超高层建筑设计中容易出现的问题及解决方案

郭菁 烟台市建筑设计研究股份有限公司

1 引言

根据GB 50352—2019《民用建筑设计统一标准》中的规定，高度超过100m 的建筑为超高层建筑。城市中的商业办公建筑、居民住宅建筑都存在超高层建筑设计方案，高度的增加导致其在建筑基础、供水、消防、抗震性、垂直交通等多个方面都存在较大的设计难度。此类工程项目投资金额大、容纳人数多，必须从技术层面解决好以上难点，否则会导致严重的安全和经济隐患。

2 抗震设计

2.1 抗震等级

抗震等级的确认受到建筑层高及建筑基本环境条件等多方面因素的影响。根据建筑工程建设的标准化要求，抗震等级需要结合项目建设的实际需求和宏观上的标准要求进行合理设计。在设计工作的开展中，抗震等级的设计是最为基础的条件，一旦抗震等级的级别层次确定后，一系列的设计和建设工作都需要以符合此抗震等级为前提进行开展。显而易见，建筑物高度越大，其抗震设计的难度就越高，国家对不同类型建筑物的抗震设防程度提出了差异化的要求，根据GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》，将其分为四类，具体要求可参考表1。地震的发生概率以及地震的强度与各个地区的地质特点密切相关，因此，不同地区在抗震设防烈度上也提出了不同的要求，在地震烈度较小的地区，一般将超高层建筑的抗震设防烈度限制在6度～8度之间，以8度居多。有些地区地震风险较高，易发生较大的震级，其抗震设防烈度一般为最高的9级。高层建筑在设计阶段必须结合当地的抗震设防要求以及建筑物的高度和结构特点，选择合理的抗震设计等级，确保建筑物的安全性。

表1 建筑抗震设计分类

2.2 提升高层建筑抗震性的技术方案

（1）加强地基的设计。地基在超高层建筑中发挥的作用更为重要，层高逐步升高后，对地基的稳固性以及地基建设中所应用技术的科学性都提出了非常高的要求。因此，地基建设的前期设计工作也应当在技术含量和设计思路的创新性上达到一定的程度。在地基设计中，要确保设计工作能同时满足既定的标准化要求和工程项目建设的实际需求，在此基础上才能从根本上取得更好的效果。超高层建筑的主体结构对地基可产生巨大的载荷，而地基的埋深、构造方式以及施工材料等将会决定其性能和承载力，高度达到632m 的上海中心大厦地基深度高达86m，大厦地基中设计了980个桩基础，并且利用混凝土浇筑了一个厚度达到6m的基础底板；（2）主体框架结构。除了基础之外，地面上构筑物的主体框架结构也在很大程度上决定了超高层建筑物的抗震等级，根据现有的工程项目案例，常用的结构形式包括了筒体、筒中筒、框架核心筒、巨型结构、连体结构等，有些建筑物创新性较强，采用了独特的结构类型。主体框架结构是最核心的承重结构，其刚度、抗剪性能等都会影响到高层建筑的抗震性，因而必须加强力学论证[1]（详见表1）。

3 消防设计

超高层建筑大多为商业办公大楼或者城市中的居民住宅楼，其人员密度大，火灾情况下的逃生、消防以及避难都成为难点问题。

3.1 避难层设计

为了防止人员在火灾发生时出现拥挤、踩踏或者无法快速撤离等情况，根据建筑物的整体高度，采取分层设计避难层的方案，避难层要分流人员，每一个避难层负责容纳一定楼层数量内的避难人员。当处于建筑物中上段的人员无法安全撤离时，可在避难层临时停留，等待专业救援。

3.2 消防电梯和疏散楼梯

消防电梯用于在火灾情况下为消防人员上下通行提供便利性，同时还可借助这种电梯将高层建筑上层的人员运输到地面或者其他安全的地方，消防电梯的数量和分布要根据建筑物的特点来确定。除了消防电梯外，高层建筑还应该设置防火消防通道，一般为楼梯，根据建筑物结构特点，将通道部署在不同的方位，便于人员分流。

