来自超高层建筑的挑战

2013年11月20日上午,“超高层建筑中的新技术与新材料应用论坛”在上海浦东豪华的嘉里大酒店浦东厅举行.此次论坛吸引了国内建筑业界科研、设计、建造等领域近千余名专家、学者、技术人员参与.作为我国超高层建筑发展里程中的重要会议,多名国内顶级的建筑设计师纷纷现身说法.

我国的超高层建筑的飞速发展得益于改革开放以来经济的快速前进.正如上海市建筑学会常务副理事长兼秘书长曹嘉明说的那样,如今中国结构工程师已具备设计300米---600米超高层建筑的能力,虽然我国高层建筑的设计和施工水平与国外相比还有一定差距,但“西风压倒东风”的局面正在一点点得到改变.

会议认为：设计师们注重高度、结构的同时,更应该注重高层建筑的交通、景观,以及新材料应用,发掘建筑材料在现代建筑表现力中的潜能,探讨它们作为设计元素之一,如何体现建筑师的个性,建筑的个性、城市的个性、地域性及历史文脉,真正使建筑材料在新时代的建筑设计中焕发新的生命力,使中国现代建筑更多元化、更个性化、更人性化.

我国超高层建筑的发展

目前,超高层建筑已在全国众多城市广泛散播.随着我国现代建筑结构安全技术的日渐成熟,建筑的高度已被当作城市的核心象征与标志.凡是近几年到过上海的人都能体验到,若是迷失于交错繁华的上海街头,不必惊慌,抬头找一下东方明珠和金茂大厦,依靠这两个“大个子”就可确定你的方位.超高层建筑仅依靠“身高”的优势就可以聚集很多人气,更不必说你登上东方明珠站在城市之巅鸟瞰壮观大气的市容风景,那种“一览众山小”的惬意心境了.

超高层建筑中的新技术与新材料应用,虽然只多了一个“超”字,但对已建成的超高层建筑中的新技术与新材料中的能源、安全、环境等发展经验尚需积累.超高层建筑的垂直立面可能穿越一个或多个“气候区”,加之现有国家建筑节能标准的超高层建筑的适用性一直存在疑问,但人们对城市高度的无限渴望远未停歇过.据不完全统计在我国建筑高度大于300米以上的超高层建筑,2000年以前仅三幢,分别为深圳地王大厦、广州中心广场和上海金茂大厦.2000年―2010年间就建了10幢,而当前在建的项目就有40幢,此外的建筑项目也有10余幢,这类超高层建筑分布于我国不同的省、地级城市,从这个地标建筑看,说明我国各地的城市化建设高速发展,其建筑建设水平也获得惊人的进步.这类巨人建筑每幢楼的建筑面积和能耗体量之大均相当于一个中小型的城镇面积,因此许多建筑师直接称之为“垂直城市”.

华东建筑设计研究总院高级工程师、国家一级注册建筑师张俊杰院长在他的《超高层建筑设计技术的新成就与“垂直城市”的未来畅想》一文中是这样论述的：近年来中国超高层建筑蓬勃兴起,已经在高度和规模方面处于世界的前列.在高度方面,截止目前统计,我国在建的深圳平安大厦建筑（646米）、武汉绿地长江中心（636米）、上海中心（632米）等的高度都突破了600米,即将开工建设的苏州中南中心高度预计接近到了700米.于此同时,国际上超高层建筑的高度也在不断攀升,阿拉伯联合酋长国的迪拜哈里发塔的高度超过了800米,正在设计中的沙特阿拉伯吉达市王国塔将成为人类首座千米大厦.在规模方面,据不完全统计数据显示,中国已建和在建超高层建筑总数（高度为200米及以上）共计近580座,大多数集中在经济发展的4大热点区域,其中,长三角区域占比约为三分之一；珠三角区域占比约为四分之一；中西南区域占比约为五分之一；环渤海区域（包括东三省）占比约为六分之一.截止2012年,共建成250米以上的超高层建筑94幢.

