上海中心大廈綠色創新設計淺析

任宇奇

摘 要：進入21世紀以來，超高層建筑接連涌現。隨著科技的發展與建筑水平的提升，建筑師們不斷刷新著超高層建筑高度的記錄，許多挑戰也隨之而來，其中最大的問題當屬能源問題和環境問題。為了迎合時代的主題，走可持續發展的路線，上海中心大廈采用了許多綠色環保的創新設計。本文將從上海中心大廈節約土地的手段、節約材料的綠色設計、能源節約與再利用、空中花園環境設計以及BIM技術在的應用這五大方面簡要介紹上海中心大廈的綠色創新設計。

關鍵詞：建筑設計；節能環保；BIM

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0001-02

1 工程概況

上海中心大廈坐落在中國上海浦東陸家嘴金融區，建筑的高度為632米，是目前我國的第一高、世界第二高建筑。地上部分共124層，建筑面積38萬平方米，分為9個區段，每個區段之間都設置設備層和避難層；地下建筑面積為14萬平方米。裙房高38米，其中地上有7層，地下有5層。上海中心大廈是一座迎合21世紀綠色創新理念的多功能綜合性大廈，集觀光、辦公、商業及酒店為一體，是以綠色、文化、智慧為核心理念的垂直生態社區。

2 綠色創新設計淺析

2.1 節地與室外環境

上海中心大廈的建筑面積大約和上海外灘面積相同，是一座在3萬平方米的土地上建立出的建筑面積為57萬平方米的垂直城市。這極大的節約了土地面積，減少了人均占有面積。但是，想蓋出這樣一座超高摩天大樓并不容易，它所在的區域既是高樓林立的密集區，又是軟土區域，所以在地基的設計施工上需要花費很多功夫。對此，施工人員設置了近千根個長86米的鉆孔灌注樁，而后一次性澆筑約6萬立方米混凝土，形成一個厚度達6米的基礎底板，在其上進行基礎的進一步施工，極大程度地減小了軟土給大樓帶來的潛在危害。

2.2 節約材料的綠色創新設計

上海中心大廈迎合綠色的設計理念，所以在保證大樓的各項性能達標的前提下，要盡可能地節約材料，為此，設計師們設計了如下方案：

（1）大樓采用了巨型框架-核心筒-伸臂桁架的抗側結構體系，其主要結構為筒中筒結構，里面為鋼筋混凝土核心筒，從核心筒延伸出伸臂桁架與通過環形桁架固定成束的八根巨型鋼柱組成的外圈受力體系固定在一起，外面為圓三角形玻璃幕墻筒。這種結構設計充分利用筒體優秀的抗彎性能，均勻分散應力，這樣既能夠提高大樓的抗側力性能（抵抗風荷載和地震作用），又能使得大樓的抗震性能提升，同時還能高效利用材料。

（2）上海中心大廈自振周期大于9s，由于超高層建筑高處風力很大，當到達臨界風速時，建筑物周圍會產生漩渦脫落現象，造成渦激振動，超高層建筑易受渦激振動而產生附加的橫向風荷載，因此超高層建筑的抗風設計比一般高樓的抗風設計需要考慮的因素更多。上海中心大廈的設計師們采用了契形立面、截面變化和圓弧倒角三種有效減小風荷載系數的空氣動力學優化方法，有效減小了橫向風對大廈的作用力。為了進一步優化，設計師按比例對上海中心大廈進行同比例縮放，采用剛體高頻測力天平的方法，分別對扭角為100°、110°、120°、180°；頂部平面尺寸收縮比例為25%、40%、55%、70%、85%的大廈縮放模型進行風洞實驗，最終確定了以扭轉角為120°，平面尺寸沿豎向收縮到底部尺寸為55%為最佳的外形設計方案。此外，上海中心大廈頂端安裝了TMD調諧質量阻尼器以減小在水平荷載作用下的橫向加速度。使用這種設施，雖增加了千分之二到千分之三的總質量，但可以大幅度減小建筑的加速度響應。上海中心大廈也因采用了TMD的方法使得大廈的舒適度水平由不采用時的H-30（不到30%的人群能感受到晃動）變為H-10（不到10%的人群能感受到晃動）。

（3）對結構的大型構件和關鍵受力構件，從截面選型、承載力、抗震延性等方面進行了研究并對其進行優化設計，創新性地使用了異形鋼混結構，充分發揮材料性能；對關鍵復雜連接節點，即伸臂桁架與巨型柱連接節點、伸臂桁架與核心筒連接節點的創新設計，結合理論分析并進行試驗，驗證了其設計的合理性。

（4）超高層建筑樓面活荷載滿布幾率較小，因此，上海中心大廈的設計師們將承重面的模型分解為多段，并逐段分析受力情況，綜合考慮了最不利分布情況并結合實際發生的可能性，使活荷載系數得到優化，累計減少用鋼量約12000t。

2.3 節能與能源的有效利用

綠色建筑強調對資源的節約和循環利用，上海中心大廈綜合節能率大于60%，可再循環材料利用率大于10%。大廈有許多綠色環保、節約資源的創新設計，這些設計既體現在施工過程中的資源節約，又表現在大樓實際運營中能源的再利用。其部分設計如下：

