绿色建筑背景下超高层建筑结构优选

廖奇云 王道宪

摘 要：我国建筑业高速发展，资源浪费、环境污染等问题日益突出，绿色建筑是当今社会的必然要求，2006年我国颁布了第一部绿色建筑国家标准《绿色建筑评价标准》。超高层建筑在我国的中心城市数量日益增多，为了建设绿色超高层建筑，超高层建筑结构选择尤为重要，综合研究分析前人研究成果，基于《绿色建筑评价标准》，将超高层建筑结构体系的绿色性能作为超高层建筑结构方案评价的重要指标之一，建立超高层建筑结构方案评价指标体系。结合实例，运用多层次模糊综合评价对超高层建筑结构进行方案优选。

关键词： 超高层建筑； 建筑结构； 绿色建筑； 模糊综合评价

Under the background of green building super high-rise building structural optimization

LiaoQiyun ， WangDaoxian

（Faculty of Construction Management and Real Estate，ChongQing Univercity.ChongQing 400045）

Abstract：High speed development of construction in our country， the waste of resources and environmental pollution problem increasingly， green architecture is the inevitable requirement of today's society， 2006， China promulgated the first green building national standard "green building evaluation standards". In the center of the tall building in increasing the number of cities， in order to build green tall building， tall building structure is particularly important to the selection， comprehensive analysis previous research results， based on the green building evaluation standard "， will tall building structural system of green performance as a tall building structural schemes evaluation one of the important indexes， establish a tall building structural schemes evaluation index system. Combined with examples， using hierarchy fuzzy comprehensive evaluation of tall building structural optimization scheme.

Keyword：super high-rise building， building structure， fuzzy comprehensive evaluation

引言

结构是传递荷载、支撑建筑的骨骼，结构在建筑中的地位与作用不会因为建筑的发展而削弱或偏离。建筑结构通常要满足适用性、耐久性、安全性，建筑结构不仅要经济，而且要节能环保。建筑工程设计的内容可将设计工作分为建筑设计、结构设计和设备设计等。大型或技术复杂的工程，按照设计的阶段可分为方案设计阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段。超高层建筑的设计，方案阶段内容可并入初步设计阶段，即在初步设计阶段，设计的工作者要通过优选与建筑设计相适应的结构体系。高层建筑的设计结构体系的选择是重中之重，通过研究了高层和超高层结构的结构体系和特点，为广大设计人员提供直观的经验与方法[1]。结构方案优选是综合考虑设计对象特征、环境与不同结构形式所形成的结构系统整体综合性能优劣，对多个方案的各个方面因素综合分析，选择一个合适的结构形式的决策过程。超高层建筑的结构设计对超高层建筑有着决定性的意义，为了超高层建筑设计更加合理，将绿色建筑的理念在超高层建筑结构设计中实施，推动建筑业的可持续发展，同时为绿色超高层建筑的发展起到推动作用。

本文将绿色建筑评价标准与超高层建筑结构设计结合，将绿色建筑评价标准的内容在超高层建筑结构设计中运用，增加超高层建筑结构方案评价的内容，运用模糊综合评价对超高层建筑结构进行综合评价，将超高层建筑结构的各方案进行排序，为超高层建筑结构设计提供借鉴。

1.超高层建筑的发展

1.1超高层建筑的定义、产生的问题与目前的发展状况

超高层建筑的定义：1972年8月在美国宾夕法尼亚州的伯利恒市召开的国际高层建筑会议上，专门讨论并提出高层建筑的分类和定义，超高层建筑是指40层以上（高度100米以上）的建筑。超高层建筑是现代文明的标志，超高层建筑也是现代科学技术的结晶，发展超高层建筑是人类强烈的愿望[2]。目前已建成的超高层建筑出现高能耗、光污染、“热岛”效应等问题，针对超高层建筑在运营阶段反馈的信息，绿色建筑已成为当前建筑业可持续发展的必由之路。

