超高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)若干問題淺析

安國文

要：超高層建筑在城市節(jié)地、提升城市形象、拉動(dòng)社會(huì)投資、擴(kuò)大旅游和商貿(mào)活動(dòng)等方面有其獨(dú)特作用，也遠(yuǎn)非普通建筑可以比擬，因此近年來我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的地區(qū)竣工、在建和擬建的超高層建筑如雨后春筍，建筑新材料等技術(shù)的發(fā)展更是助長了建筑超高層化態(tài)勢(shì)，高度超過100米的建筑從1990年代中期的不足200棟一躍發(fā)展到目前的近900棟。超高層建筑的高度增長還會(huì)伴隨著結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的不斷進(jìn)步而不會(huì)休止。為此，本文針對(duì)超高層的材料的選用進(jìn)行了分析，同時(shí)針對(duì)超高層建筑的節(jié)能問題進(jìn)行了探討，以公同行參考。

關(guān)鍵詞：超高層 建筑新材料 節(jié)能 設(shè)計(jì)

0 引言

建筑節(jié)能是國家發(fā)展的基本國策之一，超高層建筑在城市節(jié)地、提升城市形象、拉動(dòng)社會(huì)投資、擴(kuò)大旅游和商貿(mào)活動(dòng)等方面有其獨(dú)特作用，也遠(yuǎn)非普通建筑可以比擬，抓好超高層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，將會(huì)帶動(dòng)國家和地方的建筑節(jié)能事業(yè)，促進(jìn)全社會(huì)建筑節(jié)能的技術(shù)進(jìn)步。

1 超高層建筑新材料的利用

1.1 高性能鋼 80年代后期，超高層建筑，大跨結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展，對(duì)鋼材性能的要求也越多。主要包括有高強(qiáng)度，低屈強(qiáng)比，窄屈服幅等的耐震性能；可焊性，形狀尺寸加工精度的施工方面的性能以及耐久性等。

1.1.1 高張力鋼 建筑用鋼材的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3所示。其屈服點(diǎn)在100～780n/mm²的范圍，其中屈服點(diǎn)為400n/mm²的鋼材，占一半以上。鋼材屈服點(diǎn)的提高，在設(shè)計(jì)方面就需要保證結(jié)構(gòu)的剛度要求，防止局部屈曲；在施工方面就要保證結(jié)構(gòu)的可焊性。另一方面，在多震國，地震時(shí)確保結(jié)構(gòu)建筑物的安全性是一個(gè)最大的課題。因此，高張力鋼不僅要有很高的屈服點(diǎn)及抗拉強(qiáng)度，還要具備充分的塑性變形能力。

1.1.2 低屈服點(diǎn)鋼 另一方面，還開發(fā)研制了利用鋼材的低屈服點(diǎn)和屈服特性的技術(shù)，耐震設(shè)計(jì)中的隔震和抗震構(gòu)造技術(shù)得到了迅速發(fā)展，地震對(duì)建筑物輸入的能量，通過建筑物特殊的部位吸收，從而確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全，防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件（梁，柱）的破壞和損傷，低屈服點(diǎn)鋼主要用于這些特殊部位，作為吸收地震能的材料。

1.1.3 tmcp鋼 建筑物的高層化、大跨化等，要求使用的鋼材高強(qiáng)度化，大斷面化，極厚化。以往的冶煉方法，若保證鋼材的高強(qiáng)度，就需加入相應(yīng)的碳元素，鋼材含碳量的增加會(huì)導(dǎo)致可焊性的降低。為了解決這個(gè)問題，開發(fā)研制了490n/mm²級(jí)的建筑結(jié)構(gòu)用tmcp鋼。建筑結(jié)構(gòu)用tmcp鋼，是通過tmcp（熱處理）處理后得到的。已廣泛用于超高層建筑中。

1.1.4 sn鋼 根據(jù)超高層建筑的抗震要求，鋼材應(yīng)具有足夠的彈塑性性能和較好的機(jī)械性能，可焊性能，具有吸收地震能的能力。廣泛用于超高層建筑。sn鋼要求：①保證可焊性，②保證塑性變形能力，③保證板厚方向的性能，④保證經(jīng)濟(jì)性和加工方便，⑤保證與國際規(guī)格接軌。sn鋼的規(guī)格有a、b、c三種，其板厚都是在6～100mm，分400n/mm²和490n/mm²兩個(gè)等級(jí)。

1.2 新rc結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土） 在鋼結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度不斷提高的同時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和混凝土強(qiáng)度也在迅速地提高。1988年以來，進(jìn)行了強(qiáng)度為58.8～117.6mpa的混凝土及強(qiáng)度為686～1176.7mpa的鋼筋的開發(fā)，并已用于超高層住宅中，如禮新城北高層住宅（地上45層，高度160m），所用混凝土強(qiáng)度為58.8mpa，主筋強(qiáng)度為686mpa，斷面加強(qiáng)筋強(qiáng)度為784mpa，是以前高層rc結(jié)構(gòu)所用材料強(qiáng)度的兩倍。現(xiàn)在超高層建筑已開始使用78.4mpa，98mpa的混凝土。

