高層建筑外維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

【摘 要】從建筑與環(huán)境的關(guān)系、外圍護(hù)與建筑本質(zhì)的關(guān)系、外圍護(hù)技術(shù)與構(gòu)造三個(gè)不同角度探討我國高層建筑外圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；外圍護(hù)；幕墻；物理環(huán)境

1.高層建筑外圍護(hù)系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系

1.1物理環(huán)境

高層建筑的建筑普遍會對其周邊物理環(huán)境產(chǎn)生很大影響。由于太陽高度角的變化，不同朝向的建筑在不同季節(jié)獲得的太陽輻射熱能量和熱損失有很大不同。例如在北京地區(qū)，建筑南向冬季所得太陽輻射熱能量幾乎比夏季多2倍，而夏季東、西向所得輻射能量比南向多2倍。所以在確定建筑的朝向時(shí)，首先應(yīng)考慮環(huán)境情況以及所在城市，根據(jù)太陽高度角繪制日照影響圖，以確定冬季每天的日照時(shí)間并注意減少夏季的熱輻射，進(jìn)而考慮各個(gè)立面的形式與材料做法。同時(shí)，高層建筑會將高空強(qiáng)風(fēng)引至地面，造成的局部強(qiáng)風(fēng)對行人的安全和舒適產(chǎn)生不利影響。另外由于高層建筑的空調(diào)、照明等設(shè)備均需較大的能量供應(yīng)，產(chǎn)生的大量熱能會改變城市原有的熱平衡，導(dǎo)致城市熱島現(xiàn)象加劇。因此，建筑師必須認(rèn)真處理高層建筑與自然環(huán)境的關(guān)系。

1.2人文環(huán)境

“城市化”等于“高樓化”是長期以來存在于人們心中的誤區(qū)。一個(gè)城市的發(fā)展，需要延續(xù)其自身獨(dú)特的歷史和人文內(nèi)涵以及別具一格的文化特色。建筑從功能上是人活動的場所，在內(nèi)涵上是文化的載體，高層建筑也是如此，需要以“誠實(shí)”和“理性”的狀態(tài)融入物理環(huán)境和人文環(huán)境當(dāng)中，從而參與城市空間的記錄和演繹。建筑師不應(yīng)只關(guān)注形式上的融合，還應(yīng)結(jié)合更深層次的本土文化及建筑本質(zhì)進(jìn)行探索，建筑與文化的融合是一個(gè)很大的課題，更是中國建筑師面臨的難題。

2.高層建筑外圍護(hù)系統(tǒng)與建筑本質(zhì)的關(guān)系

建筑的本質(zhì)是人的空間，人對建筑具有重要的作用。中國人的生活方式和成長經(jīng)歷、中國社會的歷史傳承都擁有自身的內(nèi)涵，中國人的生活空間也必然有其獨(dú)特之處。建筑的本質(zhì)直接影響著建筑的外觀和造型，建筑的外圍護(hù)系統(tǒng)在滿足功能需要的同時(shí)也要體現(xiàn)建筑的本質(zhì)。

建筑師在研究文化的同時(shí)，還要注重建筑的實(shí)體本質(zhì)——功能空間和支撐結(jié)構(gòu)等。建筑外圍護(hù)的意義更多表現(xiàn)為包覆“骨肉”的“皮”而非偽裝的“外衣”。CCTV主樓的幕墻很好地凸顯了建筑的結(jié)構(gòu)，提升了建筑的張力，以簡單的玻璃立面賦予建筑更多內(nèi)涵。

3.高層建筑外圍護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)探索

在20世紀(jì)后半葉能源危機(jī)的爆發(fā)后，新能源開發(fā)和節(jié)能方面的研究成為全球熱點(diǎn)，建筑的可持續(xù)發(fā)展已是世界建筑學(xué)的重要課題。高層建筑外圍護(hù)墻體能耗較大，占建筑全部耗能的25%左右，同時(shí)高層建筑的造型及其體形系數(shù)對耗能也有很大的影響。在對建筑的造型和環(huán)境進(jìn)行推敲時(shí)，國外事務(wù)所往往利用計(jì)算機(jī)模擬并計(jì)算風(fēng)、聲、光、熱等物理環(huán)境及指標(biāo)，從而確定建筑的造型、外觀和材料等。

但從國內(nèi)建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)水平來看，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位所掌握的用以優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑能耗模擬軟件，都不能反映氣象參數(shù)沿高度變化的規(guī)律和表面熱交換能力的差別，無法準(zhǔn)確計(jì)算建筑的能量消耗；同時(shí)，中國建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)體系尚不完善，各地環(huán)境和氣候數(shù)據(jù)并不完備，給深入設(shè)計(jì)與模擬計(jì)算帶來很大的難度和不精確性，需要相關(guān)技術(shù)人員和機(jī)構(gòu)共同努力，予以提高和完善。

