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我们的“小蛮腰”中国第一高塔广州电视塔绿色建筑新技术
作者:管理员    发布于:2022-08-04 01:44:28    文字:【】【】【

  广州市地处亚热带季风海洋性气候区,属于夏热冬暖地区南区,夏季和日照时间长,而且多台风、暴雨,降雨量大。建筑夏季空调时间较长,特别是大型公共建筑,建筑能耗巨大,推行绿色建筑理念有助于节约能源、创造优良的室内环境,引导正确的绿色节能意识。

  广州塔作为具有旅游观光和文化休闲功能的大型城市基础设施,是广州市的地标建筑,建设过程中积极贯彻落实建筑领域可持续发展理念,在绿色建筑、节能环保等方面进行了一系列的创新和尝试,其工程经验值得同类建筑借鉴参考。

  广州塔位于广州市珠江景观轴与城市新中轴线届亚运会开闭幕式的海心沙岛隔江相望,被评为广州“羊城新八景”之一,工程在2005年11月动工建设,2010年10月建成并投入营业使用。

  广州塔高600m,其中主塔体高450m,天线m,是具备广播电视技术用房、观光旅游、休闲娱乐、展览及商业等多功能综合性建筑。广州塔集合了当代先进工程设计和施工技术,在已投入使用的国内旅游观光塔中,为中国第一高塔。

  本工程所在地为亚热带气候区,最冷月平均温度13.3℃,最热日平均温度为28.4℃,夏季室外通风温度31℃,最冷月平均相对湿度70%,最热月平均相对湿度83%,夏季主导风向为东南风。2、绿色建筑的理念2.1设计特点广州塔的构成,是由上小下是由上小下大的两个椭圆,圆心相错,逆时针旋转135度,自然形成塔身中部“纤纤细腰”的形体。

  由于旋转,造成塔身外形曲率的变化,形成了形体各异的壮观效果。塔体顶部更开放的结构产生了透明的效果可供远望,有利于观光,建筑腰部较为密集的区段则可提供相对私密的体验,也使塔体结构的受力更为合理。

  广州塔天线桅杆为钢结构,塔体结构以钢骨混凝土核心筒作为轴心,外筒钢结构体系由24根钢立柱、46道钢圆环和斜撑交叉构成,形成镂空、开放的独特结构形式,有效减少了塔身的建筑体量和塔体结构承受的风荷载,建筑造型充分体现结构美,无多余装饰,充分体现了建筑与结构设计完美结合的设计思想,其结构体系对资源消耗和环境影响小,主要结构材料大量为可重复利用的高强度钢材和可有效节约材料的高强度混凝土,体现了绿色环保的理念,如图1所示。

  广州塔在设计、施工、运营中始终坚持可持续发展原则,注重建筑节能,采用新技术、新设备、新材料,重视环境保护,实现节地、节能、节水、节材的绿色建筑理念,达到二星级绿色建筑的要求。为节约土地资源,广州塔充分重视地下空间的开发和利用,通过设置采光井、采光顶和下沉庭院设计,营造了良好的自然通风采光环境。

  广州塔工程的绿地率为54%,兼顾本地气候特点,多层次配置木棉等岭南树种、植被,营造了“房在树中,人在绿中”的良好室外环境。广州塔各楼层外立面均为Low-E镀膜半钢化中空SGP夹胶玻璃幕墙,其可见光透射率达到59%。低反射的Low-E玻璃的采用,显著地减少了幕墙对环境的光污染,降低室内能耗。

  在室内空气处理方面,除常规的空气处理方式,空气处理机组通过设置静电过滤装置和光触酶空气净化装置,能更有效的过滤空气和降解室内有机污染物。对人员聚集的功能房间,设置回风二氧化碳浓度传感器,根据回风二氧化碳浓度自动调节新风电动阀,实现对新风量控制。

  室内噪音控制通过设置吸音层、选用低噪音设备和设置减振台架、浮筑减震楼板、弹簧减震器、橡胶减震垫等多种减振、隔声、降噪的措施,有效降低重大设备的运行噪音,有效改善室内舒适度。空调设备选用高效的冷热源机组,离心式冷水机组COP>5.20。冷冻水、冷却水双侧一次泵变频控制,大幅度减少冷冻水、冷却水输送能耗。冷热源系统全年能耗较传统系统低25%以上。

