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(jì)錄一次又一次被打破。數(shù)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(dá)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(dá)建造，但目前仍存在很多需要克服的巨大挑戰(zhàn)，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(fā)者已經(jīng)證實高級建造科技服務(wù)公司(ACTS)已經(jīng)開始調(diào)查建造這棟摩天大樓所需要的材料。據(jù)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(yù)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(zhì)疑的態(tài)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(guān)法定的報建手續(xù)，被有關(guān)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?
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超高層建筑設(shè)計有要求
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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(guī)定40層以上(高度100米以上)的為超高層建筑。
當(dāng)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(dāng)其沖的就是建筑材料。中國工程院院士、東方明珠塔總負(fù)責(zé)人江歡成在接受采訪時表示：“隨著建筑材料的不斷進(jìn)化，建筑的高度已經(jīng)不是技術(shù)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(xiàn)的可能。”
現(xiàn)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(qiáng)度高、自重輕、剛度大，而且材料勻質(zhì)性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學(xué)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(jìn)一步解釋說，超高層建筑的高度和地基的寬度有恰當(dāng)?shù)谋壤螅挥羞_(dá)到一定面積，其單位面積的負(fù)荷才能被分散，不至于承載過重的壓力。
而外部結(jié)構(gòu)卻只是對超高建筑考驗的第一步。清華大學(xué)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(fēng)的難度極大，難點在于獲得符合實際的風(fēng)荷載，結(jié)構(gòu)如何滿足規(guī)范規(guī)定的舒適度要求，以及保證設(shè)備(如電梯)的正常運行。一般來說，在正常風(fēng)壓狀態(tài)下，如果距地面高度為10米處風(fēng)速是5米/秒，那么在90米的高空，風(fēng)速就可達(dá)到15米/秒，不難看出，風(fēng)速與高度成正比。因此當(dāng)超高建筑遭遇強(qiáng)風(fēng)，那么其如何化解?
對此，江歡成表示，高層側(cè)風(fēng)對于超高建筑確實是個難題，但是因為現(xiàn)在鋼材質(zhì)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(fēng)輕微擺動化解風(fēng)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(shè)計之初就被考慮進(jìn)去。”至于現(xiàn)代建筑中應(yīng)用最廣的玻璃外墻結(jié)構(gòu)，江歡成則表示不會對超高建筑產(chǎn)生威脅，因為墻體與玻璃之間可以留出縫隙，為層間結(jié)構(gòu)變形留出余地。
但是對于地震這種自然災(zāi)害，專家表示目前沒有固定的解決方式。“對于位于地震區(qū)的900米高的建筑，結(jié)構(gòu)抗震是建筑面臨的巨大挑戰(zhàn)。”錢稼茹說。江歡成也認(rèn)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(shè)備。
對于人們擔(dān)心的另一項災(zāi)害——火災(zāi)，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(shè)計規(guī)范。我國的《高層建筑防火設(shè)計規(guī)范》中就規(guī)定，超過100米的公共建筑應(yīng)設(shè)立避難層(間)。“火災(zāi)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(huán)境等待救援。”江歡成說。
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距離綠色節(jié)能還有距離
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超高建筑在功能上滿足了人們居住的需求，但是在環(huán)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(jié)能、環(huán)保、綠色、生態(tài)。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(xué)研究院(集團(tuán))有限公司教授級高工范宏武認(rèn)為，以現(xiàn)階段的節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)來評判的話，傳統(tǒng)的超高層建筑都不能滿足要求，因為調(diào)研結(jié)果顯示，傳統(tǒng)的超高層建筑都對城市風(fēng)、光、熱、聲等微環(huán)境造成光污染等負(fù)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(fā)展的同時，也帶來了資源消耗大、環(huán)境影響大、能源消耗大的問題。因此，如果要發(fā)展超高層建筑，就必須對其實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
超高層建筑被業(yè)界稱為“垂直城市”，其功能多樣、體量大、系統(tǒng)復(fù)雜、環(huán)境影響明顯，給建筑設(shè)計和運營管理帶來極大挑戰(zhàn)。超高層建筑為了減輕自重，幾乎全部采用了玻璃幕墻系統(tǒng)。“而玻璃幕墻系統(tǒng)的應(yīng)用不僅對室外光環(huán)境帶來影響，也對室內(nèi)熱舒適環(huán)境造成不利影響，因此超高層建筑玻璃幕墻系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保設(shè)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(fēng)速和太陽輻射都會對建筑產(chǎn)生一定的影響，如果按照我國目前公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的熱工分區(qū)方式，一棟超高層建筑可能會涵蓋2到3個熱工分區(qū)，因此超高層建筑的系統(tǒng)設(shè)備如空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等設(shè)計邊界的確定就成為難點，另外現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備的承壓能力也給超高層建筑設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計提出挑戰(zhàn)。”
不僅是樓體本身很難達(dá)到要求，它對于再生能源的利用，也缺少相應(yīng)的研究成果和設(shè)計依據(jù)。“即便是在超高層建筑頂部考慮安裝高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，也要對如何保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運行進(jìn)行研究，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)對整個建筑的安全影響降到最低。”范宏武說。
為了主動引導(dǎo)超高層建筑的可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)部組織力量頒布實施了《綠色超高層建筑評價技術(shù)細(xì)則》(以下簡稱《細(xì)則》)，希望能夠為超高層建筑的設(shè)計、施工與運行提供依據(jù)。但是，范宏武認(rèn)為，僅僅依靠《細(xì)則》并不能完全解決超高層建筑的可持續(xù)發(fā)展問題，還需要進(jìn)一步針對超高層建筑加強(qiáng)研究力量，爭取盡快達(dá)成共識，完善建筑規(guī)劃、建筑設(shè)計、空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)等一系列的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，超高層建筑的可持續(xù)發(fā)展才有可能真正落地。
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虛榮心作祟還是發(fā)展需要？
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自超高建筑誕生的第一天，人們關(guān)于超高建筑的爭論就從未停止。破壞環(huán)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(rèn)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(xiàn)大面積空置。美國哈佛大學(xué)建筑技術(shù)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(guī)劃還是生態(tài)學(xué)角度看，在郊外建設(shè)摩天大樓都是一個糟糕的想法。”然而選址市內(nèi)，又遇到建設(shè)安全和運營安全等問題，因此除了“高度”問題，在哪里建設(shè)超級高樓，如何使高樓得到充分利用，已成為城市規(guī)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(shù)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(huán)保，后勤保障、高效運輸、節(jié)能、垃圾處理和經(jīng)濟(jì)等都需要考慮，設(shè)計師與開發(fā)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(shù)的象征。現(xiàn)如今，超高層建筑更是業(yè)主在公眾面前炫耀其財富的實體。攀比心理誘導(dǎo)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(shù)。”
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