4.外圍護(hù)系統(tǒng)的選擇

系統(tǒng)的選擇是外圍護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。材料的應(yīng)用與選擇往往在系統(tǒng)選擇之前，并直接關(guān)系到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。建筑外圍護(hù)材料通常有玻璃、金屬、木材、石材和其他人造合成材料等。其中，玻璃幕墻是外圍護(hù)中最為常用也相對復(fù)雜的一項(xiàng)，大致分為明框、隱框、全玻和點(diǎn)式幕墻四類；從安裝方式上又分為單元式、半單元和構(gòu)件式三類；從形式和原理上分為薄型和雙層兩種，其中雙層幕墻又分雙層通風(fēng)玻璃幕墻和外層玻璃幕墻。設(shè)計(jì)師需要了解各種系統(tǒng)的特性和大致工藝，根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目的具體情況選擇合適的外圍護(hù)系統(tǒng)。比如明框幕墻是玻璃四邊通過壓條固定于金屬框架上，技術(shù)簡單可靠，造價(jià)也比較經(jīng)濟(jì)；而隱框幕墻的玻璃四邊通過結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)于金屬邊框上形成小塊單元，單元整體懸掛固定于金屬支撐結(jié)構(gòu)上，對結(jié)構(gòu)膠粘合劑的要求較高，安全系數(shù)相對較低，而且價(jià)格較高；全玻和點(diǎn)式幕墻都有利于營造更加通透的視覺效果，但造價(jià)相對更高。雙層通風(fēng)式幕墻的內(nèi)外兩層玻璃幕墻中間是空氣通道，可安裝遮陽設(shè)施，利用幕墻系統(tǒng)本身的“呼吸”通風(fēng)來實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)，被認(rèn)為是節(jié)能效果最佳、隔聲效果顯著的外圍護(hù)系統(tǒng)，但其造價(jià)也最高昂。

除了建筑外圍護(hù)的外觀效果和性能外，建筑師還需要考慮其施工工藝。國內(nèi)比較常見的構(gòu)件式幕墻安裝時(shí)先在機(jī)構(gòu)上安裝金屬立柱，然后安裝橫梁，最后安裝玻璃板塊。這種施工模式現(xiàn)場工作量大，質(zhì)量控制難度較大；單元式幕墻是在工廠內(nèi)完成各種幕墻構(gòu)件和飾面材料的組裝成，然后整體運(yùn)至工地吊裝，與預(yù)先設(shè)置在建筑結(jié)構(gòu)上的掛件固定，單元件采用插接方式，整體進(jìn)行微調(diào)完成整個(gè)幕墻的安裝。這兩種系統(tǒng)對明框式幕墻的外觀效果影響不大，但對于全隱框式幕墻，單元式的插接方式會顯得更為精致，線條更為挺拔。

中央電視臺新址辦公樓選擇薄型單元系統(tǒng)并因應(yīng)結(jié)構(gòu)的布置采取幕墻分區(qū)設(shè)計(jì)，玻璃幕墻及其結(jié)構(gòu)“斜交格構(gòu)”覆蓋了整個(gè)建筑的外立面。整個(gè)主樓外圍護(hù)的支撐系統(tǒng)是基于“菱形鋼格構(gòu)”單元的整合，每個(gè)幕墻掛板作為堅(jiān)固的獨(dú)立單元，懸掛于斜撐構(gòu)架的菱形槽式鋼結(jié)構(gòu)之上，幕墻結(jié)構(gòu)的總體位移被累積在每個(gè)菱形鋼格構(gòu)的邊緣。由于菱形鋼格構(gòu)和薄型單元玻璃幕墻的施工與主體結(jié)構(gòu)施工同步進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造設(shè)計(jì)必須滿足主結(jié)構(gòu)施工和安裝過程產(chǎn)生的變位要求，同時(shí)幕墻系統(tǒng)與主結(jié)構(gòu)連接必須滿足小震1級和大震3級層間位移要求。

5.結(jié)語

高層建筑的建設(shè)在中國已是必然趨勢，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)討論的重點(diǎn)已不是是否建設(shè)高層建筑，而是如何提高高層建筑的質(zhì)量性能并減少對環(huán)境的影響。評價(jià)高層建筑的一個(gè)重要方面就是外圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅需要考慮建筑所在的自然和人文環(huán)境，而且要反映建筑的本質(zhì)，同時(shí)高層建筑的技術(shù)應(yīng)用與節(jié)能設(shè)計(jì)更不容忽視。建筑師有必要了解更多關(guān)于外圍護(hù)設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，從而保證外圍護(hù)的設(shè)計(jì)與建造能夠?qū)崿F(xiàn)建筑師的創(chuàng)作意圖，滿足環(huán)境、人文、功能和性能的諸多要求。 [科]

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