綠色建筑背景下超高層建筑結構優選

廖奇云 王道憲

摘 要：我國建筑業高速發展，資源浪費、環境污染等問題日益突出，綠色建筑是當今社會的必然要求，2006年我國頒布了第一部綠色建筑國家標準《綠色建筑評價標準》。超高層建筑在我國的中心城市數量日益增多，為了建設綠色超高層建筑，超高層建筑結構選擇尤為重要，綜合研究分析前人研究成果，基于《綠色建筑評價標準》，將超高層建筑結構體系的綠色性能作為超高層建筑結構方案評價的重要指標之一，建立超高層建筑結構方案評價指標體系。結合實例，運用多層次模糊綜合評價對超高層建筑結構進行方案優選。

關鍵詞： 超高層建筑； 建筑結構； 綠色建筑； 模糊綜合評價

Under the background of green building super high-rise building structural optimization

LiaoQiyun ， WangDaoxian

（Faculty of Construction Management and Real Estate，ChongQing Univercity.ChongQing 400045）

Abstract：High speed development of construction in our country， the waste of resources and environmental pollution problem increasingly， green architecture is the inevitable requirement of today's society， 2006， China promulgated the first green building national standard "green building evaluation standards". In the center of the tall building in increasing the number of cities， in order to build green tall building， tall building structure is particularly important to the selection， comprehensive analysis previous research results， based on the green building evaluation standard "， will tall building structural system of green performance as a tall building structural schemes evaluation one of the important indexes， establish a tall building structural schemes evaluation index system. Combined with examples， using hierarchy fuzzy comprehensive evaluation of tall building structural optimization scheme.

Keyword：super high-rise building， building structure， fuzzy comprehensive evaluation

引言

結構是傳遞荷載、支撐建筑的骨骼，結構在建筑中的地位與作用不會因為建筑的發展而削弱或偏離。建筑結構通常要滿足適用性、耐久性、安全性，建筑結構不僅要經濟，而且要節能環保。建筑工程設計的內容可將設計工作分為建筑設計、結構設計和設備設計等。大型或技術復雜的工程，按照設計的階段可分為方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段。超高層建筑的設計，方案階段內容可并入初步設計階段，即在初步設計階段，設計的工作者要通過優選與建筑設計相適應的結構體系。高層建筑的設計結構體系的選擇是重中之重，通過研究了高層和超高層結構的結構體系和特點，為廣大設計人員提供直觀的經驗與方法[1]。結構方案優選是綜合考慮設計對象特征、環境與不同結構形式所形成的結構系統整體綜合性能優劣，對多個方案的各個方面因素綜合分析，選擇一個合適的結構形式的決策過程。超高層建筑的結構設計對超高層建筑有著決定性的意義，為了超高層建筑設計更加合理，將綠色建筑的理念在超高層建筑結構設計中實施，推動建筑業的可持續發展，同時為綠色超高層建筑的發展起到推動作用。

本文將綠色建筑評價標準與超高層建筑結構設計結合，將綠色建筑評價標準的內容在超高層建筑結構設計中運用，增加超高層建筑結構方案評價的內容，運用模糊綜合評價對超高層建筑結構進行綜合評價，將超高層建筑結構的各方案進行排序，為超高層建筑結構設計提供借鑒。

1.超高層建筑的發展

1.1超高層建筑的定義、產生的問題與目前的發展狀況

超高層建筑的定義：1972年8月在美國賓夕法尼亞州的伯利恒市召開的國際高層建筑會議上，專門討論并提出高層建筑的分類和定義，超高層建筑是指40層以上（高度100米以上）的建筑。超高層建筑是現代文明的標志，超高層建筑也是現代科學技術的結晶，發展超高層建筑是人類強烈的愿望[2]。目前已建成的超高層建筑出現高能耗、光污染、“熱島”效應等問題，針對超高層建筑在運營階段反饋的信息，綠色建筑已成為當前建筑業可持續發展的必由之路。