我国发展超高层建筑的意义

在张院长看来,经过近百年的关于城市发展模式的探索,到20世纪末许多国家开始认识到,聚集高效并且密集混合的超高层建筑使城市能够节约宝贵的土地资源,更好地推动城市的可持续发展进程.同时还可以为城市居民创造混合多元、丰富多彩的高品质生活,促进社会各阶层的公平交往和相互融合,持续保持和提高城市活力和竞争力.

城市空间布局的集聚化和城市功能布局的混合化模式为超高层建筑提供了展示巨大发展潜力的舞台.为了最大化地节约土地资源、为了高效率地满足多样化的社会功能和生活方式,超高层建筑以及由超高层建筑集群形成的"垂直城市"开始走进城市发展进程中来,并越来越显示其旺盛的生命力.在关于城市集聚化空间布局和混合化更能布局的发展趋势中,张院长对原有空间布局的“中心扩散”模式和存在的问题是这样阐述的：在近一个世纪的城市发展过程中,"中心扩散"模式在全世界许多国家城市中得到了大量实践.随着城市人口的集聚和产业发展扩张,城市持续的向外扩张,开发了大量的卫星城和新园区,大量人口和产业设施向城市郊区持续转移,不断吞噬着城市周边的自然环境.低密度城区和低效率的土地利用产生了许多问题,造成了城市土地过渡开发、交通拥堵、能源浪费和自然环境污染等方面负面影响.他拿21世纪初,英国伦敦的城市发展战略规划为例,城市发展的最终目标应该是改善城市环境,不能盲目占用农村土地、不能盲目扩张城市面积.城市空间布局的集聚模式在伦敦各界取得了共识.

目前中国城市化率已经超过了50%,根据有关学者研究指出,到2025年中国的城市化率可能达到65%―70%,城市人口预计将达到10亿左右.根据有关学者预计,2050年前后,将会有5000万人生活在北京天津组成的城市集群核心带地区.中国的城市化道路必须走集聚模式的发展道路,中心扩散的发展模式无法为中国城市化进程提供顺利的发展前景.在对“垂直城市”的未来畅想中张院长提到,“垂直城市”指一种能将城市要素包括能源自足、产业布局、交通通讯、居住娱乐、医疗教育、防灾安全等各方面集成于一个巨型建筑或巨型建筑联合体内的建筑类型.这种建筑类型拥有巨大的体量,超高的容积率,千米以上的高度,庞大规模的人群等特征.“垂直城市“具有空间布局方面的集聚性和功能布局方面的混合性.

20世纪20年代,柯布西耶通过“光明城市”的理念,提出了巨型垂直城市的畅想.在他主持的巴黎伏瓦生规划中,运用远远超出当时人们想象力的巨大尺度和体量,创造性地打破巴黎传统城市中心的空间格局和功能格局,描绘了全新的城市面膜和城市生活.近80年来还有许多学者和建筑师提出过垂直城市的畅想,推动了城市发展理念的变革.到20世纪末,当代著名意大利建筑师索勒里提出了“垂直巨构城市”的理念,一栋巨构建筑就能将城市各功能要素整合在其中,高度达1000米,10万人共同工作和生活.人类来源于自然,同时又不断创造自身所处的物质环境,并改变自然.今天的人们已经通过建造超高层摩天楼实现了达到千米的梦想,在不远的将来,人们还将运用持续创新的理念和技术,建设崭新的“垂直城市”创造并实践新一代的生存方式.

超高层建筑发展挑战现有建筑材料和技术

现代超高层建筑已经成为中国经济社会发展和城市化进程的重要标志之一,同时也已经成为中国建筑行业和城市建设发展的前瞻性重大课题之一.通过考察和研究中国现代超高层建筑设计领域的最新技术成就,可以梳理和总结出中国现代超高层建筑"两大产业发展导向"和"五项关键枝术".

