超高建筑:極限之美還是極限之危

人類建造超高樓的歷史,可以追溯到1909年,美國紐約大都會人壽保險大樓主體50層,樓高213.4米,成為人類歷史上第一座200米以上的大樓。之后,這個紀錄一次又一次被打破。數字也從200米攀升至千米。

  近日,外媒報道,沙特阿拉伯將建造一棟高達3000英尺(914米)的未來摩天大樓。這棟名為王國高樓的建筑將在吉達建造,但目前仍存在很多需要克服的巨大挑戰,包括如何建造高聳入云的電梯和減少整體的重量。

  報道稱,研發者已經證實高級建造科技服務公司(ACTS)已經開始調查建造這棟摩天大樓所需要的材料。據稱需要100萬立方米的混凝土和8萬噸的鋼鐵。這棟建筑將成為王國城市的中心裝飾品,它將有200層樓,其中160層可用于居住,預計花費12.3億美元,它將比迪拜的哈利法塔高173米。

  但是,對于超高建筑,總有人抱著質疑的態度。就在2012年,我國湖南省長沙市還計劃建造一座名叫“天空之城”的超高建筑,計劃高度為838米。可惜的是,就在宣布建造一個月之后,這座超高樓就因為沒有完成相關法定的報建手續,被有關部門叫停。曾有媒體稱,被叫停并不僅是因為這個原因,事實上,“天空之城”自醞釀階段就爭議不斷。安全性與否、資金是否充裕、周邊配套等都讓“天空之城”陷入輿論的漩渦。

  為何各地爭先恐后地建造世界第一高?如此超高的建筑,又有哪些建筑難點?

  超高層建筑設計有要求

  要了解超高建筑,首先要明確超高建筑的概念。1972年8月,在美國賓夕法尼亞州的伯利恒市召開的國際高層建筑會議上,專門討論并提出高層建筑的分類和定義,規定40層以上(高度100米以上)的為超高層建筑。

  當樓層高度超過一定極限時,要解決的問題就比普通住宅多,首當其沖的就是建筑材料。中國工程院院士、東方明珠塔總負責人江歡成在接受采訪時表示:“隨著建筑材料的不斷進化,建筑的高度已經不是技術難題。不用說沙特正在建的接近1000米高度的建筑,就算是3000米高的建筑也不是沒有實現的可能。”

  現代超高建筑往往選擇鋼材作為主材料,這是因為鋼材本身強度高、自重輕、剛度大,而且材料勻質性和各向同性好,屬理想彈性體,最符合一般工程力學的基本假定。再加上其材料塑性、韌性好,可有較大變形,能很好地承受動力荷載。因此,鋼材成為超高建筑的首選。

  若想建高樓,地基也是重中之重,因此超高建筑的地基比普通建筑要求更高。江歡成進一步解釋說,超高層建筑的高度和地基的寬度有恰當的比例要求,只有達到一定面積,其單位面積的負荷才能被分散,不至于承載過重的壓力。

  而外部結構卻只是對超高建筑考驗的第一步。清華大學土木工程系教授錢稼茹在接受記者采訪時表示,超高建筑,抗風的難度極大,難點在于獲得符合實際的風荷載,結構如何滿足規范規定的舒適度要求,以及保證設備(如電梯)的正常運行。一般來說,在正常風壓狀態下,如果距地面高度為10米處風速是5米/秒,那么在90米的高空,風速就可達到15米/秒,不難看出,風速與高度成正比。因此當超高建筑遭遇強風,那么其如何化解?

  對此,江歡成表示,高層側風對于超高建筑確實是個難題,但是因為現在鋼材質量越來越好,而且具有一定的延展性,因此超高層建筑可以通過隨風輕微擺動化解風力。“住在超高層建筑中的住戶,并不會因為大樓的輕微擺動感到不舒服。因為讓人感覺眩暈的不是擺動幅度,而是擺動速度的加速度。”江歡成說,“至于擺動角度,這些都會在設計之初就被考慮進去。”至于現代建筑中應用最廣的玻璃外墻結構,江歡成則表示不會對超高建筑產生威脅,因為墻體與玻璃之間可以留出縫隙,為層間結構變形留出余地。

  但是對于地震這種自然災害,專家表示目前沒有固定的解決方式。“對于位于地震區的900米高的建筑,結構抗震是建筑面臨的巨大挑戰。”錢稼茹說。江歡成也認為,地震中如何逃生是居住在超高層建筑中居民的最大難題,目前沒有更好的解決辦法,需要人們自備逃生設備。

