超高層建筑設計中容易出現的問題及解決方案探究

張珊珊

摘 要 隨著人們對于住房的需求不斷增多，以及建筑行業的不斷發展和施工技術的不斷進步，建筑工程逐漸趨向于高層乃至超高層。但是超高層建筑工程面臨著許多方面的問題，如防震、防火、保持穩定等安全問題，以及給排水、暖通等功能性問題，這些都需要在超高層建筑設計階段充分考慮，也是設計階段經常出現問題的方面。本文將針對這些問題展開討論，并提出解決建議，以供同行業者參考。

關鍵詞 超高層建筑 建筑設計 抗震設計 防火設計 給排水設計

中圖分類號：TU972 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0100-03

1 超高層建筑概述

超高層建筑，顧名思義，就是高度很高的建筑工程，我國的國家標準明確，超過40層，總高度超過100米的建筑屬于超高層建筑;而世界建筑學會的新標準則認定高度超過300米的建筑為超高層建筑。超高層建筑是建筑行業以及建筑施工技術不斷發展進步的體現，也是一個國家經濟發展水平的體現，并且具有合理利用土地資源、滿足人們住房需求等價值。但是過高的建筑高度也使超高層建筑面臨著各種各樣的風險和問題，因此在超高層建筑的設計過程中，必須要綜合考慮這些問題，并妥善解決，才能使超高層建筑的價值得到真正發揮，否則這些問題將嚴重影響超高層建筑的使用安全，造成資源的浪費[1]。

2 超高層建筑設計問題分析

針對超高層建筑在設計過程中經常出現的問題，本文將做以下總結分析。

2.1 抗震設計問題

超高層建筑的抗震設計具有很大的難度和很高的水平要求，在抗震設計中經常會遇到以下問題，需要重點關注并解決[2]。

首先，結構設計問題。超高層建筑的結構平面設計通常會存在形狀不規則、整體不對稱、形狀變化尺度大、結構平面剛度與現狀不均勻等一系列問題，將影響建筑整體的抗震性能。

其次，超高層建筑的設計中在大廳的角落、外墻的轉角處、縱墻與山墻的連接處等關鍵位置缺少抗震構造柱的設計，或者不是成雙出現。

2.2 防火設計問題

超高層建筑的結構復雜，功能、設備較多，存在著許多引發火災的風險，而一旦發生火災造成的損失更大。在超高層建筑的防火設計中經常存在以下問題：

2.2.1 發生火災后疏散困難

超高層建筑建設所需的原材料、設備中有許多具有可燃性，這些可燃物會形成縱向的煙囪，在發生火災時，這些縱向煙囪會形成拔風抽力，并促進火災迅速蔓延，煙氣彌漫擴散，而建筑越高，這種拔風抽力就會越加增大[3]。通常超高層建筑中容納的用戶、工作人員及其他人流量較多，一旦發生火災，樓層太高樓梯逃生速度慢，而消防電梯的承載能力也有限，上下也需要一定的時間，這些因素都導致了超高層建筑發生火災后人員疏散的困難，存在著許多潛在危險。

2.2.2 火災撲滅困難

超高層建筑的周邊場地小，消防救援的登高高度有限，超高層建筑內部的人流量又多，火勢蔓延較快，這些都增加了撲滅火源的難度[4]。

2.2.3 消防水供水系統效果不好

消防水系統與自動滅火系統和自動報警系統應當有效地聯系在一起，它們共同構成了超高層建筑的防火設施，對于超高層建筑的防火具有重要作用。但是超高層建筑的消防水系統在設計中往往存在著效果不好的問題[5]。第一，在設計消防水供水系統時需要對消防水的用水量進行預估，但是有的設計人員對于超高層建筑的實際情況缺乏調查了解，往往會導致對用水量的錯誤估計，如果設計的容量小了，將難以發揮出消防水系統的重要滅火作用。第二，由于超高層建筑的高度限制，往往會導致水壓不夠，難以滿足高層的消防栓用水的壓力，導致無法出水，高樓層消防栓形同虛設。第三，有的超高層建筑的消防水管道使用大管徑的明管，且沒有采取適當的防火措施，就會導致火災發生時，管道被火勢直接貫穿，導致消防水供水系統的防火作用受限。

2.3 給排水設計問題

2.3.1 給水系統分區不合理

超高層建筑的給水系統也是設計的一大難點，時常存在系統分區不合理的問題。第一，給水分區和方式不合理。有的超高層建筑在進行給水系統的分區時，只是分為低區和高區，此時，如果想要滿足供水壓力較低的區域的用戶用水需求，就必須提高全區的供水壓力，這樣就會導致部分樓層的供水壓力遠遠高于需求，浪費資源和能源，并且會增加供水系統運行的成本。第二，給水方式選擇的不合理。對于低區，通常使用高位水箱的方式供水，在給低區的最高用水點供水時，高位水箱容易提升壓力，但是往往會導致本區最低處的供水壓力過大，用水時會使水量猛增，容易造成用水管道的破壞;而對于高區選擇屋頂水箱給水方式，通常會遇到提壓困難的情況，使高區最高層供水的水壓過大，無法正常供水，導致用水的困難。