超高层建筑体现出社会、经济和科技的结合，超高层建筑在高度不断增加的同时，还呈现出综合化、异形化、生态化和智能化[2]，当今可持续发展的大背景下，资源问题是我国建筑业高速发展发展面临的一个重大挑战，可持续发展是最佳选择，生态化是超高层建筑发展必然趋势，必须建立自然、社会与人的和谐发展模式。城市化与城镇化的发展，我国建筑业步入了一个前所未有的发展阶段，但是我国单位建筑面积能耗是发达国家的二至三倍[4]，对我国经济造成了严重的能源负担，对人类生存环境造成了严重的环境污染，同时存在土地利用率低、水污染严重、耗材耗能高等问题。在这样的背景下，建筑业诞生了节能建筑、绿色建筑、绿色建材等新概念。

自1894年美国纽约曼哈顿生命保险大厦落成至今已建成的迪拜哈利法塔，无不见证了时代的进步和城市的发展。超高层建筑迅猛发展的客观条件有三：一是城市化进程加快，迫使建筑向更高空间发展；二是设计技术的创新，为超高层建筑在设计过程中进行多方案比较和优选提供了方便；三是轻质材料、轻质隔墙和轻型围护墙的应用；四是多种性能更优的新型结构体系出现[3]。现在世界各地掀起了兴建超高层建筑的新高潮，东京天空树、巴黎的“修道院广场”双子塔等相继兴建预示着超高层建筑有更好的发展前景。

1.2超高层建筑结构研究成果

超高层建筑具有投资大、周期长等特点。按照所选材料的不同，超高层的建筑结构可以划分为三类：钢结构、钢筋混凝土结构、混合结构与组合结构。混合结构与组合结构是根据钢结构和钢筋混凝土结构各自的优缺点，在超高层建筑不同部位可以采用不同的结构材料，在同一个部位也可以用不同的结构材料形成组合结构[2]。超高层建筑结构类型主要受技术和经济发展水平所决定，超高层发展的初期，超高层建筑多采用钢结构。目前超高层建筑结构中纯钢结构应用范围有所缩小，钢筋混凝土结构和混合结构的比重超过纯钢结构。

目前超高层建筑结构体系有：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、筒体结构体系、混合结构体系和悬挂结构体系等[5]。超高层建筑结构选型是在超高层建筑设计的初级阶段，该阶段超高层建筑结构设计应注意的四个方面（即概念设计、应保证结构分析计算准确性和设计指标的合理性、中震和大震下的结构安全性能、关注舒适度及施工过程的影响即可实时性）[8]。将超高层建筑结构方案选择的因素划分为目标层、准则层和指标层三层次结构，从结构材料、结构体系适用范围、经济性、施工方法、抗震性能目标、建筑美观、科研创新等方面进行通盘考虑，采用模糊层次综合优选法来确定超高层建筑的结构方案[6]-[7]。

绿色建筑是当今社会关注的焦点，绿色建筑是实现建筑业可持续发展的最佳路径，绿色建筑评价应作为超高层建筑结构方案的重要组成部分。关于超高层建筑结构方案进行评价研究还不是很多，通过超高层建筑结构优选，可以为超高层建筑结构的选型提供必要的理论基础。

2.《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2006）的分析与应用

2.1绿色建筑概念及其重要性

2006年，我国出台了第一部有关绿色建筑的国家标准《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006，在此标准上给出了适合中国国情的绿色建筑的定义，即“绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑”。建筑业正快速而大量的消耗地球的资源并造成生态环境恶化，资源、环境与发展之间的矛盾是我国建筑行业迫切需要解决的问题，因此，推进建筑结构体系的绿色化，是实践绿色建筑，解决我国建筑事业面临的问题有效途径。在设计阶段应考虑减少资源的使用和资源回收利用问题，同时考虑环境和生态的影响，综合环境、经济、和社会效益，为人类提供宜居环境。