  對于人們擔心的另一項災害——火災,建筑師們似乎并不那么憂心。因為在世界各地都有各自的防火設計規范。我國的《高層建筑防火設計規范》中就規定,超過100米的公共建筑應設立避難層(間)。“火災時,很多人都因為吸入煙氣而致命。因此在層間建造避難層是非常必要的,提供給人們相對安全的環境等待救援。”江歡成說。

  距離綠色節能還有距離

  超高建筑在功能上滿足了人們居住的需求,但是在環保意識提升的今天,人們對建筑的功能賦予了更多的意義——節能、環保、綠色、生態。但是,超高層建筑想要滿足這些條件,似乎顯得有些力不從心。

  上海市建筑科學研究院(集團)有限公司教授級高工范宏武認為,以現階段的節能環保標準來評判的話,傳統的超高層建筑都不能滿足要求,因為調研結果顯示,傳統的超高層建筑都對城市風、光、熱、聲等微環境造成光污染等負面影響。為維持正常運營,其單位面積能耗是目前我國大型公共建筑(建筑面積超過2萬平米)的2~3倍,是一般公共建筑的4~10倍,這說明超高層建筑在高速發展的同時,也帶來了資源消耗大、環境影響大、能源消耗大的問題。因此,如果要發展超高層建筑,就必須對其實施可持續發展戰略。

  超高層建筑被業界稱為“垂直城市”,其功能多樣、體量大、系統復雜、環境影響明顯,給建筑設計和運營管理帶來極大挑戰。超高層建筑為了減輕自重,幾乎全部采用了玻璃幕墻系統。“而玻璃幕墻系統的應用不僅對室外光環境帶來影響,也對室內熱舒適環境造成不利影響,因此超高層建筑玻璃幕墻系統的節能環保設計是難點之一。”范宏武說,“而隨著建筑高度的增加,室外溫度、風速和太陽輻射都會對建筑產生一定的影響,如果按照我國目前公共建筑節能設計標準的熱工分區方式,一棟超高層建筑可能會涵蓋2到3個熱工分區,因此超高層建筑的系統設備如空調系統、給排水系統等設計邊界的確定就成為難點,另外現有系統設備的承壓能力也給超高層建筑設備系統的設計提出挑戰。”

  不僅是樓體本身很難達到要求,它對于再生能源的利用,也缺少相應的研究成果和設計依據。“即便是在超高層建筑頂部考慮安裝高空風力發電系統,也要對如何保證風力發電機的安全運行進行研究,將風力發電機對整個建筑的安全影響降到最低。”范宏武說。

  為了主動引導超高層建筑的可持續發展,建設部組織力量頒布實施了《綠色超高層建筑評價技術細則》(以下簡稱《細則》),希望能夠為超高層建筑的設計、施工與運行提供依據。但是,范宏武認為,僅僅依靠《細則》并不能完全解決超高層建筑的可持續發展問題,還需要進一步針對超高層建筑加強研究力量,爭取盡快達成共識,完善建筑規劃、建筑設計、空調系統、給排水系統、照明系統、智能管理系統等一系列的相關標準規范,超高層建筑的可持續發展才有可能真正落地。

  虛榮心作祟還是發展需要?

  自超高建筑誕生的第一天,人們關于超高建筑的爭論就從未停止。破壞環境、占地面積大、光污染、舒適性等都成為超高建筑被人詬病的因素。有些專家也認為超高層建筑只是人類追逐政績、利益的“手段”,因為許多超高層建筑的窗戶基本上無法打開,至于住在其中是否舒適,則是如人飲水冷暖自知了。

  隨著超高建筑越來越多,世界上已有一些高樓因選址和運營不佳而出現大面積空置。美國哈佛大學建筑技術教授基爾·莫曾在接受英國《金融時報》采訪時說:“無論從城市規劃還是生態學角度看,在郊外建設摩天大樓都是一個糟糕的想法。”然而選址市內,又遇到建設安全和運營安全等問題,因此除了“高度”問題,在哪里建設超級高樓,如何使高樓得到充分利用,已成為城市規劃者和建筑師必須慎重考慮的重要問題。

  隨著建造與保障摩天大樓的技術手段越來越成熟,人類將締造越來越多的世界建筑之最。然而超級高樓遇到的問題并沒有減少,除了安全與環保,后勤保障、高效運輸、節能、垃圾處理和經濟等都需要考慮,設計師與開發商在多大程度上能解決這些問題,將決定未來超級高樓的命運。

  錢稼茹則對超高層建筑作出了自己的評價:“建筑是財富、技術的象征。現如今,超高層建筑更是業主在公眾面前炫耀其財富的實體。攀比心理誘導一些人為建筑高度第一而競爭。我國500米以上的建筑越來越多,其實,這么高的建筑以后的利用率有多高,有的可能還是個未知數。”

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