（1）在大廈頂部和周圍地表配備雨水收集裝置，將所得雨水儲存于位于大廈地下的儲水池中，用作澆灌室內花園草坪、辦公樓衛生間沖水等用途的中水。其利用率可達到25%。

（2）上海中心大廈作為超高建筑，其上部風能儲備非常充足，高空的年平均風速達每秒8～10米，十分適合風力發電。因此，工程師在大樓的最頂層設立風力發電系統。該系統共配備270臺風力發電機，總額定功率為135千瓦，每年為大廈提供119萬度電。

（3）上海中心大廈采用燃氣冷熱電的三聯供節能系統。系統以天然氣為主要燃料進行燃燒，通過燃氣發電設備進行發電。之后，通過余熱回收設備對燃氣發電設備發電后的余熱進行回收，向用戶供熱或供冷。三聯供的節能系統的應用，使一次能源的利用率發揮到極致。大廈同時也配備地源熱泵即充分利用地下的恒溫，夏天通過循環水給室內降溫，冬天則通過循環水給室內升溫，達到節約能源的目的。

（4）就地取材，建造大廈的材料70%以上都取材于本地或距施工現場不超過500千米的地方。工程施工環節的廢棄物再利用率高達百分之七十到百分之八十。endprint

2.4 室內環境設計

上海中心大廈是一座以綠色、文化、智慧為核心理念的垂直生態社區，旨在打造一個健康、舒適的室內環境。大廈共9個分區，幾乎每個分區的底部隔一定角度就設有一個空中花園，大廈共有21個這樣的空中花園。花園內視野廣闊，可將上海風光一覽無余，為在大廈內部的人們在工作之余提供了生機盎然的修整娛樂空間。通過綠色節能系統的設置，巧妙的將摩天大樓與綠色生態聯系到了一起：

智能照明系統最大程度地利用室外的陽光，不在工作時間時，大廈的照明系統會自動關閉，在工作時間段，智能照明系統將會根據室內人員的人數的多少按程序設定，控制窗簾的開啟與閉合，同時控制光源的盞數來將室內的亮度控制在一定范圍內。除了空調系統能夠自動調節溫度以外，當室內二氧化碳的濃度達到設定限值的時候，新風系統會自動向室內輸送新鮮空氣。這套室內智能系統平均每年節約相當于4000t煤的燃燒所產生的電能，并減少約10000t二氧化碳的排放。

2.5 BIM技術在建筑中的應用

BIM（Building Information Modeling），是21世紀在工程建設領域興起的一種信息技術手段，能夠利用計算機模擬建筑從設計施工到后期運營管理的整個生命周期。

上海中心大廈的工程規模龐大，施工風險極大，且施工過程中涉及多家公司參與決策，各方進行交流時的協調性會大大降低，此外在大樓正式運營時的物業管理也十分繁雜。與AutoCAD相比，BIM能夠通過3D可視化界面模擬建筑的整個施工過程，將問題解決在實踐之前，對于上海中心大廈這樣的超級工程來說，BIM技術的應用勢在必行。

BIM技術能夠實時模擬大廈的施工進程，能夠將設計、施工、后期管理維護串聯整合到一起，使得不同領域的工作人員能夠在一個平臺上溝通與合作。既能提高決策的效率和質量，又可以減少施工過程中配合不默契，誤解糾紛情況的發生。BIM技術配合全周期的健康監測系統能夠有效控制誤差的積累蔓延，從而提高工程質量。

3 總結與展望

上海中心大廈作采用的許多設計與施工技術在中國乃至世界建筑史上是史無前例的，獲得了不少國內、國際上的殊榮。雖然綠色建筑在建造時要增加3%～5%的投資，但是在未來的運行中會降低20%左右的能耗，不僅迎合當今時代綠色環保的主題，還能夠帶來持續的經濟效益。上海中心大廈作為我國綠色超高層建筑的先驅，為中國的綠色超高層建筑的發展起到了先鋒的帶頭作用。與此同時，我們也看到了綠色建筑光明的發展前景。在這個大力倡導可持續發展能源戰略的時代，建筑的意義已經不僅僅止步于滿足人們基本需求的工作生活場所，還結合了許多綠色創新理念，相信在以后，更多類似的綠色建筑會被應用到實際的設計施工當中，步入快速發展的快車道。

參考文獻

[1]顧建平.上海中心大廈超高綠色建筑[J].建筑技術開發學報，2015，（02）：19-20.

[2]丁潔民.上海中心大廈綠色結構設計關鍵技術[J].建筑結構學報，2017，（03）：134-140.

[3]趙昕.上海中心大廈結構抗風設計[J].建筑結構學報，2011，（07）：1-7.

[4]周志浩.楊暉柱.張其林.BIM技術在上海中心大廈結構健康監測中的應用方案設計[J].現代結構工程學術討論會.

[5]范宏武.從節能環保角度談超高層建筑的可持續發展？——以上海中心大廈為例[M].中國學術雜志電子出版社，2016，（03）：22-24.endprint