，傳統(tǒng)工程材料與節(jié)能設(shè)計方法已難以滿足超高層的建設(shè)需求與使用條件。為更好地提升建造質(zhì)量，改善節(jié)能效果，總結(jié)介紹了高性能鋼材、高性能混凝土以及鋼管混凝土等幾種現(xiàn)代化新材料在超高層建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀。指出了目前在超高層建筑節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)中存在的不足，提出了針對性的改進(jìn)方向。
關(guān)鍵詞：超高層建筑；新型建筑材料；綠色應(yīng)用；節(jié)能設(shè)計
作為現(xiàn)代化城市的地標(biāo)性建筑，超高層建筑往往是一座城市的象征，某種程度上已經(jīng)成為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的衡量尺度。超高層建筑既可以緩解城市用地緊張的現(xiàn)狀，充分發(fā)揮“黃金地段”土地的經(jīng)濟(jì)價值，也可以為城市創(chuàng)造新的人文景觀，豐富旅游景點，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。近幾十年來，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，超高層建筑隨之在各大城市相繼涌現(xiàn)，并呈現(xiàn)出如火如荼的發(fā)展勢頭，不斷影響、改變著城市的整體景觀與文明形象，典型的諸如廣州西塔（432m）、上海中心（632m）、武漢綠地中心（606m）以及深圳平安國際金融中心（648m）等[3]。超高層建筑的建造較大程度上依賴于新材料與新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，而超高層建筑的建設(shè)需求也在客觀上不斷催生著新型建筑材料的出現(xiàn)以及相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。對于超高層建筑而言，其建設(shè)中應(yīng)用的材料主要包括三種，即鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼-砼組合結(jié)構(gòu)[4]。其中，鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震優(yōu)良以及安拆快捷等優(yōu)勢，但其防火性能較差，且綜合造價成本偏高，使其在超高層的應(yīng)用受到限制?；炷两Y(jié)構(gòu)工藝成熟，抗壓能力好，取材便捷，后期維護(hù)費用少，且隨著其強(qiáng)度等級的不斷提升，已成為超高層建筑建造中的主要材料。但混凝土自重較大，延性較差，且所制成的構(gòu)件尺寸大，不利于建筑空間的充分利用。而鋼-混組合結(jié)構(gòu)是將鋼材與混凝土結(jié)合應(yīng)用的一種新型構(gòu)造形式，又被稱為勁性結(jié)構(gòu)，其能充分發(fā)揮兩種材料的各自特性，優(yōu)勢互補(bǔ)，既有很強(qiáng)的承載能力，又能使自身尺寸盡量縮減，從而騰出更多的建筑使用空間。隨著科技水平的進(jìn)步，擁有更高性能的新型建筑材料不斷出現(xiàn)。為將新材料合理應(yīng)用于當(dāng)下的超高層建筑建造之中，在保證超高層建筑功能與使用品質(zhì)的前提下，使超高層建筑的建造過程更加綠色環(huán)保、節(jié)能節(jié)材，本文總結(jié)介紹了高張力鋼、低屈服點鋼材、TMCP新型鋼材和SN鋼等高性能鋼材，高性能混凝土以及鋼管混凝土等幾種現(xiàn)代化新材料的應(yīng)用特性及其現(xiàn)狀，并指出了目前我國超高層建筑在節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)中的不足，提出針對性的改進(jìn)方法，以期促進(jìn)我國超高層建筑建造的可持續(xù)發(fā)展。
1超高層建筑中的新材料應(yīng)用
1.1高性能鋼材
