浅谈高层建筑结构设计与应用

高世伟

【摘要】经济的高速发展，让高层建筑的生存空间越来越大，所以高层建筑结构设计的问题需要引起我们的关注。对同一个设计，不同的结构工程师也许会选用不同的结构体系，不同的结构材料决定不同的设计目标，其最后的经济效益也不同，也会产生很大的差距。所以有必要对结构体系、结构材料还有基础形式等进行优化和优选，让结构不但具有足够的承载力、刚度以及抗震性能等，又可以不断提高材料的利用率以降低材料消耗，这样才能够从根本上节约造价。

【关键词】高层建筑 结构设计 问题

一、高层建筑能耗特点分析

（1）能耗组成及特点分析

高层建筑容纳人数众多，信息处理量大。为保持正常的运作，高层建筑在电梯、空调、供水、供暖、管理等方面要消耗大量的能源。主要的能源消耗形式包括电、煤、天然气以及集中供热的蒸汽和热水等。其中供暖空调系统、照明系统、动力系统和办公设备系统是建筑能耗的4个主要系统。供暖空调系统耗电量占到整个建筑能耗的50%以上；照明系统次之，大约为20%；动力系统约为10% ；办公设备系统约为10%。

（2）采光和通风的要求

高层建筑基本空间是通过使用房间、辅助使用房间（餐饮和卫生间）、设备系统、交通联系空间（水平交通和垂直交通）等几个主要部分构成，平面布局和空间组织则相对固定，不同部分功的空间对自然采光和通风的需求都需要引起我们的重视。所以，高层建筑能耗对气候的依赖性就是很弱，如果调节建筑和环境的关系以实现节约能耗的目的，则效果不佳。高层建筑的节能问题需要从建筑的自身出发（如围护构件、平面形式、设备系统、进深大小等），做节能措施的探讨。

二、高层建筑设计存在的问题

高层建筑设计中常出现围护结构保温隔热能力差的问题，建筑的外围护结构包括屋面、外墙、外窗以及地面等部位。对于高层建筑而言，由于其竖向表面面积远大于横向屋面面积，因此，建筑屋顶、建筑外墙及建筑外窗的保温隔热能力成为了衡量其围护结构保温隔热能力的决定性因素。影响建筑外墙节能的主要因素是墙体材料，以及影响墙体材料节能效果的墙体外饰面，东、西外墙遮阳，墙体构造形式等。

在研究中发现，高层建筑外墙应设置保温层，采用双层玻璃。由于西安高新区清扬国际大厦，外墙采用加气混凝土砌块，未设置保温层，使得该办公建筑供暖空调能耗占总能耗的比例高达60.27%。另外，当建筑外墙采用玻璃幕墙配合外挂铝塑板的构造做法时，虽然设置了聚苯板外保温但其供暖空调能耗普遍較高，如旺座现代城B座和D座，供暖空调能耗高达54.62%～56.08%。在窗户类型的选择上，分析可知，供暖空调能耗较高的都采用了单层单玻窗，能耗高达56.8%～60.27%。除此之外，还发现几乎没有高层建筑采取遮阳手段来降低供暖空调能耗，尤其是西向遮阳的问题，值得引起专业人员的重视。

三、解决高层建筑设计问题基本策略

1、增加高层建筑通风设计

关于自然通风的引入，一方面可以对建筑的空间形式进行组织，尽可能形成穿堂风，这一点在条形高层建筑中比较容易实现。对于点式高层，应尽可能组织两垂直墙面窗户之间的通风。自然通风的组织需要更大的窗墙面积比并形成风的通路。另外，还可以结合双层玻璃来实现降温。在国外，建筑利用通风已经成为了一种趋势，很多建筑在设计阶段均考虑了通风的构造体系，例如津巴布韦的Eastgate大楼、英国中部北安普敦近郊的巴克莱卡公司总部大楼等都采用了这种通风构造形式。