2.3.2 排水系統設計不完善

超高層建筑的排水管道較普通建筑要長很多，連接的廚衛用具較多，這樣就容易導致管道內的污物、雜物過多堆積，容易造成廚衛器具水封的損壞，導致污水管道中的臭味上返至家中，嚴重影響室內的空氣。另外，管道長時間使用會發生老化的現象，在屋面吊頂位置的管道容易因老化而造成滲漏，造成對室內裝修的破壞，而內部管道的維修更換通常比較困難和繁瑣。有些設計人員在設計雨水排水管道時，為了節省建設成本，會將雨水管道與陽臺的排水管道合并，這樣一旦管道堵塞，雨水就會倒灌至室內，造成室內家具、地板等被水浸泡，給用戶造成嚴重的損失，且影響正常生活。

2.4 外觀和結構設計的問題

2.4.1 平面設計問題

第一，設計人員在進行超高層建筑的平面設計時，沒有對建筑的功能分區進行合理的考慮，導致建筑的平面設計無法滿足其設計的功能。第二，在進行平面設計時沒有考慮到其對建筑立面設計的影響，在進行平面設計時按照功能來布置，就需要對建筑立面進行調整，但是這樣就會對建筑的整體結構和造型帶來不良的影響。第三，在進行平面設計時沒有綜合考慮其他專業分項工程的需求，導致無法有效配合，使其他的專業項目無法進行合理的設置。第四，在設計時沒有考慮到房屋的整體力學結構，僅僅是從房間位置、造型等方面考慮，給后期房屋結構、承重力等設計帶來困難。

2.4.2 立面設計問題

第一，立面設計缺乏統一和美感。在進行超高層建筑的立面設計時，無法達到陽臺、墻面、門窗與遮陽板的協調和統一，使建筑立面外觀缺乏美感。第二，建筑立面的設計過程中，運用對比手法時無法達到整體的協調性，往往會喧賓奪主，破壞建筑的整體形象與外觀。

3超高層建筑設計中存在問題的解決對策

3.1 防震設計

根據以往地震對于建筑物的破壞的經驗來總結，地震對于建筑物的破壞的能量首先來自地面，然后通過建筑物的結構逐層向上傳遞，因此，我們可以通過最大幅度地減小建筑物底部的移動，來減少向上傳遞的破壞性能量，從而減小高層的破壞程度。基于這一經驗，對于超高層建筑的抗震設計可以采用提高基礎隔震能力的方式來提高整體的抗震性能，如采用軟墊式、滑移式等隔震方式。軟墊式隔震是通過在建筑物底部基礎設置一層帶鋼板的橡膠式隔震軟墊，在發生地震時，建筑物底層的位移就會相對較小，主要的受力部位集中在軟墊位置，向上的能量傳遞相對很少，能夠有效地避免建筑物上層結構的破壞。

3.2 防火設計

3.2.1 整體防火結構設計

建筑物防火的原理就是盡可能地減少引發火災的因素，降低火災發生的概率，同時促進火災及時快速地撲滅，這樣能夠有效地減少火災帶來的危害。就整體布局來說，要對超高層建筑的整體結構進行防火優化，主要要點有：第一，在設計超高層建筑的位置時，要保證與其他建筑物保持安全距離，減少建筑物之間火災蔓延的可能性，并可以減少建筑物倒塌對相鄰建筑帶來的威脅。第二，在超高層建筑設計時必須預留出多條消防通道，且消防通道距離建筑物外墻不超過5米范圍，以保證消防救援能夠及時、順利到達。

3.2.2 耐火設計

要使超高層建筑達到較好的防火效果，就要提高建筑物本身的耐火能力，即提高建筑物對于高溫和火焰的承受能力。因為較差的耐火性，容易使建筑物在高溫和火焰的作業下產生燃燒變形，最終發生傾斜或倒塌。超高層建筑的耐火設計的關鍵要點就是要選擇耐火的建筑材料，這些材料要能夠承受住至少1500度的高溫而不發生形變。