目前，我國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，工業(yè)化生產(chǎn)水平不斷提高，促使鋼結(jié)構(gòu)材料在超高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，尤其是大型結(jié)構(gòu)件中。但同時，超高層建筑造型的多樣化及使用環(huán)境的復(fù)雜化，對其中所應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)性能也不斷提出新的要求，主要體現(xiàn)在抗震性、可焊性、可塑性以及強(qiáng)度等方面。在工程實踐中，較為普遍應(yīng)用的高性能鋼主要有以下幾種。（1）高張力鋼。高張力鋼也即所謂的高強(qiáng)度鋼，具有較高的屈服點，且比普通鋼材強(qiáng)度更大。同時，其不僅只是強(qiáng)度高，還包括優(yōu)良的韌性、焊接性、抗彎能力以及加工性等特性[5]。在實踐中，該類鋼材可允許通過焊接實現(xiàn)連接，所形成的結(jié)構(gòu)塑性好，在易發(fā)生地震的地區(qū)適用性突出。（2）低屈服點鋼材（阻尼器鋼材）。在超高層建筑中，阻尼器的應(yīng)用越來越發(fā)揮出“定海神針”的作用，其能夠通過一定幅度的晃動，吸收高樓所受到的荷載力，包括強(qiáng)風(fēng)、地震等，從而使建筑本身保持穩(wěn)定。阻尼器大多采用特制鋼材制成，要求此類鋼材屈服點較低，在進(jìn)入塑性變形階段前即發(fā)生屈服，從而保證足夠的變形能力用以消耗外部能量。故此，低屈服點鋼材應(yīng)運而生，其主要被用于制造阻尼器內(nèi)芯，也被稱為阻尼器鋼材[6]。該類鋼材的應(yīng)用能有效提升超高層建筑的抗震能力。（3）TMCP新型鋼材。所謂TMCP，指Thermo-MechanicalControlProcess，即“熱機(jī)械控制過程”。此類鋼材主要是在壓延過程中采取受控?zé)彳垼醇訜崤c壓軋）后，再實施聯(lián)機(jī)快冷工藝而成型?？炖涞倪^程可使得鋼材以位錯形式儲存部分能量，提升強(qiáng)度，并可于受熱高溫條件下釋放該能量，減少淬硬性，增強(qiáng)韌性、加工性與可焊性[7]。TMCP新型鋼材憑借其優(yōu)異的強(qiáng)度與可焊性，在強(qiáng)度要求高、斷面大以及尺寸厚的場合中得到了較多應(yīng)用。（4）SN鋼。SN鋼是一種新型的建筑用結(jié)構(gòu)鋼材。該鋼材通過特殊的工藝措施制成，顯著提升了鋼材強(qiáng)度及韌性，同時具備優(yōu)異的可焊性及抗震性，因此在超高層建筑中應(yīng)用廣泛[8]。目前，SN鋼材已經(jīng)占據(jù)日本建筑結(jié)構(gòu)用鋼的主流市場，其建造的超高層建筑適用于地震多發(fā)地區(qū)，且綜合成本較低。
1.2高性能混凝土（HPC）
隨著國家對綠色低碳理念的日益重視，超高層建筑建造過程中的綠色與節(jié)能要求也逐步提高。而高性能混凝土很好地響應(yīng)了綠色節(jié)能要求，其在配比中盡量省去水泥熟料的摻入，取而代之的是加入了更多的粉煤灰、硅灰等工業(yè)廢料，利于碳排放的減少與環(huán)境保護(hù)，因此在超高層建筑中具有良好的適用性[9]。混凝土為取得高性能，最主要的途徑是在配制時摻入新型高性能減水劑與礦物質(zhì)超細(xì)粉。新型高性能減水劑的應(yīng)用可降低水灰比，使混凝土和易性及流動性更加優(yōu)異，與此同時使塌落度進(jìn)一步提高，能保證混凝土實現(xiàn)更好的密實性。而礦物質(zhì)超細(xì)粉的加入，不僅能通過推動水化反應(yīng)，進(jìn)而提升混凝土的密實性，而且可以優(yōu)化混凝土的界面構(gòu)造，將材料孔隙盡量充填，從而提升強(qiáng)度，延長其耐久性。高性能混凝土的準(zhǔn)確定義，目前行業(yè)內(nèi)尚未取得統(tǒng)一，但其基本特性得到廣泛共識：組分中含有高效減水劑與礦物質(zhì)細(xì)粉料；免振自密實；早期強(qiáng)度高、體積穩(wěn)定性好；在不良環(huán)境條件下長期強(qiáng)度好；韌性優(yōu)異。自發(fā)明以來，C60與C80強(qiáng)度等級的高性能混凝土已得到普遍實踐，如橋梁工程、船舶制造以及高層建筑等。目前，C90、C150甚至是C230強(qiáng)度等級的高性能混凝土也已配制成功，并在具體的工程建設(shè)中展開了局部運用。隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的深入與發(fā)展，超高層建筑發(fā)展迅猛；而高性能混凝土憑借其優(yōu)異的綜合性能，如高強(qiáng)度與高流態(tài)、可泵送性好與密實度高等，必將在城市超高層建筑領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。
