高层建筑的发展变化和挑战

高层建筑的发展变化和挑战石建光厦门大学建筑与土木工程学院土木工程系361005厦门[e-mail]0592-2182128摘要：全球城市化率发展加速阶段和城市化进程的急剧加快，使得城市人口密度迅速增加，城市的扩张和各类土木建筑工程持续快速发展。面对资源的约束、环境的影响，高层建筑获得前所未有的发展机遇。同时为了满足可持续发展、绿色生态、建筑节能、防灾减灾以及提高生活品质的要求，高层建筑也面临新的挑战，探索新的结构型式、创新设计理念、应用各种高科技技术成为高层建筑的发展方向。关键词：高层建筑结构型式设计理念高科技技术1.引言为满足人类生存空间、交通、环境等的需要和抵抗自然灾害、人为破坏的要求，土木建筑工程在不同的经济社会发展阶段有不同的发展内涵。如果以城市化率来划分经济社会发展的不同阶段，城市化率在30%以下为初期阶段、30%-70%为发展加速阶段、70%以后为后期成熟阶段[1]。世界城市化率平均为45％，欧美发达国家普遍超过70％，中国城市化率为43.9%、印度城市化率为29%，世界人口整体，特别是人口大国都处于城市化率发展加速阶段的早期。联合国2008年2月发布报告说，到2008年底，全球人口中将有一半生活在城市，到2050年生活在城市中的人口将从目前的33亿达到64亿，预计2050年的全球总人口将从目前的67亿增长到92亿，表现出全球城市化进程急剧加快的局面。城市化率发展加速阶段和城市人口的快速发展使得城市人口密度迅速增加，城市的扩张和各类土木建筑工程持续快速发展，这为高层建筑的发展提供了客观需求。目前土木建筑工程成为全球资源消耗的主要行业，占用资源的比例为：50%的能源、42%的水资源、50%的材料、48%的耕地。同时土木建筑工程也是环境影响巨大的行业，引起全球污染的比例为：24%的空气污染，50%的温室效应，40%的水源污染，20%的固体垃圾，50%的CFC(氯氟碳)/HCFC(氢氯氟碳)[2]。可见土木建设工程已经成为资源消耗的主要行业，和环境污染的主要来源。面对资源的约束、环境的影响，土木建设工程走可持续发展（SustainableDevelopment）道路成为必然[3，4]，高层建筑由于可以多方面满足可持续发展要求带来极大发展机遇。近20年高层建筑从建筑高度、分布范围、建设数量、使用功能、采用技术等多方面获得快速发展[5]。但面对绿色生态、建筑节能、防灾减灾以及提高生活品质等多种要求，高层建筑也面临新的挑战。2.高层建筑的新变化建筑整体的构成包括六个部分：家具陈设、内部空间和分割、设备系统、结构体系、外部维护装修和场地环境以及基础（图1），为满足绿色生态、建筑节能、防灾减灾以及提高生活品质等要求，高层建筑在建筑的各部分联系更加密切，从可持续发展角度，更多的考察能源、污染、土地生态、室内环境、水、废物垃圾、材料、交通、管理等指标[6]。而对于高层建筑的可持续性可以更加广泛的分为自然资源、环境、经济、社会等四个方面分别评价[7]。由于高层建筑的结构体系需要更多的材料以及新的技术，在高层建筑结构的设计中考虑可持续性提供了更多机会[8]。所以与建筑整体构成各部分密切相关的可持续性要求，在高层建筑中集中体现出来，相互的关系更加密切，更加注重整体性能和相互结合。在许多新的工程实现中反映出的变化主要体现在以下几个方面。图1建筑整体构成图2LondonBridgeTower可持续性评价[7]a)内部空间要求更加多样化内部空间使用功能从办公、住宅、酒店等单一功能向混合功能发展，同时绿色生态和提高生活品质的要求，花园、草地、运动、游泳、餐饮、停车等空间需求不断增加，还要考虑满足未来的功能变化要求。这既减少了外部的交通需求，也能使内部人员享受高的生活品质。如IBM马来西亚公司的总部大厦（图2）把花园引入各楼层，巴黎的“竖直花园”公寓（图3）和德国法兰克福商业银行总部大厦中错落上升设置的花园，让每层的办公室都可以接触到花园般的景色（图4）。多哈的AlBiddaTower涵盖了商业中心、陈列室、餐馆、艺术画廊、户外咖啡厅、健身俱乐部和7层停车场（图5）。图2IBM马来西亚公司的总部大厦图3巴黎“竖直花园”公寓图4德国法兰克福商业银行总部大厦（外观和内部）图5AlBiddaTower(效果图和施工现场)b)利用自然环境和高层特点降低各种资源和能源消耗自然资源中的阳光、风、雨水和高层建筑体量大、高度高以及人员集中、数量大等特点，为高层建筑充分利用自然资源和配置各种回收利用设施降低各种资源和能源消耗提供了机会。德国法兰克福商业银行总部大厦仅靠自然通风和采光手段已经满足内部通风和采光的需要（图6）。瑞典马尔摩海岸地区HSBTurningTorso公寓（图7）通过楼层的扭转使得每间公寓都拥有充足的自然光。图6德国法兰克福商业银行总部大厦内部图7HSBTurningTorso公寓日本大阪的关西电力公司总部（图8）体现了与环境]共生的理念，利用突出外窗1.8米的梁柱不仅形成外部遮阳也提供自然光、自然通风，建立太阳板、感应空调系统、内部畜热、三层高的高层办公中庭提供能源和改善室内环境。图8日本大阪的关西电力公司总部（外观和内部）位于美国佛罗里达迈阿密的COR生态大楼（图9）充分利用建筑的外部，将结构、隔热、太阳能板、风能设备等容为一体的建筑典范。阿拉伯联合酋长国阿布扎比海滩上正在建设的StrataTower（图10）不仅采用了参数化计算机设计技术，而且把沙漠地区的阳光和海滩天气与外部设计结合，解决遮阳通风和能源利用。日本东京丸之内大厦（图11）通过延长使用寿命降低对环境影响，加强抗震中的恢复工作空间、重复主管线、安全的大小机械口、恢复指导等延长使用寿命，开展施工中的垃圾再利用和运营中的节能和废物再利用。