超高層建筑體現出社會、經濟和科技的結合，超高層建筑在高度不斷增加的同時，還呈現出綜合化、異形化、生態化和智能化[2]，當今可持續發展的大背景下，資源問題是我國建筑業高速發展發展面臨的一個重大挑戰，可持續發展是最佳選擇，生態化是超高層建筑發展必然趨勢，必須建立自然、社會與人的和諧發展模式。城市化與城鎮化的發展，我國建筑業步入了一個前所未有的發展階段，但是我國單位建筑面積能耗是發達國家的二至三倍[4]，對我國經濟造成了嚴重的能源負擔，對人類生存環境造成了嚴重的環境污染，同時存在土地利用率低、水污染嚴重、耗材耗能高等問題。在這樣的背景下，建筑業誕生了節能建筑、綠色建筑、綠色建材等新概念。

自1894年美國紐約曼哈頓生命保險大廈落成至今已建成的迪拜哈利法塔，無不見證了時代的進步和城市的發展。超高層建筑迅猛發展的客觀條件有三：一是城市化進程加快，迫使建筑向更高空間發展；二是設計技術的創新，為超高層建筑在設計過程中進行多方案比較和優選提供了方便；三是輕質材料、輕質隔墻和輕型圍護墻的應用；四是多種性能更優的新型結構體系出現[3]。現在世界各地掀起了興建超高層建筑的新高潮，東京天空樹、巴黎的“修道院廣場”雙子塔等相繼興建預示著超高層建筑有更好的發展前景。

1.2超高層建筑結構研究成果

超高層建筑具有投資大、周期長等特點。按照所選材料的不同，超高層的建筑結構可以劃分為三類：鋼結構、鋼筋混凝土結構、混合結構與組合結構。混合結構與組合結構是根據鋼結構和鋼筋混凝土結構各自的優缺點，在超高層建筑不同部位可以采用不同的結構材料，在同一個部位也可以用不同的結構材料形成組合結構[2]。超高層建筑結構類型主要受技術和經濟發展水平所決定，超高層發展的初期，超高層建筑多采用鋼結構。目前超高層建筑結構中純鋼結構應用范圍有所縮小，鋼筋混凝土結構和混合結構的比重超過純鋼結構。

目前超高層建筑結構體系有：框架結構體系、剪力墻結構體系、框架-剪力墻結構體系、筒體結構體系、混合結構體系和懸掛結構體系等[5]。超高層建筑結構選型是在超高層建筑設計的初級階段，該階段超高層建筑結構設計應注意的四個方面（即概念設計、應保證結構分析計算準確性和設計指標的合理性、中震和大震下的結構安全性能、關注舒適度及施工過程的影響即可實時性）[8]。將超高層建筑結構方案選擇的因素劃分為目標層、準則層和指標層三層次結構，從結構材料、結構體系適用范圍、經濟性、施工方法、抗震性能目標、建筑美觀、科研創新等方面進行通盤考慮，采用模糊層次綜合優選法來確定超高層建筑的結構方案[6]-[7]。

綠色建筑是當今社會關注的焦點，綠色建筑是實現建筑業可持續發展的最佳路徑，綠色建筑評價應作為超高層建筑結構方案的重要組成部分。關于超高層建筑結構方案進行評價研究還不是很多，通過超高層建筑結構優選，可以為超高層建筑結構的選型提供必要的理論基礎。

2.《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2006）的分析與應用

2.1綠色建筑概念及其重要性

2006年，我國出臺了第一部有關綠色建筑的國家標準《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2006，在此標準上給出了適合中國國情的綠色建筑的定義，即“綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源（節能、節地、節水、節材）、保護環境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑”。建筑業正快速而大量的消耗地球的資源并造成生態環境惡化，資源、環境與發展之間的矛盾是我國建筑行業迫切需要解決的問題，因此，推進建筑結構體系的綠色化，是實踐綠色建筑，解決我國建筑事業面臨的問題有效途徑。在設計階段應考慮減少資源的使用和資源回收利用問題，同時考慮環境和生態的影響，綜合環境、經濟、和社會效益，為人類提供宜居環境。

