超高層建筑設計中容易出現的問題及解決方案

郭菁 煙臺市建筑設計研究股份有限公司

1 引言

根據GB 50352—2019《民用建筑設計統一標準》中的規定，高度超過100m 的建筑為超高層建筑。城市中的商業辦公建筑、居民住宅建筑都存在超高層建筑設計方案，高度的增加導致其在建筑基礎、供水、消防、抗震性、垂直交通等多個方面都存在較大的設計難度。此類工程項目投資金額大、容納人數多，必須從技術層面解決好以上難點，否則會導致嚴重的安全和經濟隱患。

2 抗震設計

2.1 抗震等級

抗震等級的確認受到建筑層高及建筑基本環境條件等多方面因素的影響。根據建筑工程建設的標準化要求，抗震等級需要結合項目建設的實際需求和宏觀上的標準要求進行合理設計。在設計工作的開展中，抗震等級的設計是最為基礎的條件，一旦抗震等級的級別層次確定后，一系列的設計和建設工作都需要以符合此抗震等級為前提進行開展。顯而易見，建筑物高度越大，其抗震設計的難度就越高，國家對不同類型建筑物的抗震設防程度提出了差異化的要求，根據GB 50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》，將其分為四類，具體要求可參考表1。地震的發生概率以及地震的強度與各個地區的地質特點密切相關，因此，不同地區在抗震設防烈度上也提出了不同的要求，在地震烈度較小的地區，一般將超高層建筑的抗震設防烈度限制在6度～8度之間，以8度居多。有些地區地震風險較高，易發生較大的震級，其抗震設防烈度一般為最高的9級。高層建筑在設計階段必須結合當地的抗震設防要求以及建筑物的高度和結構特點，選擇合理的抗震設計等級，確保建筑物的安全性。

表1 建筑抗震設計分類

2.2 提升高層建筑抗震性的技術方案

（1）加強地基的設計。地基在超高層建筑中發揮的作用更為重要，層高逐步升高后，對地基的穩固性以及地基建設中所應用技術的科學性都提出了非常高的要求。因此，地基建設的前期設計工作也應當在技術含量和設計思路的創新性上達到一定的程度。在地基設計中，要確保設計工作能同時滿足既定的標準化要求和工程項目建設的實際需求，在此基礎上才能從根本上取得更好的效果。超高層建筑的主體結構對地基可產生巨大的載荷，而地基的埋深、構造方式以及施工材料等將會決定其性能和承載力，高度達到632m 的上海中心大廈地基深度高達86m，大廈地基中設計了980個樁基礎，并且利用混凝土澆筑了一個厚度達到6m的基礎底板；（2）主體框架結構。除了基礎之外，地面上構筑物的主體框架結構也在很大程度上決定了超高層建筑物的抗震等級，根據現有的工程項目案例，常用的結構形式包括了筒體、筒中筒、框架核心筒、巨型結構、連體結構等，有些建筑物創新性較強，采用了獨特的結構類型。主體框架結構是最核心的承重結構，其剛度、抗剪性能等都會影響到高層建筑的抗震性，因而必須加強力學論證[1]（詳見表1）。

3 消防設計

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

3.1 避難層設計

為了防止人員在火災發生時出現擁擠、踩踏或者無法快速撤離等情況，根據建筑物的整體高度，采取分層設計避難層的方案，避難層要分流人員，每一個避難層負責容納一定樓層數量內的避難人員。當處于建筑物中上段的人員無法安全撤離時，可在避難層臨時停留，等待專業救援。

3.2 消防電梯和疏散樓梯

消防電梯用于在火災情況下為消防人員上下通行提供便利性，同時還可借助這種電梯將高層建筑上層的人員運輸到地面或者其他安全的地方，消防電梯的數量和分布要根據建筑物的特點來確定。除了消防電梯外，高層建筑還應該設置防火消防通道，一般為樓梯，根據建筑物結構特點，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