3.3 防火及防烟分区

高层建筑的烟囱效应会导致失火的情况下出现快速的火势蔓延，并且内部材料在燃烧的过程中还会产生大量的有毒有害烟气，容易造成人员窒息。防火分区能够有效阻断火势蔓延，而防烟分区可避免烟气充满整个建筑空间，为人员逃生创造有利的条件。通常可按照每30层～35层设计一个局部区域，并配置电梯设施。

3.4 施工材料控制

超高层建筑的主体结构、室内装饰、外立面施工、电气配置等应该优先选用难燃、不燃的材料，减少燃烧情况和有毒烟雾的产生量，降低火灾发生时的危害性，这是从本质上提高防火效果的重要措施，在火灾火警和自动灭火系统的配合下，可取得良好的消防设计效果[2]。

4 给水设计

给水系统整体规模的覆盖范围以及设计的合理性都是影响给水设计质量的关键指标。在设计工作的开展中，给水设计的基本要求是通过压力指标，对给水效果进行同步的控制，另外给水系统设计工作的开展还需要重视基础原材料和其他影响因素，通过合理的设计规避某些影响因素，最终确保设计对功能的发挥起到促进作用。建筑高度增加对给水系统增压设计带来了一定的难度，并且给水系统承担着消防用水和生活用水。超高层建筑的给水方式常见两种类型，其一是“输水系统+变频供水”，这种设计方式的优点是在保证供水和传输的大前提下，水箱内的水可按照从下到上的顺序逐步消耗，这样可确保水的更新，保证水质，系统承受的压力也更小。当然，任何技术都存在一定的缺点，变频供水的成本较高，管材消耗大，因此要定期对使用的管材进行检查和更换，确保管材质量，才能在危险发生时及时快速灭火。其二是“传输系统+水箱供水”，这种设计方案的优点是供水的可靠性较高、水压稳定性强、管道消耗比较少、整体成本更低。通常情况下超高层建筑水箱的设计位置和避难层是一致的，因为避难层对建筑物用户没有过多的使用价值，因此，将水箱和输水设备布置在该层可为业主节省更多的使用空间，在保障安全性的同时，空间更大。实际上，以上两种供水方式具有的各自优势和缺点，在建筑给水设计中可将其综合在一起，形成优化的配置方案。消防用水也是给水系统设计的重点，主要包括自动喷淋系统和消火栓的供水设计，由于消防供水对压力要求较高，可分为常高压和临时高压，或者二者的组合[3]。通过设置有效的消防设备，一旦发生危险可以快速提供扑灭火灾的水资源，最大化保证建筑使用者的安全。最后，给水设计还需要充分考虑对水资源和能源的节约，这也是符合可持续发展的基本要求，现代超高层建筑的设计工作更需要把握住节能环保的基本原则，通过设计工作的开展最大化的实现资源的充分利用。只有对水资源做到最大化的利用，才能够说明建筑设计的合理性达到了最佳状态。

5 电力供应设计

电力供应是现代社会背景下超高层建筑设计中最为基础的设计环节之一，且在具体落实的过程中，也需要综合考虑多方面因素的影响，确保设计工作的效果和具体落实符合超高层建筑项目的实际需求。这不仅是保障电力供应设计能够充分发挥作用的前提条件，也是体现现代建筑背景下电力供应设计科学性和有效性的途径。超高层建筑的电力供应设计以安全、稳定、节能、节约电力电缆等为设计重点。在安全性设计方面，必须充分论证电力负荷、电流强度、用电设备以及导线截面积等影响因素。此类建筑物一旦电力供应中断、电梯停运、照明失效，所产生的负面影响会非常大，为了避免出现这种不良局面，一般要配置专门的备用电源，将柴油发电机组设置在建筑物的地库层作为应急电源。超高层建筑的主电源一般为高压市政电，因此要设计专门的变配电系统，该装置的部署位置直接决定了低压用电线路的布置方式、线路长度、线路损耗以及线缆采购成本，为了实现节能、节材的目标，可将其布置在塔楼靠中部的楼层，这样上下层建筑物的低压配电线路都可达到最优设计，减少整体的线缆采购成本。另一方面，电力供应的设计方案还能影响到超高层建筑物的能耗水平，有些超高层建筑利用自身的高度优势，在建筑物主体结构上设计有风力发电装置，减少了对市电的依赖性，同时降低了建筑物的能耗水平。最后，超高层建筑物内部的电力线缆、通信光缆等都要采用综合布线的方式来设计，其目的是减少线路布设占用的空间以提高室内环境的整洁性，尤其要尽可能节约竖井占用的空间，为建筑物的业主方留出更加充足的使用空间[4]。

