超高层建筑10大技术难点及应对措施

超高层建筑10大技术难点及应对措施
超高层建筑的设计必须考虑到特殊的尺度和高度，这会带来许多挑战。

在40层左右，建筑师必须调整设计观念，采用
适宜的建筑技术来应对这些挑战。

超高层建筑类似于竖立起来的街道，需要解决许多问题，如安全、内部交通、环境和能源消耗等。

随着建筑高度的增加，这些问题变得更加复杂，对结构、建筑、机电、暖通和电梯等专业的要求也越来越高。

在超高层建筑的结构设计中，需要考虑到梁柱的影响、规避及利用。

为了满足建筑的使用功能和抗震设防烈度，可以选择不同的结构体系，如框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、框-筒结构体系、筒中筒结构体系和束筒结
构体系。

除了这些传统的结构体系，还可以采用多筒体结构、带加强层的框架-筒体结构、连体结构、巨型结构、悬挑结构
和错层结构等。

在90年代以后，钢结构、钢-混凝土混合结构、型钢混凝
土结构和钢管混凝土结构等也逐渐得到广泛应用。

预应力混凝土结构在高层建筑的梁、板结构中也广泛应用。

在高层建筑中，除了采用钢筋混凝土结构外，还可以采用型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和全钢结构。

对于建筑高度为100米、柱网为8.4米、抗震设防烈度为
6度的超高层建筑，采用框架-剪力墙或框-筒结构体系较为经
济合理。

这种结构体系的剪力墙或筒体是很好的抗侧力构件，可以承担大部分的风载和地震荷载产生的水平侧力，同时满足玻璃幕墙的外装饰要求。

楼板和屋盖具有很大的平面刚度，可以起到变形协调作用，同时也是竖向钢柱与剪力墙或筒体的平面抗侧力构件。

钢承混凝土楼板和屋盖的设计存在问题。

通常采用轧制的压型钢板加现浇钢筋混凝土，但在计算时往往没有考虑到与钢梁的共同作用。

这样做不仅不安全，还增加了钢梁的用钢量。

采用MST组合梁，可以节约楼层和屋盖钢梁的用钢量20%左右，而且不需要对钢梁进行稳定验算。

超高层建筑的核心筒设计是一个难点。

它需要考虑多方要求，如采光、节能、易于维护、减少公摊、不同业态核心筒上下统一等。

与其他建筑不同，高层建筑有一个垂直交通和管道设备集中在一起的核心，这个核心在空间构成模式中起着重要作用。

随着高层建筑建设的发展，中央核心筒式的“内核”空间构成模式逐渐成为流行的空间布局形式。

这种布局形式以其结构合理、使用方便和造价相对低廉的优势而备受青睐。

但对于超高层住宅建筑来说，这种内核式的布局存在着一些不便利之处。

外核式的双侧外核心筒布局是中央核心筒式布局的一种变种。

它的出现是因为人们对建筑需求的变化和设计侧重点的不同。

在这种布局形式中，核心筒位于建筑的两侧，而不是中央部分。

这种布局形式的优点是可以提供更大的空间，同时也可以更好地满足建筑的需求。

第一次变革主要是为了满足建筑设计理念和造型上的需要，例如70年代前后出现的“双核”构成模式。

这种设计模式采用
双侧外核心筒的布局，不仅方便避难疏散，而且也改变了高层建筑的外观。

新加坡“XXX”和日本“IBM本社大楼”等建筑，
都是采用当时风行一时的双侧外核设计手法的代表。

第二次变革最初是由设备专业提出的，他们认为随着建筑设备的日益增多和越来越复杂，如果将设备用房和管道井从核心筒中分离出来，可能会更有利于管理和维修。

80年代以后，智能化建筑的普及和XXX设施的不断增加，导致许多高层建
筑大量应用计算机和电信通讯设备，甚至竣工后仍频繁改造布线系统和增添新设备。

智能化办公楼中的光缆、电脑网络管道井、配线箱以及中继装置等，每层都必须设置三处以上才算合理。