高層建筑的煙囪效應會導致失火的情況下出現快速的火勢蔓延，并且內部材料在燃燒的過程中還會產生大量的有毒有害煙氣，容易造成人員窒息。防火分區能夠有效阻斷火勢蔓延，而防煙分區可避免煙氣充滿整個建筑空間，為人員逃生創造有利的條件。通常可按照每30層～35層設計一個局部區域，并配置電梯設施。

3.4 施工材料控制

超高層建筑的主體結構、室內裝飾、外立面施工、電氣配置等應該優先選用難燃、不燃的材料，減少燃燒情況和有毒煙霧的產生量，降低火災發生時的危害性，這是從本質上提高防火效果的重要措施，在火災火警和自動滅火系統的配合下，可取得良好的消防設計效果[2]。

4 給水設計

給水系統整體規模的覆蓋范圍以及設計的合理性都是影響給水設計質量的關鍵指標。在設計工作的開展中，給水設計的基本要求是通過壓力指標，對給水效果進行同步的控制，另外給水系統設計工作的開展還需要重視基礎原材料和其他影響因素，通過合理的設計規避某些影響因素，最終確保設計對功能的發揮起到促進作用。建筑高度增加對給水系統增壓設計帶來了一定的難度，并且給水系統承擔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+變頻供水”，這種設計方式的優點是在保證供水和傳輸的大前提下，水箱內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，系統承受的壓力也更小。當然，任何技術都存在一定的缺點，變頻供水的成本較高，管材消耗大，因此要定期對使用的管材進行檢查和更換，確保管材質量，才能在危險發生時及時快速滅火。其二是“傳輸系統+水箱供水”，這種設計方案的優點是供水的可靠性較高、水壓穩定性強、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計位置和避難層是一致的，因為避難層對建筑物用戶沒有過多的使用價值，因此，將水箱和輸水設備布置在該層可為業主節省更多的使用空間，在保障安全性的同時，空間更大。實際上，以上兩種供水方式具有的各自優勢和缺點，在建筑給水設計中可將其綜合在一起，形成優化的配置方案。消防用水也是給水系統設計的重點，主要包括自動噴淋系統和消火栓的供水設計，由于消防供水對壓力要求較高，可分為常高壓和臨時高壓，或者二者的組合[3]。通過設置有效的消防設備，一旦發生危險可以快速提供撲滅火災的水資源，最大化保證建筑使用者的安全。最后，給水設計還需要充分考慮對水資源和能源的節約，這也是符合可持續發展的基本要求，現代超高層建筑的設計工作更需要把握住節能環保的基本原則，通過設計工作的開展最大化的實現資源的充分利用。只有對水資源做到最大化的利用，才能夠說明建筑設計的合理性達到了最佳狀態。

5 電力供應設計

電力供應是現代社會背景下超高層建筑設計中最為基礎的設計環節之一，且在具體落實的過程中，也需要綜合考慮多方面因素的影響，確保設計工作的效果和具體落實符合超高層建筑項目的實際需求。這不僅是保障電力供應設計能夠充分發揮作用的前提條件，也是體現現代建筑背景下電力供應設計科學性和有效性的途徑。超高層建筑的電力供應設計以安全、穩定、節能、節約電力電纜等為設計重點。在安全性設計方面，必須充分論證電力負荷、電流強度、用電設備以及導線截面積等影響因素。此類建筑物一旦電力供應中斷、電梯停運、照明失效，所產生的負面影響會非常大，為了避免出現這種不良局面，一般要配置專門的備用電源，將柴油發電機組設置在建筑物的地庫層作為應急電源。超高層建筑的主電源一般為高壓市政電，因此要設計專門的變配電系統，該裝置的部署位置直接決定了低壓用電線路的布置方式、線路長度、線路損耗以及線纜采購成本，為了實現節能、節材的目標，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到最優設計，減少整體的線纜采購成本。另一方面，電力供應的設計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勢，在建筑物主體結構上設計有風力發電裝置，減少了對市電的依賴性，同時降低了建筑物的能耗水平。最后，超高層建筑物內部的電力線纜、通信光纜等都要采用綜合布線的方式來設計，其目的是減少線路布設占用的空間以提高室內環境的整潔性，尤其要盡可能節約豎井占用的空間，為建筑物的業主方留出更加充足的使用空間[4]。