3.2.3 疏散通道設計

合理地設計疏散通道是超高層防火設計的一個主要內容，能夠有效地減少火災帶來的生命安全損失。疏散通道的設計要點就是要合理地設計疏散的方式和路線，保證人員能夠及時地撤離到安全地帶，應當注意以下內容：第一，綜合考慮安全通道和線路的布局，保證建筑中的每一用戶都能夠進入安全通道內;并要保證安全通道的容量能夠滿足該層設計的人流量并適當地做一定比例的擴大。第二，必須要合理設計避難層。因為一旦發生火災，高層的人員無法快速地到達建筑物外的安全地帶，因此就必須到避難層進行緊急避險，給救援提供時間。通常來說，超高層建筑每15層就應當設計一層避難層，并提高避難層的防火等級。第三，為了保障殘疾人和行動不便的人在火災下的安全，在進行設計時也要對這種情況加以考慮，例如可以針對這類人設置專用的避難室，保證能夠安全等待到救援。

3.2.4 合理進行防火分區

防火分區就是將某一空間劃分為各個小空間，并合理利用防火的材料，有效地將火勢控制在一定的范圍內，來實現阻隔火勢蔓延的目的，從而為人員撤離疏散和火災救援提供寶貴的時間和有利的條件。因此在超高層建筑的防火設計中，要根據其結構和功能分區合理地設計防火區位置，實現有效的防火目的。

3.2.5 提高消防水的供水能力

第一，要保證消防水的用水量，以及高層消防用水的供水壓力。可以在超高層建筑的樓頂設置消防水儲備專用水箱，并使用氣壓罐來提高高層的供水壓力，保證高層消防用水的正常給水。第二，可以設計自動恒壓裝置，分別接入消防栓用水系統和自動滅火裝置系統，可以實現兩套系統同時供給消防用水，并且不會互相影響。第三，如果使用大管徑的明管，則必須同時配備防火套等防火裝備，防止管道被火勢貫穿，影響消防管道的正常運行。

3.3 給排水設計

3.3.1 合理設計給水分區和方式

對于超高層建筑的給水分區，應當根據建筑的實際用水需求和各樓層的實際給水情況、給水能力進行合理的分區，而不是簡單劃分為高低兩區。一般情況下，超高層建筑中，至多每12層能夠分為一區。通過合理的分區，能夠有效地減少供水的能源消耗，而且也方便后期的管道維護，停水的影響范圍也小。另外，對于給水方式，可以使用低位水箱和變頻方式聯合進行供水，避免各層供水壓力不均勻導致低層水壓過高管道損壞、高層水壓過小用水困難的情況發生。

3.3.2 合理設計排水管道，預留檢修口

要合理地設計排水管道，同時將排水管道與通風管道相互配合，減少排水管道的臭味氣體返回室內，保證排水管道的空氣流通。預留排水管道的檢修維護通道，以便后期能夠定期對管道更換維護，避免滲漏現象的發生造成用戶的損失。雨水管道與生活管道分開設置，不能為節約成本而混用，雨水管道的材質最好選擇抗壓性能較強的金屬管。

3.4 外觀和結構設計

第一，低層的入口設計。低層的入口設計要根據建筑物所在當地的氣候環境、季風特點等來合理設計。例如在北方地區，入口要避開冬季季風的風向，避免冷風從入口灌入，保證室內溫度。而在南方地區，則要考慮到夏季潮濕炎熱的環境，在進行入口設計時要考慮到通風散熱。第二，圍護設計。超高層建筑的高層必須要設置維護遮擋措施，避免高層墜落的風險，也可以增加用戶使用的安全感，減少恐懼心理。第三，服務設施設計。在進行超高層建筑的設計時，要考慮到建筑的整體性和服務性，預留服務設施的位置，提升建筑整體的體驗。

4 結語

超高層建筑在設計中不只是要考慮到其美觀性、壯觀性，還要合理設計完善其功能以及安全性能，因此在超高層建筑的設計中需要考慮的問題有許多，針對最常見的超高層建筑設計問題，如抗震設計、防火設計、給排水設計、外觀結構合理性設計等，要根據建筑的實際需求和施工場地的實際條件，來進行這些問題的合理解決，在保證超高層建筑外觀美觀的同時，要確保超高層建筑的功能性完好，安全性能較強，給用戶帶來更好的居住體驗。

參考文獻：

[1] 徐曉芹，柴文濤.談超高層建筑結構設計的重點問題[J].城市建設理論研究（電子版），2016（12）：1209.

[2] 許紅楓.超高層建筑防火設計問題研究[J].消防界（電子版），2020，06（17）：77-78.

[3] 潘柳.超高層建筑防火設計存在的問題以及解決措施[J].技術與市場，2018，25（02）：114-115.

[4] 趙和平.超高層建筑給排水設計中存在的問題與對策分析[J].中國新技術新產品，2014（06）：159.

[5] 劉海濤.淺談高層建筑給排水設計[J].科技創新與應用，2014，26（06）：131.