2.2綠色建筑結構體系

綠色建筑的深入研究，結構體系及其配套技術集成的問題越來越重要，當前的建筑結構設計與選型理念，忽視結構建造、使用、維護和拆除再利用過程中的資源、能源消耗的問題，即綜合社會效益問題，面臨能源危機與環境問題，建筑設計者在結構體選型與設計中，應重視建筑結構體系在建筑生命周期內可持續發展、環境友好。

綠色建筑結構體系是指在建筑結構原材料的獲取，構建及建材的生產、加工、運輸，機構體系的建造，結構的使用與維護，結構的拆除與回收處理的全過程中最大限度的保護環境、節約資源、降低能耗，為人類提供與自然、與環境和諧的健康生活環境。

綠色建筑結構體系評價是對建筑結構原材料的獲取，構建及建材的生產、加工、運輸，機構體系的建造，結構的使用與維護，結構的拆除與回收處理的全過程中物質能量流動所產生的對環境影響的經濟效益、社會效益和環境效益進行綜合分析與評價。建筑結構體系評價目的是為建筑結構的選型、建筑結構設計提供借鑒，體現綠色建筑的評價內容的多角度。在不同的建筑階段、不同的建筑參與者中，能夠將綠色建筑的實踐更加深入，從而推動我國建筑業可持續發展。

2.3標準在超高層建筑結構中的運用

標準中明確的將節能、節地、節水、節材作為綠色建筑評價的重要部分，結合《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006 ，對結構體系、結構形式、結構剛度、結構布置及基礎等方面研究，指明綠色建筑中結構設計的重要性，加深結構專業人員對綠色建筑的深入理解[9]，超高層建筑要實現節約能源、資源，減小對環境的沖擊，成為綠色建筑，在設計階段就應該將綠色建筑評價標準的各項要求進行深入的理解，在選擇超高層建筑結構的同時，結合建筑的全壽命周期與評價標準的要求進行合理的選擇。《標準》用于評價住宅建筑和辦公建筑、商場、賓館等公共建筑，《標準》的評價指標體系包括以下六大指標：1）節地與室外環境；2）節能與能源利用；3）節水與水資源利用；4）節材與材料資源利用；5）室內環境質量；6）運營管理（住宅建筑）、全生命周期綜合性能（公共建筑）。根據超高層建筑的主要適用于商業和辦公，可知超高層建筑的評價屬于公共建筑的范疇，因此只需要將評價標準中的公共建筑部分分析。綜合分析標準的內容，結合超高層建筑特點，在超高層建筑結構選型評價體系中，將綠色性能作為評價體系中一項重要因素，包括：室內外環境、能源利用、水資源利用、材料資源利用與回收、全生命周期綜合性能。

3.超高層建筑結構選型模型構建

超高層建筑結構選型可以分為兩部分即上部結構的選型和基礎結構的選型，依據建筑物功能、國家設計規范、工程地質條件、施工技術、工期和環境方面的要求，構建超高層建筑結構選型模型，體現出超高層建筑結構選型科學性、先進性、經濟性。

3.1結構選型模型構建原則

（1）科學性：根據超高層建筑發展的實際情況，在已有科學研究基礎上建立模型。

（2）全面性：將超高層建筑結構選型的可能影響因素全部考慮在內，力求模型內容的全面性。

（3）創新性：結合超高層建筑發展中遇到的問題，針對當前建筑業發展提出的綠色節能要求，基于現在的研究成果，增添更加合理的約束條件。

（4）有效原則：模型中的每一個約束都能夠體現超高層建筑結構優選的必要性，在綜合評價中體現出有效性。

3.2結構優選模型的構建與各因素函數的確定

將超高層建筑結構選型各種要求與約束因素轉化成對超高層建筑結構選型起關鍵作用的四個目標級性能指標，構建能全面評價超高層建筑結構的目標模型。

3.2.1功能與美學價值性能 [15]

功能與美學價值性能主要體現在以下幾方面，此項由建筑設計的專家進行評判，確定其隸屬度。

（1）功能空間適應性

近期功能空間適應性和功能空間使用彈性適應性組成了功能空間適應性，近期功能空間適應性是指針對不同類的超高層建筑的建筑空間需求滿足程度。功能空間使用彈性適應性是指空間布局和功能空間改變能夠在一定程度上滿足變動的需求。