1.3 cft結(jié)構(gòu)（鋼管混凝土） 由于高強(qiáng)度鋼的使用，可以使構(gòu)件截面做得小而薄，然而這必帶來局部屈曲和剛度降低的問題，解決這個(gè)問題的途徑之一就是采用cft柱。

繼s結(jié)構(gòu)、src結(jié)構(gòu)、rc結(jié)構(gòu)之后，它形成了第四種結(jié)構(gòu)體系。cft結(jié)構(gòu)體系，就是用圓形或多邊形鋼管內(nèi)填充混凝土的柱子和s結(jié)構(gòu)，鋼－混凝土結(jié)構(gòu)的梁連接起來而形成的結(jié)構(gòu)體系，具有剛度大，耐久力大，變形能力強(qiáng)，防火性好等方面的優(yōu)良結(jié)構(gòu)性能。因此，超高層建筑，大跨結(jié)構(gòu)等開始廣泛采用此種結(jié)構(gòu)體系。

cft柱的優(yōu)點(diǎn)是，混凝土填充在鋼管中，在受壓和受彎共同作用下，混凝土向橫向擴(kuò)散，然而卻受到鋼管的橫向約束（稱為鋼箍效應(yīng)）。所以，混凝土的強(qiáng)度和變形能力提高。另一方面，由于混凝土的填充，鋼管的局部屈曲受到了有效的抑制。這樣，cft柱可以最充分利用高張力鋼的強(qiáng)度。隨著高強(qiáng)混凝土及其組合的研究不斷發(fā)展，將來高度為1000m級(jí)的超高層建筑的構(gòu)想實(shí)現(xiàn)，期待著cft柱將起主要作用。

2 我國目前超高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的思考

目前國內(nèi)針對(duì)超高層建筑工程所探討的關(guān)鍵技術(shù)問題多是結(jié)構(gòu)的安全，而對(duì)于所面臨的建筑節(jié)能問題研究和技術(shù)投入不夠。

2.1 超高層建筑的建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)看，建筑的高度變化導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)的變異，進(jìn)而影響建筑能耗的變化是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，高度超過100米以上除太陽輻射可以認(rèn)為基本不變以外，其它的氣象參數(shù)都會(huì)發(fā)生很大的變化。而依據(jù)國內(nèi)建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)能力來看，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位所掌握的用以優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑能耗模擬軟件，都不能反映氣象參數(shù)沿高度的變化規(guī)律，也不能夠反映建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿高度變化的表面熱交換能力的差別，這就勢(shì)必?zé)o法準(zhǔn)確地計(jì)算建筑物的能量消耗，更無從談及科學(xué)合理地設(shè)計(jì)建筑物制冷、空調(diào)、配電等一系列設(shè)備系統(tǒng)。

2.2 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所能約束的節(jié)能技術(shù)還不能夠完全適用于超高層建筑，在現(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中涉及到遮陽、通風(fēng)等技術(shù)的規(guī)定，對(duì)超高層建筑無法適用，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的建筑能耗的權(quán)衡判斷方法也是基于建筑物全樓整體建模的一種評(píng)價(jià)方法，而受目前能耗模擬工具的計(jì)算能力所限，超高層建筑中的計(jì)算對(duì)象（如房間數(shù)量）規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了軟件的計(jì)算能力。從根本上說，超高層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)問題，實(shí)質(zhì)是一個(gè)在技術(shù)上超出了現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》所能控制的新技術(shù)問題，如果草率地執(zhí)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，則工程設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)顯然不足。

2.3 超高層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)僅僅局限于當(dāng)前建筑節(jié)能50％的目標(biāo)，不符合國家長遠(yuǎn)發(fā)展要求。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)能力，結(jié)合國家建筑節(jié)能中長期發(fā)展規(guī)劃確定出工程的實(shí)際節(jié)能能目標(biāo)（即節(jié)能率），只有以此為前提做出的節(jié)能設(shè)計(jì)才能體現(xiàn)行業(yè)進(jìn)步，否則，如此重大工程，在投入使用后的不遠(yuǎn)將來，必然會(huì)面臨國家節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)的提高而淪為不節(jié)能建筑。

建筑節(jié)能是國家發(fā)展的基本國策之一，超高層建筑又是標(biāo)志性極強(qiáng)的建筑，抓好超高層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，將會(huì)帶動(dòng)國家和地方的建筑節(jié)能事業(yè)，促進(jìn)全社會(huì)建筑節(jié)能的技術(shù)進(jìn)步。