6 垂直交通设计

超高层建筑中的电梯配备是电力用户的基础配备结构。因此，电梯结构数量和运行等方面的设计也是超高层建筑设计工作中非常重要的组成部分。作为设计人员，一方面要考虑超高层建筑的安全问题，确保电梯在设计和应用效果方面的安全性，另一方面也要从电梯设备的基础特征和运行需求出发，在满足电梯运行需求的基础上，实现其与高层建筑的融合设计。电梯是超高层建筑物垂直运输最重要的工具，此类建筑物的楼层数一般可达到40层以上，对于高度为数百米的高层建筑，可采用分区设计的方案，也就是将楼层分为高、中、低三个区域，每一个区域的电梯独立运行，不同区域之间的通行要换乘电梯。之所以不采用同一部电梯贯穿设计，是因为当建筑物高度过高时，没有可与之匹配的规格的电梯，若单独定制电梯又会导致成本过高，电梯的安全性也难以保障。电梯的数量和分布位置是影响高层建筑垂直通行效率的关键因素，在设计过程中要结合人员数量、楼体结构合理布置。电梯既可布置在建筑物内部，也可布置在外侧（独立于核心筒），前一种对电梯的保护性更强，但是会占据建筑物的内部空间，后一种布置在核心筒之外，可节省内部空间，具体采用哪一种方式，可结合实际情况确定。采用分区设计的方案还具有其他方面的优势，高层建筑内部的生活保障一般也是分区设计的，因为上下一次的时间较长，分区设计的灵活性更好[5]。

7 抗侧向风设计

随着整体层高的提升，风力以及自然环境中的一些因素对建筑设计效果的影响也更加地突出，侧向风就是超高层建筑设计工作中需要注意的一个重要因素，在设计工作中，首先要对侧向风问题引起充分的重视，并且通过设计工作的开展，以精确的数据计算和有效的防护措施尽可能减小侧向风对超高层建筑的不利影响，体现出超高层建筑的技术含量和质量水平。地面上的风力受到树木或者其他构筑物的影响，一般都比较低，不易对建筑物的安全性造成影响，但是在数百米的高空，风力作用会显著增强，超高层建筑的迎风面积大，基础占地面积通常又比较小，上部结构在风力作用下会产生力矩效应，导致其产生摇摆的现象，长期的来回摇摆会增加结构物的损耗，使其产生疲劳，进而可能危害建筑物的安全性。上海中心大厦的顶部在风力作用下可产生明显的摇晃，幅度可达1m以上。为了增强超高层建筑物抵抗侧向风力作用的能力，可从多个方面加强设计。（1）强化建筑物基础设计。上部建筑物在风力作用下产生的力矩对底部基础的影响最大，因为力矩效应在底部时达到最大，因此，基础结构必须达到足够的强度、刚度以及稳定性。（2）外立面设计。外立面设计的美观性和功能性是设计工作追求的重点。在具体的设计工作中设计的造型，也会影响到整个超高层建筑的功能效果发挥。因此，设计人员应当综合考虑多方面因素，用专业的方法和具有创新性的科学思路指导设计工作的开展。流线型的外立面可促进空气快速通过，减少“兜风”的效应，优秀的外立面设计效果可大幅降低风载荷，减少风力干扰。（3）设置阻尼装置。在超高层建筑物上设置阻尼器可起到抑制冲量、减缓力学振动以及消耗动能的作用，风力作用往往并不规则，建筑物的摆动方向也会不断变化，当建筑物摆动时，阻尼器会朝着相反方向摆动，从而抵消其能量，减少摆动的幅度[6]。

8 结束语

超高层建筑物的结构安全性和抗震性能与建筑物基础、主体框架结构、外立面形式以及抗震阻尼关系密切，垂直交通系统主要依靠电梯，根据建筑物的高度采取分区设计的方案。消防系统的重点是控制好耐火材料、防火分区、防烟分区、避难层以及消防电梯。超高层建筑的电力供应系统将变配电装置设置在楼层中部，以实现节约电力线缆、降低线损耗的目的。