两大产业发展导向包括：绿色建筑技术产业发展导问、基于全生命周期建筑信息模型和参数化技术平台的建筑产品工业化的产业发展导向.五大关键专项技术包括结构技术、设备技术、防灾技术、电梯技术、幕墙表皮技术.张院长还对中国超高层建筑今后迈向“垂直城市"的未来发展趋势.做了进一步的畅想.

随着城市人口的不断发展扩张,“超高层是城市发展不可避免的一种建筑形式”,就超高层本身来讲,它在本质上是“可持续的”,因为它们能在较小的土地面积上容纳较多的人,还能提供高效的垂直和水平的交通系统,以鼓励使用公共交通,创建步行城市.超高层建筑中所采用的新技术与新材料应用的一些节能技术有很多特殊考虑,其中,外立面设计是超高层建筑的核心技术之一,如何做可持续超高层建筑的外立面设计,德国旭格国际集团旭格幕墙门窗系统（北京）有限公司技术总监孙德岩先生在《可持续超高层建筑的外立面设计》一文中是这样描述的：建筑在其建造和运营过程中会消耗大量的能源、水和材料,同时产生大量的废物.它们的建造位置和建造方式在很大程度上影响着我们周围的生态系统.随着建筑对环境的影响日益明显,“可持续超高层建筑”作为减少建筑对环境不利影响的一种尝试,得到了越来越多的重视.“可持续超高层建筑”是一种建筑实践,试图以更健康更节约资源的方式建造、改造、运营、维护和拆除建筑.

“可持续”这个词是英文sustainable的直译,这个词同时也有“负担得起”的含义,采用这个词作为这一类建筑的统称,主要是想表达以下的意思：在常用的化石能源越来越少,越来越贵的情况下,要使原本舒适的居住环境在这种趋势中仍然住得起,我们就需要采取措施改变既有建筑和新建筑的运作方式,使其能够适应当地气候变化,尽量减少无谓的能耗.实际上,我们国内的一些具有超前眼光的建筑师和开发商已经在实践这种建筑形式.这就是在国内称作的“气候敏感型建筑”或者“生态建筑”.当前我们所面临的“能源短缺”和“气候变化”等全球性的问题不是突然出现的,是和我们所习惯的“高速”、“舒适”、“便捷”的都市生活方式有直接的关系.这些工业文明和城市化进程曾经为我们的社会带来了飞速的发展,为适应人口增长和城市化的需要,高容积率的现代建筑大量出现.

该怎样把握从“可持续超高层建筑”的角度来看外立面设计?孙总监是这样阐述的：以往建筑师更多地从结构角度看待外立面,通常把建筑外立面叫做围护结构,更多地强调封闭和隔断.但对于“可持续超高层建筑”,应该尽量多地利用建筑周围的自然环境中的有利因素.因此我们把它看作一种能够随环境动态变化的半透膜,把不利的环境条件隔离掉,把有利的环境条件引入到室内.

设计这种半透膜式的外立面的目的和着眼点是确保使用者的舒适,没有了这个前提,其他任何努力都是没有意义的.舒适完全可以用一些特定的指标来量化,而且这些指标不会因为居住者的肤色和种族不同而变化.孙总监最后强调：要做好可持续超高层建筑的外立面设计,首先要应用新技术开发经济高效的节约能源和生成能源的组件,包括高性能门窗、外遮阳装置、日光引入装置、立面组件的综合控制系统和光电光热等太阳能组件,使得建筑师和外立面设计师在工作时有充分的选择.然后针对特定的建筑所处的宏观和微观的自然环境和气候条件进行定量的分析,确定该建筑每一个立面在各种工况下的环境变化规律.之后,充分考虑居住者的舒适性要求,使上述这些节能组件动态的响应周围环境的变化,确保恒定舒适的室内环境.也就是说,与其强制居住者接受最新的技术和方法,还不如裁剪和拼接这些技术和方法去适应居住者的需求.