  在人员密度相对较大且变化较大的塔座的全空气系统,采用新风需求控制,在春秋季过渡季节还可实现全新风运行。

  采用转轮热回收装置实现排风热回收,在84.8米~460.8米区域设置分子筛型全热交换转轮热回收装置,以回收排风系统中的能量。以上设备和设施的采用,有效节约空调系统的能耗。应用智能照明节能技术,运用时间自动控制、智能感应控制和场景控制三种方式高效控制和管理广州塔的照明。

  夜景照明采用LED节能灯具,照明模式按照重大节日、假日、日常等不同要求进行编程控制,充分展示了“地标”形象,又节能降耗,降低了运营成本。加强水资源的回收利用,选用节水型设备系统,绿化使用滴灌技术,在平台广场、人行道路、室外停车场及护坡绿化带等部位铺装植草板、蓄排水板等,每平方米可储存约5升水。设置雨水回收系统,收集二层平台广场雨水处理后供广州塔绿化使用。

  在标高438.4米至448.8米安装了装机容量17.5Kw的半透明非晶硅BIPV光伏电池组件,共由346片3100×1800mm的半透明BIPV组件拼装而成,如图2所示。经统计,本项目光伏系统年发电量约为4900度。

  2.3.2风力发电系统在C区段屋顶(高度为168m处)安装两台螺旋桨式风力发电机,每台发电机装机容量为2.4Kw。经统计,每台发电机年发电量约为1000度。3、科研与设计创新广州塔在工程中应用了大量的创新技术,体现了低能耗、节能环保的绿色建筑理念。

  广州塔安装有国内第一高的主被动复合调谐质量阻尼器(HMD)振动控制装置,主塔结构的振动控制系统安装高度为438.4米,桅杆结构控制系统安装高度为565.2米。

  主塔减振控制系统利用近1200吨的消防水池作为TMD质量,在水池的顶部安装主动控制AMD控制系统,技术先进、成本经济,体现了节能、高效、环保的特点:

  二是节约了建筑空间资源2500平方米,节约建筑造价约5000万元,也节省相应的建筑材料资源;

  三是振动控制系统和消防水箱兼容,达到广州塔预防风灾、火灾和地震灾害的目的,而且由于消防水箱位于塔顶,发生火灾时能确保600立方米的常高压消防水用于灭火。

  和传统的被动控制系统相比,既提高了广州塔风振舒适度和桅杆结构的疲劳使用寿命,改善了人员和设备的工作环境,又解决了超高层建筑的消防用水问题,增加了结构安全和消防安全的可靠性,为超高塔类建筑提供较好的参考价值。

  广州塔是世界上第一座系统地安装有结构健康监测系统的高耸结构,是世界上第一个将结构施工监控与长期运营健康监测有机结合在一起的结构健康监测系统,这项技术成果已荣获第37届瑞士日内瓦国际发明及创新技术与产品展览金奖和大会特别奖。

  广州塔选取5个关键截面并安装700多个各种传感器和设备,能够实时监测广州塔的环境参数、荷载作用和结构反应参数,实时对结构的安全进行监测,为广州塔的安全施工、营运、维护等决策提供第一手的数据和资料。该结构健康监测系统的技术创新在于给主塔安装了一台“24小时的动态心电图扫描仪”,实时监测广州塔的结构安全。

  在广州塔投入运营后,特别是在遭遇风灾、地震灾害后,不需要动用大量人力、物力重新安装结构监测和探伤的设备,就能实时诊断广州塔是否出现结构损伤,评价结构的安全性,保证使用安全,避免反复投入大量人力、物力和财力,节约资源。

  广州塔采用新型的可以将两个垂直互相移动的轿厢联成一体的“高速双层轿厢电梯”,以满足不同层高的要求。采用独有的伸缩仪作为连接并调节上下轿厢垂直距离的机构,满足广州塔楼层高度相差2米转换的要求。

  一是节约建筑空间资源,与液压驱动上下轿厢运动方式比较,外轿架的尺寸更小,大大节省井道面积,使轿厢的净尺寸尽可能扩大,在相同井道面积的前提下,增加了约1.8倍的运力,给乘客更大的轿厢空间感,共节约井道面积约3168m2,节约建筑造价6300万元,也节省相应的建筑材料资源;