（2）體型規則性

體型規則性包括平面體型規則性和整體外立面的體型規則性，兩個方面綜合考慮，超高層建筑呈現出的功能與美學價值

（3）結構系統美

單體視覺美、外部環境系統協調美、內部功能系統的協調美、結構系統的技術美共同組成了結構系統美。

3.2.2理論性能[6]，[11]

結構設計基本規定，超高層建筑必須有理論作為支撐，確保建筑結構的適用性、安全性、耐久性。此項由結構設計的專家進行評判，確定各項的隸屬度。

（1）剛度合適性：包括設防烈度與設防風壓、總側移限值、層間位移角限值、舒適度要求、設備運行與裝修限值。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》，由結構設計的專家進行評判，確定各項的隸屬度。

（2）高度合理性：結構高度限制、結構平均層高限值，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》，由結構設計的專家進行評判，確定各項的隸屬度。

（3）空間整體性：設防烈度、長寬比、平面規則性，設防風壓、高寬比、設防烈度根據《高層建筑混凝土結構技術規程》，由結構設計的專家進行評判，確定各項的隸屬度。

（4）布局合理性：豎向布局合理、平面布局合理，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》，由結構設計的專家進行評判，確定各項的隸屬度。

（5）抗震與防風性能：能耗減震性能要求、抗震損傷性能要求、振動反應控制要求、風振反應控制要求、場地類別、遠近震類別、結構自振周期，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》，由結構設計的專家進行評判，確定各項的隸屬度。

3.2.3經濟性能[6]

為了能夠實現投資的高回報，需要通過對超高層建筑結構起關鍵作用的因素進行評判。此項施工管理方面的專家進行評判，確定其隸屬度。

（1）結構用鋼量：超高層結構平均最優用鋼量是處于70～150kg/m2之間[7]，根據各方案確定其隸屬度。

（2）預估工程造價：根據各方案的估價計算其隸屬度

（3）建筑面積：根據各方案的估算建筑面積計算其隸屬度

（4）施工工期：根據各方案的預估工期計算其隸屬度

（5）施工技術：專家給出施工技術的難易標準，然后確定其隸屬度。

3.2.4綠色性能[10]

在超高層建筑結構體系中，綠色建筑評價標準應作為超高層建筑結構方案的重要組成部分。綠色性能就是基于《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006 與超高層建筑結構設計相結合確定的影響因素。此項施工方面的專家進行評判，確定其隸屬度。

（1）室內外環境：根據《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006，由專家確定其隸屬度

（2）能源利用：根據《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006，由專家確定其隸屬度

（3）水資源利用：根據《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006，由專家確定其隸屬度

（4）材料資源利用與回收：根據《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006，由專家確定其隸屬度

（5）全生命周期綜合性能：根據《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006，由專家確定其隸屬度

4.多層次模糊綜合優選數學模型運用[13-14]

4.1多層次模糊綜合優選數學模型

（1）超高層建筑結構的設計是一個復雜的系統，超高層建筑結構優選需要從多個方面考慮，深入的層次多，進而運用多層次模糊綜合評判，將因素集U分成k個互不相交的子集，U={U1，U2，……，Uk}；每一個子集Ui（i=1，2，……，k）即看做U的約束因素，按照各約束因素在U中所起的作用大小，確定其權重分配，即約束因素的權重向量W={W1，W2，……，Wk}，由專家確定各因素的隸屬度，構成矩陣P，Ui模糊綜合評判結果向量Hi=Wi×P={hi1，hi2，……，hin}（i=1，2，……，k；n表示方案的個數），Hi組成總的評判矩陣

可以得到多層次模糊綜合評判矩陣

B=W⊙H=（B1，B2，……，Bn）（n表示方案的個數）

（2）綜合評判

利用矩陣的模糊乘法得到綜合模糊評價向量B B=W⊙H（其中⊙為模糊乘法），根據運算⊙的不同定義，可得到不同的模型

該模型得到的評判結果除了突出主要因素的影響以外，也反映了非主要因素的影響。