1.3鋼管混凝土（CFT）
在超高層建筑中，高張力鋼，即高強(qiáng)度鋼材的使用，雖使得構(gòu)件在保證承載能力的前提下，自身尺寸與截面得到了有效壓縮，但隨著帶來的是局部屈曲以及剛度降低顯著等弊端。針對該缺陷問題，鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)形式可以作為解決方案之一。鋼管混凝土的截面形式多樣，既可以為方形、矩形，也可以為圓形或多邊形。其主要是通過將混凝土灌注于不同截面形狀的鋼管內(nèi)部而形成，相互協(xié)調(diào)制約，從而達(dá)到共同受載的目的。在受力機(jī)理方面，外部圍合的鋼管對其內(nèi)部的混凝土起到套箍約束效果，使混凝土三向受壓，并具備更優(yōu)異的變形性能及更高的抗壓強(qiáng)度[10]。鋼管混凝土具備優(yōu)異的力學(xué)性能，如輕質(zhì)高強(qiáng)、延性佳、抗沖擊性好、耐疲勞等，同時在工程建設(shè)中的可操作性良好，能達(dá)到節(jié)省工期、提高效率、安裝輕便等目的。大多情況下，鋼管自身即具備橫向箍筋與縱向主筋的功能，也直接是混凝土的灌注模板，因此該結(jié)構(gòu)形式一般不再另外配筋和配模?；炷猎诠こ虘?yīng)用中，其破壞大多為脆性模式，強(qiáng)度等級越高，脆性特征越突出。這在對抗震有較高要求的超高層建筑中是結(jié)構(gòu)設(shè)計亟需改進(jìn)的問題。而采用鋼管混凝土形式，混凝土受到鋼管套箍作用，在受地震力作用時將先產(chǎn)生順鋼管的塑性變形，并呈現(xiàn)鼓曲形態(tài)，破壞模式也由原先的脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，破壞前有明顯的特征，有利于結(jié)構(gòu)安全。在超高層建筑的建造中，鋼管混凝土柱的應(yīng)用形式較為靈活，具備很強(qiáng)的替代性。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼管混凝土柱可以替代鋼柱，從而降低風(fēng)致振動與鋼材使用量；在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，鋼管混凝土柱可以在某些部分場合取代鋼筋混凝土柱，在避免脆性破壞問題的同時，能夠減少柱體自身尺寸，拓寬結(jié)構(gòu)空間，突破超高層建筑中常規(guī)的結(jié)構(gòu)底部“胖柱”設(shè)計形式。
2超高層建筑的節(jié)能設(shè)計
2.1節(jié)能參數(shù)優(yōu)化
當(dāng)前我國城市中的超高層建筑項目日益增多，但在前期的建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計階段存在一定的不足。在開展節(jié)能設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)充分考慮自然條件。區(qū)別于一般的高層建筑，超高層建筑的高空往往超過100m，其高空環(huán)境下的氣象參數(shù)存在較大的不確定性與變動[11]，但不少設(shè)計人員未對超高層建筑的高空環(huán)境與高度因素進(jìn)行全面考量，未能合理預(yù)估風(fēng)速影響、氣溫降低、太陽輻射等影響，導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計時出現(xiàn)設(shè)計參數(shù)缺失或計算錯漏情況?，F(xiàn)階段，較多的模擬軟件在測定當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境參數(shù)變化曲線方面也存在不同程度的缺陷，計算結(jié)果失真、不準(zhǔn)確現(xiàn)象較為常見。由此導(dǎo)致無法精確預(yù)估超高層建筑的表面熱交換能力，內(nèi)部的能力消耗情況也存在偏差，最終造成超高層建筑的內(nèi)部機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計等存在針對性不足的問題。顧名思義，對于超高層建筑而言，高度是其區(qū)別于常規(guī)建筑的最顯著的特征。