2.2绿色建筑结构体系

绿色建筑的深入研究，结构体系及其配套技术集成的问题越来越重要，当前的建筑结构设计与选型理念，忽视结构建造、使用、维护和拆除再利用过程中的资源、能源消耗的问题，即综合社会效益问题，面临能源危机与环境问题，建筑设计者在结构体选型与设计中，应重视建筑结构体系在建筑生命周期内可持续发展、环境友好。

绿色建筑结构体系是指在建筑结构原材料的获取，构建及建材的生产、加工、运输，机构体系的建造，结构的使用与维护，结构的拆除与回收处理的全过程中最大限度的保护环境、节约资源、降低能耗，为人类提供与自然、与环境和谐的健康生活环境。

绿色建筑结构体系评价是对建筑结构原材料的获取，构建及建材的生产、加工、运输，机构体系的建造，结构的使用与维护，结构的拆除与回收处理的全过程中物质能量流动所产生的对环境影响的经济效益、社会效益和环境效益进行综合分析与评价。建筑结构体系评价目的是为建筑结构的选型、建筑结构设计提供借鉴，体现绿色建筑的评价内容的多角度。在不同的建筑阶段、不同的建筑参与者中，能够将绿色建筑的实践更加深入，从而推动我国建筑业可持续发展。

2.3标准在超高层建筑结构中的运用

标准中明确的将节能、节地、节水、节材作为绿色建筑评价的重要部分，结合《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006 ，对结构体系、结构形式、结构刚度、结构布置及基础等方面研究，指明绿色建筑中结构设计的重要性，加深结构专业人员对绿色建筑的深入理解[9]，超高层建筑要实现节约能源、资源，减小对环境的冲击，成为绿色建筑，在设计阶段就应该将绿色建筑评价标准的各项要求进行深入的理解，在选择超高层建筑结构的同时，结合建筑的全寿命周期与评价标准的要求进行合理的选择。《标准》用于评价住宅建筑和办公建筑、商场、宾馆等公共建筑，《标准》的评价指标体系包括以下六大指标：1）节地与室外环境；2）节能与能源利用；3）节水与水资源利用；4）节材与材料资源利用；5）室内环境质量；6）运营管理（住宅建筑）、全生命周期综合性能（公共建筑）。根据超高层建筑的主要适用于商业和办公，可知超高层建筑的评价属于公共建筑的范畴，因此只需要将评价标准中的公共建筑部分分析。综合分析标准的内容，结合超高层建筑特点，在超高层建筑结构选型评价体系中，将绿色性能作为评价体系中一项重要因素，包括：室内外环境、能源利用、水资源利用、材料资源利用与回收、全生命周期综合性能。

3.超高层建筑结构选型模型构建

超高层建筑结构选型可以分为两部分即上部结构的选型和基础结构的选型，依据建筑物功能、国家设计规范、工程地质条件、施工技术、工期和环境方面的要求，构建超高层建筑结构选型模型，体现出超高层建筑结构选型科学性、先进性、经济性。

3.1结构选型模型构建原则

（1）科学性：根据超高层建筑发展的实际情况，在已有科学研究基础上建立模型。

（2）全面性：将超高层建筑结构选型的可能影响因素全部考虑在内，力求模型内容的全面性。

（3）创新性：结合超高层建筑发展中遇到的问题，针对当前建筑业发展提出的绿色节能要求，基于现在的研究成果，增添更加合理的约束条件。

（4）有效原则：模型中的每一个约束都能够体现超高层建筑结构优选的必要性，在综合评价中体现出有效性。

3.2结构优选模型的构建与各因素函数的确定

将超高层建筑结构选型各种要求与约束因素转化成对超高层建筑结构选型起关键作用的四个目标级性能指标，构建能全面评价超高层建筑结构的目标模型。

3.2.1功能与美学价值性能 [15]

功能与美学价值性能主要体现在以下几方面，此项由建筑设计的专家进行评判，确定其隶属度。

（1）功能空间适应性

近期功能空间适应性和功能空间使用弹性适应性组成了功能空间适应性，近期功能空间适应性是指针对不同类的超高层建筑的建筑空间需求满足程度。功能空间使用弹性适应性是指空间布局和功能空间改变能够在一定程度上满足变动的需求。