因此，为了满足机电设备经常变动的需要，建筑开始将“核”分散化，分置多处设备用房和管道井，以便于局部更改。

对于结构专业来说，加强建筑周边的刚度也会有效地抵抗地震对高层建筑的破坏。

因此，如果将垂直交通和设备用房等分散地布置在周边，则无疑也会对结构抗震有利。

同时，这种分散的多个外核的空间构成模式，也正好适用于新兴的巨型框架结构，使这种结构体系中的巨型支撑柱具有了使用功能。

XXX三设计的日本“XXX”就是最典型的实例。

从建筑设计的角度来看，将核的移动、垂直交通、服务性房间和管道井分散到建筑的周边，对于高层建筑的空间构成模
式和立面造型上的变化也是极具革命性的。

这种设计不仅适应了其它专业的需求，而且还有利于避难疏散，创造更大的使用空间和使高层建筑的底部获得解放。

这种空间构成模式所具有的灵活性和先进性，很快被欧洲建筑师们所发现，并创造性地应用在他们的作品之中。

英国“伦敦劳埃德大厦”、88木街办
公楼和“香港XXX”等建筑，都是分散式核心筒的杰作，从内
部的空间构成到外部立面，与中央核心筒式的高层建筑大相径庭。

近年来，一种新的高层建筑设计趋势出现，即将核与主要使用空间分离，使得垂直交通、服务性用房和设备管道井均分别独立，与建筑主体分开。

主要使用空间更加完整，四面对外，核与主要使用空间之间以连廊相接。

这种设计方式不仅既受力合理又相对经济，而且可以使楼梯间、卫生间等直接对外自然采光通风，符合低能耗，可循环的现代设计原则。

近几年强调生态、节能的高层建筑多采用这种布局方式。

例如，马来西亚建筑师XXX设计的高层建筑和欧洲建筑师XXX设计的德国
汉诺威建筑博览会管理办公楼，都以其生态观念赢得了众口称赞。

在超高层建筑中，电梯作为垂直交通工具，对其数量的配置、控制方式及有关参数的选定将不仅直接影响建筑物的一次投资，而且还将影响建筑物的使用安全和经营服务质量。

因此，在设计中应该在设计开始时对电梯的配置应予以充分重视。

现代超高层建筑大都超过60层，建筑内人口流动大，纵向交通
主要依赖电梯，有效设计超高层建筑的电梯的关键是运用各种局部电梯进行服务，并把局部区域电梯系统组织起来。

为了能够将乘客以最快的速度运送到达目的地，一般以建筑每30～
35层为一局部区域。

这种设计方式可以有效地解决电梯数量
和效率的问题，提高建筑物的使用安全和经营服务质量。

超高层建筑采用多梯系统，需要采用微机电梯控制系统来提高运送能力和改善服务质量。

计算机控制系统可以实时处理大量信息，判断各站台的呼叫信息和各电梯的状态，以提高经济效益。

供电系统设计需要格外注意超高层建筑的安全性和可靠性。

配电系统应考虑多回路供电和备用发电机组的配置。

变配电房可以设置在塔楼中部的楼层，以减少低压配电的损耗。

备用柴油发电机设置于地库层，供电电压采用10千伏输出，再经变
压器降压至低压配电，保证配电至塔楼的高层。

在电缆连接铜
母线槽配电时，可以减低超高层建筑物在摇摆时对铜母线槽接驳组件位置的拉扯压力，减少发生故障及维修的机会，也相对地增加了主干系统的寿命。

消防难点是超高层建筑内部火灾荷载大，火势蔓延迅速，人员疏散困难，救援难度大。

防火、控火、耐火是消防设计的要点。

建筑工程中需要使用防火材料、防火构件、防火配件，装修工程中采用不燃、难燃性建筑材料，易燃易爆场所强化通风，设置防爆电气，使用不发火地面等。

控火需要安装火灾自动报警、自动灭火系统，进行早期探测和初期扑救，以及在建筑物平面和竖向划分防火分区和防烟分区，在建筑物之间留有适当防火安全距离，切断火灾蔓延途径，减小成灾面积，便于实施救援。

