任宇奇

摘 要：进入21世纪以来，超高层建筑接连涌现。随着科技的发展与建筑水平的提升，建筑师们不断刷新着超高层建筑高度的记录，许多挑战也随之而来，其中最大的问题当属能源问题和环境问题。为了迎合时代的主题，走可持续发展的路线，上海中心大厦采用了许多绿色环保的创新设计。本文将从上海中心大厦节约土地的手段、节约材料的绿色设计、能源节约与再利用、空中花园环境设计以及BIM技术在的应用这五大方面简要介绍上海中心大厦的绿色创新设计。

关键词：建筑设计；节能环保；BIM

中图分类号：TU352.11 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0001-02

1 工程概况

上海中心大厦坐落在中国上海浦东陆家嘴金融区，建筑的高度为632米，是目前我国的第一高、世界第二高建筑。地上部分共124层，建筑面积38万平方米，分为9个区段，每个区段之间都设置设备层和避难层；地下建筑面积为14万平方米。裙房高38米，其中地上有7层，地下有5层。上海中心大厦是一座迎合21世纪绿色创新理念的多功能综合性大厦，集观光、办公、商业及酒店为一体，是以绿色、文化、智慧为核心理念的垂直生态社区。

2 绿色创新设计浅析

2.1 节地与室外环境

上海中心大厦的建筑面积大约和上海外滩面积相同，是一座在3万平方米的土地上建立出的建筑面积为57万平方米的垂直城市。这极大的节约了土地面积，减少了人均占有面积。但是，想盖出这样一座超高摩天大楼并不容易，它所在的区域既是高楼林立的密集区，又是软土区域，所以在地基的设计施工上需要花费很多功夫。对此，施工人员设置了近千根个长86米的钻孔灌注桩，而后一次性浇筑约6万立方米混凝土，形成一个厚度达6米的基础底板，在其上进行基础的进一步施工，极大程度地减小了软土给大楼带来的潜在危害。

2.2 节约材料的绿色创新设计

上海中心大厦迎合绿色的设计理念，所以在保证大楼的各项性能达标的前提下，要尽可能地节约材料，为此，设计师们设计了如下方案：

（1）大楼采用了巨型框架-核心筒-伸臂桁架的抗侧结构体系，其主要结构为筒中筒结构，里面为钢筋混凝土核心筒，从核心筒延伸出伸臂桁架与通过环形桁架固定成束的八根巨型钢柱组成的外圈受力体系固定在一起，外面为圆三角形玻璃幕墙筒。这种结构设计充分利用筒体优秀的抗弯性能，均匀分散应力，这样既能够提高大楼的抗侧力性能（抵抗风荷载和地震作用），又能使得大楼的抗震性能提升，同时还能高效利用材料。

（2）上海中心大厦自振周期大于9s，由于超高层建筑高处风力很大，当到达临界风速时，建筑物周围会产生漩涡脱落现象，造成涡激振动，超高层建筑易受涡激振动而产生附加的横向风荷载，因此超高层建筑的抗风设计比一般高楼的抗风设计需要考虑的因素更多。上海中心大厦的设计师们采用了契形立面、截面变化和圆弧倒角三种有效减小风荷载系数的空气动力学优化方法，有效减小了横向风对大厦的作用力。为了进一步优化，设计师按比例对上海中心大厦进行同比例缩放，采用刚体高频测力天平的方法，分别对扭角为100°、110°、120°、180°；顶部平面尺寸收缩比例为25%、40%、55%、70%、85%的大厦缩放模型进行风洞实验，最终确定了以扭转角为120°，平面尺寸沿竖向收缩到底部尺寸为55%为最佳的外形设计方案。此外，上海中心大厦顶端安装了TMD调谐质量阻尼器以减小在水平荷载作用下的横向加速度。使用这种设施，虽增加了千分之二到千分之三的总质量，但可以大幅度减小建筑的加速度响应。上海中心大厦也因采用了TMD的方法使得大厦的舒适度水平由不采用时的H-30（不到30%的人群能感受到晃动）变为H-10（不到10%的人群能感受到晃动）。

（3）对结构的大型构件和关键受力构件，从截面选型、承载力、抗震延性等方面进行了研究并对其进行优化设计，创新性地使用了异形钢混结构，充分发挥材料性能；对关键复杂连接节点，即伸臂桁架与巨型柱连接节点、伸臂桁架与核心筒连接节点的创新设计，结合理论分析并进行试验，验证了其设计的合理性。

（4）超高层建筑楼面活荷载满布几率较小，因此，上海中心大厦的设计师们将承重面的模型分解为多段，并逐段分析受力情况，综合考虑了最不利分布情况并结合实际发生的可能性，使活荷载系数得到优化，累计减少用钢量约12000t。

2.3 节能与能源的有效利用

绿色建筑强调对资源的节约和循环利用，上海中心大厦综合节能率大于60%，可再循环材料利用率大于10%。大厦有许多绿色环保、节约资源的创新设计，这些设计既体现在施工过程中的资源节约，又表现在大楼实际运营中能源的再利用。其部分设计如下：