2、合理设计高层建筑外围护结构

（1）外围护结构材料。针对目前高层建筑外围护结构材料以实体围护结构和透明围护结构为主的现状，且基于高层建筑外围护结构并非承重结构，材料选取较为灵活的特点，对于实体围护结构，应尽量选用导热系数小的多孔/空心砌块或加气混凝土砌块等，配合外墙外保温和合理的窗墙面积比，控制由外围护结构保温隔热带来的能耗损失。对于处于寒冷地区与夏热冬冷地区交界的城市，应尽量减少玻璃幕墙的使用。

当实体围护结构达到保温隔热要求后，透明围护结构应遵循以下措施：尽量减少使用玻璃幕墙；控制合理的窗墙面积比，控制可开启面积以组织通风；选用节能的玻璃和窗框材料，注意控制密封性能。

（2）墙体外饰面。建筑外墙饰面是围护结构抵御外界气候影响的第一道防线，其材料的热工性能将直接影响围护结构的热工性能。建筑墙体外饰面对建筑节能设计的影响主要通过围护结构外表面对太阳辐射热的吸收系数表现出来：一是在房间制冷状态下，对房间能耗的影响；二是对墙体传热系数的直接影响；三是房间在自然通风状态下对墙体内表面最高温度的影响。《居住建筑节能设计标准》规定：建筑外墙采用“浅色外饰面（太阳辐射吸收系数<0.6）”节能措施时，计算外墙的总热阻时可附加“隔热措施的当量附加热阻0.2”，当外墙的传热系数由于其构成而不能达到《建筑节能设计标准》要求时，采用“浅色外饰面”的节能措施则可使每种材料包括200mm厚钢筋混凝土的传热系数值均可满足“民用建筑节能设计标准”对传热性能的规定要求。建筑的外墙饰面目前有瓷砖、涂料、石材以及金属幕墙材料等等，最典型的2类外墙饰面是瓷砖及涂料。节能设计中采用浅色外饰面或部分采用浅色外饰面显然是有利的。

（3）墙体外遮阳。除外围护结构材料的选择外，还可增加建筑遮阳，以减少供暖空调能耗。建筑遮阳包括水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳等方式，可结合立面设计意图进行设计，尤其应注意西向遮阳对节约建筑能耗的作用。《居住建筑节能设计标准》规定：建筑的“东、西外墙采用花格构件或爬藤植物遮阳（透射比<0.5）”的节能措施时，计算外墙的总热阻时可附加“隔热措施的当量附加热阻0.3”，节能设计中应考虑“东、西外墙遮阳”，在夏天东、西晒非常严重的地区，东、西外墙遮阳措施有待加强。这方面可以借鉴热带地区城市，如马来西亚和香港等的设计经验。在这些城市，高层建筑遮阳措施的使用在带来较好遮阳效果的同时，也丰富了建筑立面，增加了城市景观。

3、可再生能源的利用

系统的能源使用方面，要极大的开发可再生能源，比如太阳能、水能、地热能、风能、生物质能等等。利用风力发电、垃圾发电、太阳能光伏发电、地热利用、太阳能热利用以及沼气发电等，去减轻对煤以及天然气等不可再生资源以及电、热水、蒸汽等二次能源的依赖。比如使用分体空调的建筑建议要增设地源热泵，可降低空调系统能耗；采用螺杆式水冷机组的建筑建议来增加蓄冷的装置，让冷却塔的废热得到回收利用；热泵是一种新型节能技术，可以应用与办公的建筑；对于太阳能的利用，则能在冬季利用太阳能供暖、夏季太阳能制冷系统，全年使用太阳能光电系统以及热水系统。

四 总结

现阶段，我国的高层建筑建得到迅速的发展。然而从设计质量的方面来看，其发展的并不是非常理想。高层建筑结构的设计过程中，结构工程师不可以只重视结构计算的准确性忽视结构方案的具体情况，他们要做出最合理的结构方案选择。高层建筑结构设计人员需要以具体情况为依据而进行分析以掌握的知识去处理实际建筑设计中所出现的问题。

参考文献

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