耐火需要加强建筑结构构件的耐火稳定性，使其在火灾中不致失效。

为了让业主获得更多的使用空间，超高层建筑的电气设备空间安排需要有可调整的空间。

排布电缆和竖井时应尽量减少转换竖井和缩小竖井等所占用的空间，以便提供出更多的空间给业主使用。

测量难点6：
超高层建筑由超高层塔楼和多层地下室组成，工程测量难度大，一旦施工测量失误，将会造成严重的损失，难以弥补和修复。

因此，工程测量是超高层建筑的重点和难点。

侧向风影响难点7：
高层、超高层建筑需要承受侧向的风力。

在正常的风压状态下，距地面高度为10m处，如风速为5m/s，那么在90m的高空，风速可达到15m/s。

若高达300-400m，风力将更加强大，即风速达到30m/s以上时，摩天大楼产生的晃动将十分剧烈。

对大楼的这种晃动，首先要考虑它对电梯的影响，电梯被视为超高层建筑的“生命线”。

当电梯高速运行的同时，如果大楼的晃动超过一定尺寸，电梯的钢缆就会因时紧时松的受力不均受到伤害，并造成危险。

烟囱效应难点8：
冬天，在气温较低的情况下，低层(特别是一层大堂)和地下室的冷空气会窜入电梯井，经烟囱效应形成强大气流，造成电梯无法关闭门。

而且会将底层的一些气味带到高层，如厨房的气味、油烟味等。

此时如在底层或地下室有电焊操作或燃气泄漏就可能将火源随气流带到高层，存在极端危险。

同时，由
于电梯轿厢与井壁间的缝隙很小，在电梯移动时，气流的摩擦会产生啸叫。

这种现象在金茂大厦也有出现。

目前，这是个国际性难题，尚未找到很好的解决办法。

管理维护问题难点9：
一些超高层大楼都曾出现过断电、跑水等事故。

除了做好预案、防止事故发生和做好备用系统以外，一旦事故出现，如何抢救，是否有一位掌握全局、了解本系统一切细枝末节的人十分重要。

上海金茂大厦的管理层曾对没有一位掌握该建筑多个阀门的人感到十分遗憾。

擦玻璃也成了管理这些庞然大物的一个麻烦。

金茂大厦的幕墙有10.18万平方米，据说两架擦窗机连续工作，一年才能把所有的玻璃擦一遍。

由于建筑外形凹凸起伏太大，檐部又挑出很多，有的地方达3m以上，擦玻璃相当困难。

施工难点难点10：
1.超高层基础采用深基础。

由于建筑高、体量大，支撑高层的地基必须达到足够的强度，因此多采用深基础，持力层嵌入微风化岩层。

2.超高层地下室深度大、层数多、面积大。

一是要满足建
筑功能方面的要求，比如人防面积、停车位数量等；二是要解决在施工过程中的结构抗浮问题。

3.超高层建筑通常采用混合型结构，如型钢混凝土、钢管
混凝土、钢筋混凝土结构或全钢结构。

这些结构具有施工简便、工期短、结构性能好、节约建筑材料等共同特点，已成为超高层建筑群最为实用和主要的结构形式。

4.超高层建筑的装饰工程具有丰富的变化和大量的工程量，技术含量高、要求高，特别是安全性功能的要求尤为重要，需要具备抗风压、风、水、气的密闭性。

5.超高层建筑的建筑功能复杂，子系统多，安装工程工程
量大，要求精度高。

6.超高层建筑广泛采用新技术、新材料和新工艺。

针对超高层建筑的特点，需要采取以下对策：
1.施工技术需要有新的突破。

超高层建筑的施工技术不仅
仅是建筑楼层数量的叠加和施工时间的延长，还需要注入新的元素，不断进行技术创新和突破。

例如，深基础施工技术和大基坑土方开挖和支护技术都需要特别关注。

2.施工组织需要有新思维。

由于超高层建筑的竖向跨度非
常大，施工组织需要解决垂直运输效率的问题，合理利用机械设备和人员，保证施工有序并且高效。

合理配置大型机械设备是建造超高层建筑的重要环节。

在此过程中，需要考虑现场人员流量、工期计划、原材料、周转材料、成品、半成品的总用量以及周转率要求等因素，以确定塔吊、人、货电梯的规格型号和数量，选择混凝土输送泵的性能和数量。

在布置大型机械时，需要根据现场条件和地理位置情况，按照最短运输路径和最大运输能力的原则进行平面布置。

同时，考虑架子、施工电梯的运输路线和塔吊的安装和拆除便利、覆盖面积和附墙的可行性。

为了合理配置机械并提高使用效率，需要制定机械使用计划，并对各工种、工序现场作业的先后顺序进行预先安排和强制执行。

在垂直运输设备的使用安排计划上，每个人、每一件
物都要清楚自己的运输时间、顺序。

有计划有组织地调节设备的使用频率，提高使用效率。

采取技术措施，如使用钢筋网片、机械接头和大模板等，可以有效地提高现场作业人员的劳动生产率，减少对作业人员和操作设备的需求，从而减少垂直运输的压力。

超高层建筑的质量要求比普通建筑更高，特别体现在结构的安全性能和建筑功能要求上。

在装饰工程中，外墙粘贴砖的施工质量关系到建筑的使用安全，必须引起足够重视。

外墙的防水工程应从材料的选用、工艺试验、过程质量监督等方面严格把关。

超高层文明安全施工管理与普通建筑施工有许多的不同之处。

装饰工程、安装工程的立体交叉施工需要设立安全分隔区和防火分隔区。

脚手架的搭设、拆除方案必须经过审批、落实和检查。

大型设备需要有安全保护措施等等。

因此，文明安全施工应该做到横向到边，纵向到底，措施到位，责任到人。

在超高层建筑施工现场，必须设置简易厕所，以满足现场工人的生理需求。