（1）在大厦顶部和周围地表配备雨水收集装置，将所得雨水储存于位于大厦地下的储水池中，用作浇灌室内花园草坪、办公楼卫生间冲水等用途的中水。其利用率可达到25%。

（2）上海中心大厦作为超高建筑，其上部风能储备非常充足，高空的年平均风速达每秒8～10米，十分适合风力发电。因此，工程师在大楼的最顶层设立风力发电系统。该系统共配备270台风力发电机，总额定功率为135千瓦，每年为大厦提供119万度电。

（3）上海中心大厦采用燃气冷热电的三联供节能系统。系统以天然气为主要燃料进行燃烧，通过燃气发电设备进行发电。之后，通过余热回收设备对燃气发电设备发电后的余热进行回收，向用户供热或供冷。三联供的節能系统的应用，使一次能源的利用率发挥到极致。大厦同时也配备地源热泵即充分利用地下的恒温，夏天通过循环水给室内降温，冬天则通过循环水给室内升温，达到节约能源的目的。

（4）就地取材，建造大厦的材料70%以上都取材于本地或距施工现场不超过500千米的地方。工程施工环节的废弃物再利用率高达百分之七十到百分之八十。endprint

2.4 室内环境设计

上海中心大厦是一座以绿色、文化、智慧为核心理念的垂直生态社区，旨在打造一个健康、舒适的室内环境。大厦共9个分区，几乎每个分区的底部隔一定角度就设有一个空中花园，大厦共有21个这样的空中花园。花园内视野广阔，可将上海风光一览无余，为在大厦内部的人们在工作之余提供了生机盎然的修整娱乐空间。通过绿色节能系统的设置，巧妙的将摩天大楼与绿色生态联系到了一起：

智能照明系統最大程度地利用室外的阳光，不在工作时间时，大厦的照明系统会自动关闭，在工作时间段，智能照明系统将会根据室内人员的人数的多少按程序设定，控制窗帘的开启与闭合，同时控制光源的盏数来将室内的亮度控制在一定范围内。除了空调系统能够自动调节温度以外，当室内二氧化碳的浓度达到设定限值的时候，新风系统会自动向室内输送新鲜空气。这套室内智能系统平均每年节约相当于4000t煤的燃烧所产生的电能，并减少约10000t二氧化碳的排放。

2.5 BIM技术在建筑中的应用

BIM（Building Information Modeling），是21世纪在工程建设领域兴起的一种信息技术手段，能够利用计算机模拟建筑从设计施工到后期运营管理的整个生命周期。

上海中心大厦的工程规模庞大，施工风险极大，且施工过程中涉及多家公司参与决策，各方进行交流时的协调性会大大降低，此外在大楼正式运营时的物业管理也十分繁杂。与AutoCAD相比，BIM能够通过3D可视化界面模拟建筑的整个施工过程，将问题解决在实践之前，对于上海中心大厦这样的超级工程来说，BIM技术的应用势在必行。

BIM技术能够实时模拟大厦的施工进程，能够将设计、施工、后期管理维护串联整合到一起，使得不同领域的工作人员能够在一个平台上沟通与合作。既能提高决策的效率和质量，又可以减少施工过程中配合不默契，误解纠纷情况的发生。BIM技术配合全周期的健康监测系统能够有效控制误差的积累蔓延，从而提高工程质量。

3 总结与展望

上海中心大厦作采用的许多设计与施工技术在中国乃至世界建筑史上是史无前例的，获得了不少国内、国际上的殊荣。虽然绿色建筑在建造时要增加3%～5%的投资，但是在未来的运行中会降低20%左右的能耗，不仅迎合当今时代绿色环保的主题，还能够带来持续的经济效益。上海中心大厦作为我国绿色超高层建筑的先驱，为中国的绿色超高层建筑的发展起到了先锋的带头作用。与此同时，我们也看到了绿色建筑光明的发展前景。在这个大力倡导可持续发展能源战略的时代，建筑的意义已经不仅仅止步于满足人们基本需求的工作生活场所，还结合了许多绿色创新理念，相信在以后，更多类似的绿色建筑会被应用到实际的设计施工当中，步入快速发展的快车道。

参考文献

[1]顾建平.上海中心大厦超高绿色建筑[J].建筑技术开发学报，2015，（02）：19-20.

[2]丁洁民.上海中心大厦绿色结构设计关键技术[J].建筑结构学报，2017，（03）：134-140.

[3]赵昕.上海中心大厦结构抗风设计[J].建筑结构学报，2011，（07）：1-7.

[4]周志浩.杨晖柱.张其林.BIM技术在上海中心大厦结构健康监测中的应用方案设计[J].现代结构工程学术讨论会.

[5]范宏武.从节能环保角度谈超高层建筑的可持续发展？——以上海中心大厦为例[M].中国学术杂志电子出版社，2016，（03）：22-24.endprint