6 垂直交通設計

超高層建筑中的電梯配備是電力用戶的基礎配備結構。因此，電梯結構數量和運行等方面的設計也是超高層建筑設計工作中非常重要的組成部分。作為設計人員，一方面要考慮超高層建筑的安全問題，確保電梯在設計和應用效果方面的安全性，另一方面也要從電梯設備的基礎特征和運行需求出發，在滿足電梯運行需求的基礎上，實現其與高層建筑的融合設計。電梯是超高層建筑物垂直運輸最重要的工具，此類建筑物的樓層數一般可達到40層以上，對于高度為數百米的高層建筑，可采用分區設計的方案，也就是將樓層分為高、中、低三個區域，每一個區域的電梯獨立運行，不同區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計，是因為當建筑物高度過高時，沒有可與之匹配的規格的電梯，若單獨定制電梯又會導致成本過高，電梯的安全性也難以保障。電梯的數量和分布位置是影響高層建筑垂直通行效率的關鍵因素，在設計過程中要結合人員數量、樓體結構合理布置。電梯既可布置在建筑物內部，也可布置在外側（獨立于核心筒），前一種對電梯的保護性更強，但是會占據建筑物的內部空間，后一種布置在核心筒之外，可節省內部空間，具體采用哪一種方式，可結合實際情況確定。采用分區設計的方案還具有其他方面的優勢，高層建筑內部的生活保障一般也是分區設計的，因為上下一次的時間較長，分區設計的靈活性更好[5]。

7 抗側向風設計

隨著整體層高的提升，風力以及自然環境中的一些因素對建筑設計效果的影響也更加地突出，側向風就是超高層建筑設計工作中需要注意的一個重要因素，在設計工作中，首先要對側向風問題引起充分的重視，并且通過設計工作的開展，以精確的數據計算和有效的防護措施盡可能減小側向風對超高層建筑的不利影響，體現出超高層建筑的技術含量和質量水平。地面上的風力受到樹木或者其他構筑物的影響，一般都比較低，不易對建筑物的安全性造成影響，但是在數百米的高空，風力作用會顯著增強，超高層建筑的迎風面積大，基礎占地面積通常又比較小，上部結構在風力作用下會產生力矩效應，導致其產生搖擺的現象，長期的來回搖擺會增加結構物的損耗，使其產生疲勞，進而可能危害建筑物的安全性。上海中心大廈的頂部在風力作用下可產生明顯的搖晃，幅度可達1m以上。為了增強超高層建筑物抵抗側向風力作用的能力，可從多個方面加強設計。（1）強化建筑物基礎設計。上部建筑物在風力作用下產生的力矩對底部基礎的影響最大，因為力矩效應在底部時達到最大，因此，基礎結構必須達到足夠的強度、剛度以及穩定性。（2）外立面設計。外立面設計的美觀性和功能性是設計工作追求的重點。在具體的設計工作中設計的造型，也會影響到整個超高層建筑的功能效果發揮。因此，設計人員應當綜合考慮多方面因素，用專業的方法和具有創新性的科學思路指導設計工作的開展。流線型的外立面可促進空氣快速通過，減少“兜風”的效應，優秀的外立面設計效果可大幅降低風載荷，減少風力干擾。（3）設置阻尼裝置。在超高層建筑物上設置阻尼器可起到抑制沖量、減緩力學振動以及消耗動能的作用，風力作用往往并不規則，建筑物的擺動方向也會不斷變化，當建筑物擺動時，阻尼器會朝著相反方向擺動，從而抵消其能量，減少擺動的幅度[6]。

8 結束語

超高層建筑物的結構安全性和抗震性能與建筑物基礎、主體框架結構、外立面形式以及抗震阻尼關系密切，垂直交通系統主要依靠電梯，根據建筑物的高度采取分區設計的方案。消防系統的重點是控制好耐火材料、防火分區、防煙分區、避難層以及消防電梯。超高層建筑的電力供應系統將變配電裝置設置在樓層中部，以實現節約電力線纜、降低線損耗的目的。