超高層建筑中應用及節能設計探究
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摘要：為有效緩解當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展迅速。但超高層建筑的建造要求以及節能設計均不同于常規建筑，傳統工程材料與節能設計方法已難以滿足超高層的建設需求與使用條件。為更好地提升建造質量，改善節能效果，總結介紹了高性能鋼材、高性能混凝土以及鋼管混凝土等幾種現代化新材料在超高層建筑中的應用現狀。指出了目前在超高層建筑節能設計環節中存在的不足，提出了針對性的改進方向。
關鍵詞：超高層建筑；新型建筑材料；綠色應用；節能設計
作為現代化城市的地標性建筑，超高層建筑往往是一座城市的象征，某種程度上已經成為城市經濟發展的衡量尺度。超高層建筑既可以緩解城市用地緊張的現狀，充分發揮“黃金地段”土地的經濟價值，也可以為城市創造新的人文景觀，豐富旅游景點，促進經濟發展[1-2]。近幾十年來，我國經濟迅速發展，超高層建筑隨之在各大城市相繼涌現，并呈現出如火如荼的發展勢頭，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的發展與應用，而超高層建筑的建設需求也在客觀上不斷催生著新型建筑材料的出現以及相關高科技產業的進步。對于超高層建筑而言，其建設中應用的材料主要包括三種，即鋼結構、混凝土結構以及鋼-砼組合結構[4]。其中，鋼結構具有輕質高強、抗震優良以及安拆快捷等優勢，但其防火性能較差，且綜合造價成本偏高，使其在超高層的應用受到限制。混凝土結構工藝成熟，抗壓能力好，取材便捷，后期維護費用少，且隨著其強度等級的不斷提升，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，且所制成的構件尺寸大，不利于建筑空間的充分利用。而鋼-混組合結構是將鋼材與混凝土結合應用的一種新型構造形式，又被稱為勁性結構，其能充分發揮兩種材料的各自特性，優勢互補，既有很強的承載能力，又能使自身尺寸盡量縮減，從而騰出更多的建筑使用空間。隨著科技水平的進步，擁有更高性能的新型建筑材料不斷出現。為將新材料合理應用于當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的前提下，使超高層建筑的建造過程更加綠色環保、節能節材，本文總結介紹了高張力鋼、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代化新材料的應用特性及其現狀，并指出了目前我國超高層建筑在節能設計環節中的不足，提出針對性的改進方法，以期促進我國超高層建筑建造的可持續發展。
1超高層建筑中的新材料應用
1.1高性能鋼材
目前，我國鋼結構產業得到了迅速發展，工業化生產水平不斷提高，促使鋼結構材料在超高層建筑中得到廣泛應用，尤其是大型結構件中。但同時，超高層建筑造型的多樣化及使用環境的復雜化，對其中所應用的鋼結構性能也不斷提出新的要求，主要體現在抗震性、可焊性、可塑性以及強度等方面。在工程實踐中，較為普遍應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度鋼，具有較高的屈服點，且比普通鋼材強度更大。同時，其不僅只是強度高，還包括優良的韌性、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連接，所形成的結構塑性好，在易發生地震的地區適用性突出。（2）低屈服點鋼材（阻尼器鋼材）。在超高層建筑中，阻尼器的應用越來越發揮出“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，包括強風、地震等，從而使建筑本身保持穩定。阻尼器大多采用特制鋼材制成，要求此類鋼材屈服點較低，在進入塑性變形階段前即發生屈服，從而保證足夠的變形能力用以消耗外部能量。故此，低屈服點鋼材應運而生，其主要被用于制造阻尼器內芯，也被稱為阻尼器鋼材[6]。該類鋼材的應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“熱機械控制過程”。此類鋼材主要是在壓延過程中采取受控熱軋（即加熱與壓軋）后，再實施聯機快冷工藝而成型。快冷的過程可使得鋼材以位錯形式儲存部分能量，提升強度，并可于受熱高溫條件下釋放該能量，減少淬硬性，增強韌性、加工性與可焊性[7]。TMCP新型鋼材憑借其優異的強度與可焊性，在強度要求高、斷面大以及尺寸厚的場合中得到了較多應用。（4）SN鋼。SN鋼是一種新型的建筑用結構鋼材。該鋼材通過特殊的工藝措施制成，顯著提升了鋼材強度及韌性，同時具備優異的可焊性及抗震性，因此在超高層建筑中應用廣泛[8]。目前，SN鋼材已經占據日本建筑結構用鋼的主流市場，其建造的超高層建筑適用于地震多發地區，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能要求也逐步提高。而高性能混凝土很好地響應了綠色節能要求，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、硅灰等工業廢料，利于碳排放的減少與環境保護，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超細粉。新型高性能減水劑的應用可降低水灰比，使混凝土和易性及流動性更加優異，與此同時使塌落度進一步提高，能保證混凝土實現更好的密實性。而礦物質超細粉的加入，不僅能通過推動水化反應，進而提升混凝土的密實性，而且可以優化混凝土的界面構造，將材料孔隙盡量充填，從而提升強度，延長其耐久性。高性能混凝土的準確定義，目前行業內尚未取得統一，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細粉料；免振自密實；早期強度高、體積穩定性好；在不良環境條件下長期強度好；韌性優異。自發明以來，C60與C80強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中展開了局部運用。隨著城市現代化進程的深入與發展，超高層建筑發展迅猛；而高性能混凝土憑借其優異的綜合性能，如高強度與高流態、可泵送性好與密實度高等，必將在城市超高層建筑領域得到越來越多的應用。