（2）体型规则性

体型规则性包括平面体型规则性和整体外立面的体型规则性，两个方面综合考虑，超高层建筑呈现出的功能与美学价值

（3）结构系统美

单体视觉美、外部环境系统协调美、内部功能系统的协调美、结构系统的技术美共同组成了结构系统美。

3.2.2理论性能[6]，[11]

结构设计基本规定，超高层建筑必须有理论作为支撑，确保建筑结构的适用性、安全性、耐久性。此项由结构设计的专家进行评判，确定各项的隶属度。

（1）刚度合适性：包括设防烈度与设防风压、总侧移限值、层间位移角限值、舒适度要求、设备运行与装修限值。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，由结构设计的专家进行评判，确定各项的隶属度。

（2）高度合理性：结构高度限制、结构平均层高限值，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，由结构设计的专家进行评判，确定各项的隶属度。

（3）空间整体性：设防烈度、长宽比、平面规则性，设防风压、高宽比、设防烈度根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，由结构设计的专家进行评判，确定各项的隶属度。

（4）布局合理性：竖向布局合理、平面布局合理，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，由结构设计的专家进行评判，确定各项的隶属度。

（5）抗震与防风性能：能耗减震性能要求、抗震损伤性能要求、振动反应控制要求、风振反应控制要求、场地类别、远近震类别、结构自振周期，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，由结构设计的专家进行评判，确定各项的隶属度。

3.2.3经济性能[6]

为了能够实现投资的高回报，需要通过对超高层建筑结构起关键作用的因素进行评判。此项施工管理方面的专家进行评判，确定其隶属度。

（1）结构用钢量：超高层结构平均最优用钢量是处于70～150kg/m2之间[7]，根据各方案确定其隶属度。

（2）预估工程造价：根据各方案的估价计算其隶属度

（3）建筑面积：根据各方案的估算建筑面积计算其隶属度

（4）施工工期：根据各方案的预估工期计算其隶属度

（5）施工技术：专家给出施工技术的难易标准，然后确定其隶属度。

3.2.4绿色性能[10]

在超高层建筑结构体系中，绿色建筑评价标准应作为超高层建筑结构方案的重要组成部分。绿色性能就是基于《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006 与超高层建筑结构设计相结合确定的影响因素。此项施工方面的专家进行评判，确定其隶属度。

（1）室内外环境：根据《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006，由专家确定其隶属度

（2）能源利用：根据《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006，由专家确定其隶属度

（3）水资源利用：根据《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006，由专家确定其隶属度

（4）材料资源利用与回收：根据《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006，由专家确定其隶属度

（5）全生命周期综合性能：根据《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006，由专家确定其隶属度

4.多层次模糊综合优选数学模型运用[13-14]

4.1多层次模糊综合优选数学模型

（1）超高层建筑结构的设计是一个复杂的系统，超高层建筑结构优选需要从多个方面考虑，深入的层次多，进而运用多层次模糊综合评判，将因素集U分成k个互不相交的子集，U={U1，U2，……，Uk}；每一个子集Ui（i=1，2，……，k）即看做U的约束因素，按照各约束因素在U中所起的作用大小，确定其权重分配，即约束因素的权重向量W={W1，W2，……，Wk}，由专家确定各因素的隶属度，构成矩阵P，Ui模糊综合评判结果向量Hi=Wi×P={hi1，hi2，……，hin}（i=1，2，……，k；n表示方案的个数），Hi组成总的评判矩阵

可以得到多层次模糊综合评判矩阵

B=W⊙H=（B1，B2，……，Bn）（n表示方案的个数）

（2）综合评判

利用矩阵的模糊乘法得到综合模糊评价向量B B=W⊙H（其中⊙为模糊乘法），根据运算⊙的不同定义，可得到不同的模型

该模型得到的评判结果除了突出主要因素的影响以外，也反映了非主要因素的影响。