  二是节约了电梯电动机的数量和能耗。双轿厢电梯节省轿厢距离调整驱动马达的能源消耗,且配置有电能回馈装置,大大提高了垂直电梯运营的经济效益。

  采用创新的承接式连接设计桅杆钢柱直接与核心筒钢管柱连接,天线的重力直接传到核心筒,弯矩由内筒逐步传递到外筒,实现结构的弱转换,有利于结构抗震;塔体顶部没有刚度突变。对建筑功能、垂直交通、设备管道等影响小,施工难度小;可节省钢材约200吨。

  为高耸结构设计提供了一种新的形式。此外,针对广州塔结构体形复杂,设计存在超出规范设计依据的情况,开展了基本风压、抗震设防标准、结构风洞试验、地震模拟振动台试验、外筒柱节点试验和稳定试验、消防安全性能评估、岩层侧摩阻力试验等一系列的科学试验研究和技术创新,确定超出设计规范的关键设计依据,对设计进行了优化完善,从而保证了新技术的科学性、可靠性。

  例如,新型外筒刚性节点设计和空间万向铰节点,分别解决了广州塔外筒钢管混凝土斜柱、钢斜撑和环杆不相交的结构构造问题和内、外筒在荷载和温度作用下的相对变形问题,合理释放与外筒连接的楼层主梁的内力,既保证了广州塔独特美观的外形,也确保了广州塔结构的整体安全和使用性能,可供类似工程借鉴。

  广州塔主塔结构由椭圆形混凝土核心筒和大直径钢管斜交钢结构外框筒组成,外形具有扭、偏、镂空等特点,优雅美观,但结构建造难度巨大,施工精度要求高,为优质、安全、高效地完成建造目标,以项目为载体进行技术攻关,突破了大量技术难题,取得了大量的创新技术成果。

  广州塔外框筒钢结构柱子及其他构件分段单件吊重约为20~40t;核心筒为长轴17m、短轴14m的狭小椭圆截面,内部为密集的电梯井道;为满足总量达50,000t钢结构的安装,至少布置两台大型塔吊才能满足工程的需要。

  根据结构的特点和工程的实际,国内首次采用M900D外挂爬升塔吊如图3所示,实现重型塔吊外挂作业“零”的突破,有效提高施工效率,缩短施工工期。

  广州塔150m高的天线t左右,分成格构段和实腹段,设置于454~600m的高空,施工难度高。本工程制定了以计算机控制,液压整体提升工艺完成超高空桅杆的安装就位的技术方案,即将长90m、重630t的上部桅杆先行组装在下部格构段腹内,再利用在格构段顶部(+529m)处设置的计算机多参数自动控制液压提升设备(4组20个穿心式液压千斤顶)实现提升段天线桅杆的超高空连续提升,快速就位安装,有效缩短施工工期,节省了大量的人力物力。

  根据核芯筒超高、椭圆、狭小等特点,设计了定制的整体提升钢平台模板体,对构成体系中的提升系统、平台系统、模板系统、挂脚手系统等进行了优化和改进,体现了高效节能的特点:

  (2)实现核芯筒内水平和竖向结构同步施工,大幅提高施工过程中核芯筒的刚度,确保施工过程中核芯筒结构的安全。

  (3)整体提升钢平台具有封闭的操作环境,避免了高空坠落的危险,确保了施工的安全。

  (5)钢平台体系可以带载提升,提高了施工的效率。另外,本工程施工还采用了三维空间测量技术、焊接变形控制技术、综合安全防护隔离技术、倾斜钢管混凝土结构施工及检测技术、异型钢结构预变形技术、温度场监测和控制技术等创新施工技术,结构采用了Q415NH耐候钢、C80高性能混凝土等新材料,建设部十项新技术的综合应用达到了全国领先,近20项发明专利和实用新型授权,取得了明显的经济效益及良好的社会的效益,通过上述科技创新,安全顺利高质量地完成了广州塔的建设,科技成果已先后成功应用到上海中心、广州西塔等重大工程的建设中。