图9美国佛罗里达迈阿密的COR图10阿拉伯联合酋长国阿布扎比海滩StrataTower图11日本东京丸之内大厦（外观和内部）巴林世界贸易中心(图12)安装了风力涡轮机，可以提供11~15%的大楼用电。外部的设计充分考虑了遮阳和通风，内部污水的回收利用[9]。新加坡的EDITTTower(图13)在如何把街上生活引入高楼、竖向景观以及雨水收集等方面突出了可持续性理念(图14)，中国重庆的ChongQingTower设计除了花园景观、遮阳通风等外楼顶设置了4个风力涡轮机提供能源(图15)，越南的BIDVTower科威特的KTower(图16)，同样在引入花园等方面作了尝试[10]。图12巴林世界贸易中心图13EDITTTower图14EDITTTower竖向景观以及雨水收集图15ChongQingTower针对中国的住宅水平和节能环保要求以及地域特点，厦门蓝湾国际建设项目在建筑节能方面对外围护结构的热工性能、结构体系转换、复合桩基技术的应用、智能化管理等方面进行了细化的工作[11，12](图17)。总结这些新的设计变化可以发现，高层建筑在满足安全、适用、经济、美观等基本设计原则的基础上，结合可持续发展要求，综合资源、环境、社会发展等更多的需求成为发展的方向，这为高层建筑的发展带来了新的挑战。图16越南的BIDVTower和科威特的KTower[10]图17厦门蓝湾国际建设项目3.高层建筑面临的挑战在世界人口不断集中于城市，高层建筑迅速发展的背景下，为满足自然资源、环境、经济、社会等多方面的要求，高层建筑面临的挑战表现在：a)更加强调建筑组成的各个部分的整体考虑。建筑不再能单独规划设计家具陈设、内部空间和分割、设备系统、结构体系、外部维护装修、场地环境等，要更加注意个部分功能与整体要求的统一。比如外部维护和装修与结构体系、设备系统、场地环境要综合在一起解决，内部空间要把交通、环境、交流等同使用功能一起组织。突破传统专业分工和设计理念是成功的关键。b)更要体现结构体系的灵活性和多变性。功能的复杂和多样以及空间的多种尺度等使得结构从平面布置到竖向布置都面临不连续性和不规则性，要更加注意从结构体系整体考虑才能既满足结构要求也满足建筑要求。c)更要结合高科技发展满足高层建筑要求。风力、太阳能等可再生能源发电技术以及通风、采光等分析技术为满足高层建筑能源需求提供了科学技术支持，垃圾回收处理再利用、污水和雨水收集再利用技术等在高层建筑中有很多利用机遇，最大限度的利用这些新技术满足高层建筑的可持续发展要求是以技术支撑发展的必然选择。4.总结全球城市化率的急剧加快使得城市人口密度迅速增加，高层建筑在各地获得巨大发展机遇。面对资源的约束、环境的影响，高层建筑也面临许多挑战。为了满足可持续发展、绿色生态、建筑节能、防灾减灾以及提高生活品质的要求，高层建筑要不断创新设计理念、探索新的结构型式、应用各种高科技技术，才能满足社会发展需要的同时，满足可持续发展要求。参考文献1曾芬钰,论我国城市化战略的可持续性,OnSustainabilityofUrbanizationStrategyofChina,厦门大学经济学博士论文,2003年。2EarthTrends：August2007MonthlyUpdate:InternationalGrowthintheGreenBuildingIndustry，，YeuzhouXu：EstimationandforecastingofconcretedebrisamountinChina，RESOURCESCONSERVATIONANDRECYCLING49(2):147-158DEC2006，Resources,ConservationandRecycling，v49n2，December2006，p147-1584JianguangShi，QingchangZhou，ZhimingYe：TheDemandAndRecyclingApproachesOfConstructionMaterialInChina，WorldSustainableBuildingConference2008，Melbourne，Australia2008.9.22-265AntonyWood：Trends,DriversandChallengesinTallBuildingsandUrbanHabitat，17thCongressOfIABSE,Chicago,20086KenDalton1,RichardJohn：TowardsMoreSustainableTallBuildings，CTBUH8thWorldCongress2008，1-107AlistairGuthrie：TallBuildingsSustainabilityfromthebottomup，CTBUH8thWorldCongress20088AkbarTamboli,LeonardJoseph,UmakantVadnereandXiaoXu,ThorntonTomasetti：TallBuildings:SustainableDesignOpportunities，CTBUH8thWorldCongress20089N.W.Alnaser：TowardsSustainableBuildingsinBahrainTheOpenConstructionandBuildingTechnologyJournal,2008,Volume230-4510Dr.KenYeang,EcoskyscrapersandEcomimesis:NewtallbuildingtypologiesCTBUH8thWorldCongress200811林树枝姚金连李茉石建光:绿色建筑的地域性探索—厦门蓝湾国际住区建筑设计,福建建设科技2008年3期12-1412林树枝，姚金连，李末，石建光：居住建筑中的生态节能技术分析-以厦门蓝湾国际为例，福建建筑，2007年10期1-3