在設(shè)計時，應(yīng)將高度這一核心理念作為節(jié)能設(shè)計的首要因素，充分掌握建筑當(dāng)?shù)貐^(qū)域高空中的溫度、濕度變化特點以及四季氣候更替規(guī)律，正確設(shè)置模擬軟件參數(shù)，從而計算得出符合客觀條件的超高層建筑環(huán)境影響曲線，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)超高層建筑合理的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計。2.2節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)目前，我國的超高層建筑的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)存在較大的滯后現(xiàn)象，如在超高層建筑的遮陽與通風(fēng)等方面，相關(guān)的設(shè)計規(guī)范基本為空白，無法起到有效的指導(dǎo)功能。由于超高層建筑發(fā)展迅猛，且高空環(huán)境對建筑節(jié)能設(shè)計的影響研究未能及時取得有借鑒性的成果，導(dǎo)致常規(guī)的建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的適用性存在打折，其基于整體建模的能耗推斷方式也難以滿足超高層建筑龐大的參數(shù)使用需求。因此，在當(dāng)前的超高層建筑節(jié)能設(shè)計過程中，不能一味參考目前的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)深入考慮當(dāng)?shù)貙嶋H自然環(huán)境條件，對標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用條件與計算過程做出有效判斷，明確通風(fēng)、采光、制冷以及配電等的適用性，從而保證超高層建筑的節(jié)能設(shè)計質(zhì)量與使用功能。
2.3超高層建筑的布局設(shè)計
目前，我國的超高層建筑大多是單體式設(shè)計形式，其布局設(shè)計的合理性直接影響通風(fēng)與采光效率，因此在超高層建筑節(jié)能設(shè)計時，必須考慮布局設(shè)計對節(jié)能效果的影響。與此同時，超高層建筑結(jié)構(gòu)高度在100m以上，該條件下的風(fēng)速相比地面更大，應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)壓對建筑頂部的幕墻穩(wěn)定性、窗戶啟閉以及冬季保溫等的影響，在布局設(shè)計時需要調(diào)查當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，總結(jié)風(fēng)向、風(fēng)速等大小與頻次，綜合考慮門窗的開啟方式以及戶型朝向等[12]。另外，為更好地提升超高層建筑的節(jié)能效果，還可在垂直空間方面展開節(jié)能優(yōu)化布置。如在超高層建筑的周圍表面實施綠色植被的種植設(shè)計，不僅能起到環(huán)境綠化的功能，還可凈化局部城市空氣質(zhì)量；又如在超高層建筑的樓頂種植綠植，實現(xiàn)城市屋頂綠化[13]，或于建筑向陽面布局設(shè)計光能轉(zhuǎn)換設(shè)備，將太陽能充分轉(zhuǎn)化為電能等。
3結(jié)束語
在超高層建筑的建造過程中，新型節(jié)能建筑材料的應(yīng)用既是新時代的環(huán)保趨勢，也是可持續(xù)發(fā)展理念的必然需求。當(dāng)前，高性能鋼材、高性能混凝土以及鋼管混凝土等新材料的應(yīng)用，對于超高層建筑的節(jié)能效果實現(xiàn)具有直接的影響。另外，在超高層建筑的節(jié)能設(shè)計方面，應(yīng)當(dāng)充分權(quán)衡自然環(huán)境因素，如風(fēng)速、光照以及綠化等的影響，通過合理布局，充分利用自然條件，從而實現(xiàn)建筑與自然的融合。在未來的超高層建筑設(shè)計與施工過程中，應(yīng)勇于創(chuàng)新，積極采用新材料，通過更加先進(jìn)的現(xiàn)代化軟件與計算工具，將更加符合節(jié)能要求的現(xiàn)代化新材料因地制宜地選擇應(yīng)用于超高層建筑之中，實現(xiàn)綠色設(shè)計、綠色施工與綠色運維。
作者:鄭衍旭 黃興超 單位:浙江宏通建設(shè)有限公司 淳安縣住房保障和房屋征收服務(wù)中心