  广州塔项目通过绿色建筑技术的应用和实施,在节能、节地、节材、节水和室内外环境改善等方面取得良好效果。

  (1)合理利用地下空间,地下空间的建筑面积与建筑占地面积之比为69%,有效节约了土地资源。

  (2)风力发电机年发电量约为1000度。BIPV光伏幕墙年发电约4900度。夜景照明每年可节电200万度。热泵每年节电60万度,实现节能运营。

  (3)充分利用可再循环材料,并通过结构优化节省钢材1400吨,可再循环材料使用重量占所用建筑材料总重量的46.6%。

  (4)采用振动控制系统和消防水箱兼容的设计形式,节省1200吨的钢材,节约建筑面积2500平方米,节约建筑造价5000万元,也节省相应的建筑材料资源。

  (5)采用高速双轿厢电梯,节约井道建筑面积3168平方米,节约建筑造价6300万元,也节省相应的建筑材料资源。

  广州塔自开放以来,共接待中外游客500多万人,并在第十六届亚运会上大放异彩。其应用了多项创新技术,展示绿色建筑设计理念和技术,宣传绿色建筑知识,吸引约50万中小学生参观学习,进行绿色、低碳、环保等方面的科普教育,取得良好的社会效益。广州塔作为国内首个达到600m的高塔建筑,设置了超高空的气象和环境监测站(PM2.5)、雷电预警、交通监控、人民防空、公安消防指挥等公共服务设施,为广州市城市管理提供综合高效的平台。

  广州塔项目形成了大量的的研究成果,已获得17项授权专利,1项软件著作权,提供5部标准,1部著作,2种市级工法作为重要参考依据,对研究成果的推广和应用起到积极的作用。先后获得了全国优秀工程勘察设计行业奖建筑工程一等奖、第六届中国建筑学会建筑创作优秀奖、中国建设工程鲁班奖、中国土木工程詹天佑奖等二十多项国际、国家、省市的奖项,形成了系统自主的知识产权,为复杂超高层结构建造提供了先进的成套技术,技术成果具有方便的可移植性,经济和社会效益显著。

  (1)采用高性能玻璃幕墙、自然采光、高效空调制冷系统、变频水泵、热回收、过渡季节全新风利用、智能照明和LED夜景照明系统、楼宇智能控制与分项计量等一系列节能措施,可有效降低了建筑运行能耗。

  (2)在建设的各个阶段,应将商业价值的收益率及后期使用和维护作为引导工程推进的重要指标,实现建设与运营管理的“无缝接轨”,有利于绿色建筑理念的贯彻落实。

  (3)针对工程结构体系复杂的特点,本项目应用的创新性设计技术为同类建筑提供绿色建筑示范作用。

  一是采用振动控制系统和消防水箱兼容的设计形式,为国内外超高层建筑预防风灾、火灾和地震灾害的设计提供了示范案例;

  二是采用结构健康监测系统,为如何采用比较经济、科学、有效的手段,监测超高层建筑的结构安全,提供了示范案例;

  三是采用高速双轿厢电梯,为超高层建筑如何充分利用有限的电梯井道资源,增强运力,减少电梯驱动设备的数量和能耗,提供了示范案例。

  (4)本工程涉及到结构特征的复杂体系的超高层施工建造所需用到的施工控制技术、钢结构吊装技术、天线桅杆提升技术、土建结构施工等关键技术,由于系统集成了控制技术、信息技术、物联技术、机械技术于一体,使得在研制关键设备和设施的应用下,确保了超高层施工安全可靠,经济性好。

  通过广州塔的成功示范,为其它类似建筑可提供参考和借鉴作用,可推广到其他复杂超高层结构和大型钢结构工程的绿色建筑建造施工中去。

  (5)风力发电、光伏幕墙、雨水回收利用等绿色节能技术的应用及经验成果的推广,使人们能认识到绿色建筑节约能源、节约资源和回归自然的理念,引导建筑设计向良性、环保、可持续方向发展,推动绿色建筑的发展,带动建筑材料、高性能设备等相关产业的发展,同时提高塔类建筑的绿色环保效益,提高公众对环保认知度。因此,本项目具有显著的社会效益、环境效益和经济效益,具有重要的推广价值。

脚注信息
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