1.3鋼管混凝土（CFT）
在超高層建筑中，高張力鋼，即高強度鋼材的使用，雖使得構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，鋼管混凝土的結構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部而形成，相互協調制約，從而達到共同受載的目的。在受力機理方面，外部圍合的鋼管對其內部的混凝土起到套箍約束效果，使混凝土三向受壓，并具備更優異的變形性能及更高的抗壓強度[10]。鋼管混凝土具備優異的力學性能，如輕質高強、延性佳、抗沖擊性好、耐疲勞等，同時在工程建設中的可操作性良好，能達到節省工期、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，因此該結構形式一般不再另外配筋和配模。混凝土在工程應用中，其破壞大多為脆性模式，強度等級越高，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構設計亟需改進的問題。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生順鋼管的塑性變形，并呈現鼓曲形態，破壞模式也由原先的脆性轉變為塑性，破壞前有明顯的特征，有利于結構安全。在超高層建筑的建造中，鋼管混凝土柱的應用形式較為靈活，具備很強的替代性。在鋼結構建筑中，鋼管混凝土柱可以替代鋼柱，從而降低風致振動與鋼材使用量；在鋼筋混凝土結構系統中，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，拓寬結構空間，突破超高層建筑中常規的結構底部“胖柱”設計形式。
2超高層建筑的節能設計
2.1節能參數優化
當前我國城市中的超高層建筑項目日益增多，但在前期的建筑節能優化設計階段存在一定的不足。在開展節能設計時，應當充分考慮自然條件。區別于一般的高層建筑，超高層建筑的高空往往超過100m，其高空環境下的氣象參數存在較大的不確定性與變動[11]，但不少設計人員未對超高層建筑的高空環境與高度因素進行全面考量，未能合理預估風速影響、氣溫降低、太陽輻射等影響，導致優化設計時出現設計參數缺失或計算錯漏情況。現階段，較多的模擬軟件在測定當地自然環境參數變化曲線方面也存在不同程度的缺陷，計算結果失真、不準確現象較為常見。由此導致無法精確預估超高層建筑的表面熱交換能力，內部的能力消耗情況也存在偏差，最終造成超高層建筑的內部機電系統設計、通風與空調系統設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，高度是其區別于常規建筑的最顯著的特征。在設計時，應將高度這一核心理念作為節能設計的首要因素，充分掌握建筑當地區域高空中的溫度、濕度變化特點以及四季氣候更替規律，正確設置模擬軟件參數，從而計算得出符合客觀條件的超高層建筑環境影響曲線，以此為基礎實現超高層建筑合理的節能優化設計。2.2節能設計標準目前，我國的超高層建筑的節能設計標準存在較大的滯后現象，如在超高層建筑的遮陽與通風等方面，相關的設計規范基本為空白，無法起到有效的指導功能。由于超高層建筑發展迅猛，且高空環境對建筑節能設計的影響研究未能及時取得有借鑒性的成果，導致常規的建筑節能設計標準的適用性存在打折，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使用需求。因此，在當前的超高層建筑節能設計過程中，不能一味參考目前的節能設計標準，應當深入考慮當地實際自然環境條件，對標準中的應用條件與計算過程做出有效判斷，明確通風、采光、制冷以及配電等的適用性，從而保證超高層建筑的節能設計質量與使用功能。
2.3超高層建筑的布局設計
目前，我國的超高層建筑大多是單體式設計形式，其布局設計的合理性直接影響通風與采光效率，因此在超高層建筑節能設計時，必須考慮布局設計對節能效果的影響。與此同時，超高層建筑結構高度在100m以上，該條件下的風速相比地面更大，應當考慮風壓對建筑頂部的幕墻穩定性、窗戶啟閉以及冬季保溫等的影響，在布局設計時需要調查當地的氣象條件，總結風向、風速等大小與頻次，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能效果，還可在垂直空間方面展開節能優化布置。如在超高層建筑的周圍表面實施綠色植被的種植設計，不僅能起到環境綠化的功能，還可凈化局部城市空氣質量；又如在超高層建筑的樓頂種植綠植，實現城市屋頂綠化[13]，或于建筑向陽面布局設計光能轉換設備，將太陽能充分轉化為電能等。
3結束語
在超高層建筑的建造過程中，新型節能建筑材料的應用既是新時代的環保趨勢，也是可持續發展理念的必然需求。當前，高性能鋼材、高性能混凝土以及鋼管混凝土等新材料的應用，對于超高層建筑的節能效果實現具有直接的影響。另外，在超高層建筑的節能設計方面，應當充分權衡自然環境因素，如風速、光照以及綠化等的影響，通過合理布局，充分利用自然條件，從而實現建筑與自然的融合。在未來的超高層建筑設計與施工過程中，應勇于創新，積極采用新材料，通過更加先進的現代化軟件與計算工具，將更加符合節能要求的現代化新材料因地制宜地選擇應用于超高層建筑之中，實現綠色設計、綠色施工與綠色運維。
作者:鄭衍旭 黃興超 單位:浙江宏通建設有限公司 淳安縣住房保障和房屋征收服務中心