创造可持续发展的超高层建筑

正与孙德岩总监说的那样,创造可持续发展的超高层建筑,需采用整体、综合的设计方法,强调建筑与自然环境的相辅相成,即“整体环境主义”的建筑哲理.也就是人造和自然环境每一个构成元素都是相互联系的,同时建筑设计应基于对其在当地、地区及全国乃至全球范围内的职能的理解.

楼越建越高,主体结构和立面材料越来越轻,目前的一些新型的建筑形式每平米的重量甚至已经低于当地的风压,如果没有坚实的结构支撑,就可以像风帆一样随风飘起.暖通和空调技术的迅猛发展使得建筑师和最终用户并不太注重这些越来越轻薄的外立面材料所具备的热工性能和与当地气候的适应性.在化石能源看似取之不尽的时代,外立面的艺术性和原创性要比看不见的热工性能重要得多.就这样,各种结构形式相似,外立面相同材质不同外观的高楼大厦拔地而起.但是我们知道,建筑是离不开当地的气候环境的.正因为这些特定的气候环境决定了当地的建筑形式,久而久之,才形成了一种特色的文化传承.

但这些特征和传承在现代技术面前就显得很苍白无力.图中的三个建筑分别位于亚洲、中东和俄罗斯.这三个地方的气候环境截然不同,文化迥然各异,但是在强大的人工气候调节系统的干预下,它们的外观可以很相似,而其居住者和使用者可以很舒适,完全不必理会室外的环境如何.但是这种舒适和漠视自然的状态是不可持续的,也就是不能长久的.这些所谓的现代建筑正在成为能耗大户和排放大户,为“冰茶效应”付出代价.“冰茶效应”是指,为了制作做冰茶,要先把水烧开,把茶冲好,然后再放入冰箱直到冷却.在这个过程中消耗了大量的能源.就像在建筑设计时不注重节能,夏季时使太阳辐射没有遮挡的进入,在冬季时使室内的热能迅速地传到室外,为了应对这种情况,创造一个舒适的室内环境,建筑师不得不选用大功率暖通空调系统,耗费大量能源去人工调节室内环境.这样做的后果是,我们正在以其生成速度的一百万倍消耗着化石能源,同时排放出大量的温室气体,毒害着我们赖以生存的环境.

一些有社会责任感的建筑师和开发商已经在寻求转变.在近几年我们为建筑师提供怎么写作的过程中已经能够明显地感受到这一转变.其中之一就是向传统建筑寻求解决方案.

各地的传统建筑,它们存在的时间比我们所谓的现代建筑存在的时间要长得多,与当地气候的适应性非常强.他们不仅仅具有历史文化价值,它们绝大多数仍然使用价值,对他们进行建筑物理方面的研究是具有非常重要的意义的.但是,我们知道传统建筑的体形系数都比较大,一般在0.5～0.7之间,它们有足够的空间可以在建筑物理方面做文章.对于我们这种人口大国来说,完全的回归传统是很难做到的,人口的增长和城市化进程要求我们必须针对现有的高容积率的建筑形式提出解决方案,去适应城市化导致的人口集中,同时确保居住者的舒适.

现在的中国,随着城市化进程的不断发展,超高层项目不再是一个单纯的标志性建筑,而是需要成为真正的多功能建筑模式,解决当今城市人口密集和用地紧张的矛盾,是城市应对建筑面积需求的一种解决方案.

当然,每个城市都有自己的历史文化,但不管它的历史多么悠久,如果不继续发展,不继续生长,面临的只有被淘汰.一个城市必须面向未来,必须接受一些新的建筑形式,而不仅仅是现有的生活方式.城市不是一成不变的,每个城市在每个时代都会经过一定的演化,重新发现自己的闪光点,向社会向世人重新展示自己的新形象.超高层作为我们这个时代的一个建筑产物,正向外界展示出自己独特的魅力.

[文献标识码]D

[文章编号]1671-3362（2014）01-0036-04