高层建筑外维护结构设计

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【摘　要】从建筑与环境的关系、护与建筑本质的关系、护技术与构造三个不同角度探讨我国高层建筑护系统设计.

【关 键 词】高层建筑；护；幕墙；物理环境

1.高层建筑护系统与环境的关系

1.1物理环境

高层建筑的建筑普遍会对其周边物理环境产生很大影响.由于太阳高度角的变化,不同朝向的建筑在不同季节获得的太阳辐射热能量和热损失有很大不同.例如在北京地区,建筑南向冬季所得太阳辐射热能量几乎比夏季多2倍,而夏季东、西向所得辐射能量比南向多2倍.所以在确定建筑的朝向时,首先应考虑环境情况以及所在城市,根据太阳高度角绘制日照影响图,以确定冬季每天的日照时间并注意减少夏季的热辐射,进而考虑各个立面的形式与材料做法.同时,高层建筑会将高空强风引至地面,造成的局部强风对行人的安全和舒适产生不利影响.另外由于高层建筑的空调、照明等设备均需较大的能量供应,产生的大量热能会改变城市原有的热平衡,导致城市热岛现象加剧.因此,建筑师必须认真处理高层建筑与自然环境的关系.

1.2人文环境

“城市化”等于“高楼化”是长期以来存在于人们心中的误区.一个城市的发展,需要延续其自身独特的历史和人文内涵以及别具一格的文化特色.建筑从功能上是人活动的场所,在内涵上是文化的载体,高层建筑也是如此,需要以“诚实”和“理性”的状态融入物理环境和人文环境当中,从而参与城市空间的记录和演绎.建筑师不应只关注形式上的融合,还应结合更深层次的本土文化及建筑本质进行探索,建筑与文化的融合是一个很大的课题,更是中国建筑师面临的难题.

2.高层建筑护系统与建筑本质的关系

建筑的本质是人的空间,人对建筑具有重要的作用.中国人的生活方式和成长经历、中国社会的历史传承都拥有自身的内涵,中国人的生活空间也必然有其独特之处.建筑的本质直接影响着建筑的外观和造型,建筑的护系统在满足功能需要的同时也要体现建筑的本质.

建筑师在研究文化的同时,还要注重建筑的实体本质——功能空间和支撑结构等.建筑护的意义更多表现为包覆“骨肉”的“皮”而非伪装的“外衣”.CCTV主楼的幕墙很好地凸显了建筑的结构,提升了建筑的张力,以简单的玻璃立面赋予建筑更多内涵.

3.高层建筑护系统的技术探索

在20世纪后半叶能源危机的爆发后,新能源开发和节能方面的研究成为全球热点,建筑的可持续发展已是世界建筑学的重要课题.高层建筑护墙体能耗较大,占建筑全部耗能的25%左右,同时高层建筑的造型及其体形系数对耗能也有很大的影响.在对建筑的造型和环境进行推敲时,国外事务所往往利用计算机模拟并计算风、声、光、热等物理环境及指标,从而确定建筑的造型、外观和材料等.

但从国内建筑节能的设计水平来看,大多数设计单位所掌握的用以优化建筑围护结构的建筑能耗模拟软件,都不能反映气象参数沿高度变化的规律和表面热交换能力的差别,无法准确计算建筑的能量消耗；同时,中国建筑节能设计标准和评价体系尚不完善,各地环境和气候数据并不完备,给深入设计与模拟计算带来很大的难度和不精确性,需要相关技术人员和机构共同努力,予以提高和完善.

4.护系统的选择

系统的选择是护设计的关键.材料的应用与选择往往在系统选择之前,并直接关系到系统的设计.建筑护材料通常有玻璃、金属、木材、石材和其他人造合成材料等.其中,玻璃幕墙是护中最为常用也相对复杂的一项,大致分为明框、隐框、全玻和点式幕墙四类；从安装方式上又分为单元式、半单元和构件式三类；从形式和原理上分为薄型和双层两种,其中双层幕墙又分双层通风玻璃幕墙和外层玻璃幕墙.设计师需要了解各种系统的特性和大致工艺,根据各个项目的具体情况选择合适的护系统.比如明框幕墙是玻璃四边通过压条固定于金属框架上,技术简单可靠,造价也比较经济；而隐框幕墙的玻璃四边通过结构胶粘结于金属边框上形成小块单元,单元整体悬挂固定于金属支撑结构上,对结构胶粘合剂的要求较高,安全系数相对较低,而且价格较高；全玻和点式幕墙都有利于营造更加通透的视觉效果,但造价相对更高.双层通风式幕墙的内外两层玻璃幕墙中间是空气通道,可安装遮阳设施,利用幕墙系统本身的“呼吸”通风来实现温度的调节,被认为是节能效果最佳、隔声效果显著的护系统,但其造价也最高昂.

除了建筑护的外观效果和性能外,建筑师还需要考虑其施工工艺.国内比较常见的构件式幕墙安装时先在机构上安装金属立柱,然后安装横梁,最后安装玻璃板块.这种施工模式现场工作量大,质量控制难度较大；单元式幕墙是在工厂内完成各种幕墙构件和饰面材料的组装成,然后整体运至工地吊装,与预先设置在建筑结构上的挂件固定,单元件采用插接方式,整体进行微调完成整个幕墙的安装.这两种系统对明框式幕墙的外观效果影响不大,但对于全隐框式幕墙,单元式的插接方式会显得更为精致,线条更为挺拔.

电视台新址办公楼选择薄型单元系统并因应结构的布置采取幕墙分区设计,玻璃幕墙及其结构“斜交格构”覆盖了整个建筑的外立面.整个主楼护的支撑系统是基于“菱形钢格构”单元的整合,每个幕墙挂板作为坚固的独立单元,悬挂于斜撑构架的菱形槽式钢结构之上,幕墙结构的总体位移被累积在每个菱形钢格构的边缘.由于菱形钢格构和薄型单元玻璃幕墙的施工与主体结构施工同步进行,其结构和构造设计必须满足主结构施工和安装过程产生的变位要求,同时幕墙系统与主结构连接必须满足小震1级和大震3级层间位移要求.

5.结语

高层建筑的建设在中国已是必然趋势,现在业内讨论的重点已不是是否建设高层建筑,而是如何提高高层建筑的质量性能并减少对环境的影响.评价高层建筑的一个重要方面就是护系统的设计,不仅需要考虑建筑所在的自然和人文环境,而且要反映建筑的本质,同时高层建筑的技术应用与节能设计更不容忽视.建筑师有必要了解更多关于护设计与施工的技术和设计方法,从而保证护的设计与建造能够实现建筑师的创作意图,满足环境、人文、功能和性能的诸多要求.　[科]

【参考文献】

［１］褚志勇．建筑设计的材料语言[M]．北京：中国电力出版社,2006.

［２］中国建筑科学研究院．JGJ102－2003,玻璃幕墙工程技术规范[S]．北京：中国建筑工业出版社,2003.

［３］刘顺校,周湘津．高层建筑设计[M]．天津：天津科学技术出版社,1997.

［４］彭思敏．论高层建筑设计与城市空间[J]．消费导刊,2008（8）.

［５］孟庆林．超高层建筑节能设计亟待重视[J]．建筑装饰材料设计,2008（2）.