Влияние изменения климата на стратегии проектирования высотных зданий

Изменение климата меняет построенную среду беспрецедентными темпами. Для высотных зданий - сооружений, которые уже раздвигают границы инженерии, материаловедения и городского планирования - ставки особенно высоки. Повышение глобальных температур, усиление штормов, повышение уровня моря и более частые экстремальные погодные явления требуют фундаментального переосмысления того, как проектируются, строятся и эксплуатируются небоскребы. Архитекторы, инженеры-строители и разработчики больше не спрашивают , если адаптация к климату необходима, но как быстро и всесторонне она может быть интегрирована. В этой статье рассматриваются основные проблемы, связанные с изменением климата, для высотного проектирования и рассматриваются стратегии, возникающие для создания устойчивых, устойчивых вертикальных городов.

Ключевые проблемы, связанные с изменением климата

Повышение температуры и спрос на охлаждение

Эффекты городских тепловых островов в сочетании с потеплением глобального климата повышают температуру окружающей среды в городских центрах. Для высотных зданий, которые имеют большие площади поверхности, подверженные воздействию прямых солнечных лучей, это означает значительно более высокие нагрузки на охлаждение. Без адаптивного дизайна механические системы кондиционирования воздуха должны работать усерднее, потребляя больше энергии и увеличивая выбросы парниковых газов - создавая опасную петлю обратной связи. Во многих тропических и субтропических городах охлаждение уже составляет 40-60% от энергопотребления высокого здания. По мере того, как тепловые волны становятся более длинными и интенсивными, пассивные стратегии охлаждения и энергоэффективные системы становятся критическими.

Более интенсивные штормы и силы ветра

Климатические модели последовательно прогнозируют увеличение интенсивности тропических циклонов, гроз и внетропических штормов. Для высотных сооружений ветер уже является доминирующей боковой нагрузкой; более сильные порывы и более частые тяжелые события выдвигают пределы структурного проектирования. Ветроиндуцированные колебания могут вызывать дискомфорт пассажиров, облицовочную усталость и даже структурные повреждения. Высокие здания в прибрежных или подверженных ураганам регионах теперь должны быть спроектированы для скоростей ветра, которые превышают исторические рекорды, часто требующие новых материалов, оптимизированных аэродинамических форм и передовых систем демпфирования.

Повышение уровня моря и риск наводнений

Приблизительно 65% крупнейших городов мира - и многие из его самых высоких зданий - расположены в прибрежных зонах, уязвимых к повышению уровня моря. С морями, которые, по прогнозам, поднимутся на 0,5-1 метр к 2100 году при сценариях с умеренными выбросами, инфраструктура наземного уровня и системы фундамента сталкиваются с повышенным риском затопления и вторжения соленой воды. Штормовые волны, наложенные на более высокие исходные линии, могут затопить подземные парковки, электрические комнаты и шахты лифтов, нейтрализуя строительные операции и системы безопасности.

Большая частота экстремальных погодных явлений

Помимо отдельных опасностей, усугубляя экстремальные явления, такие как волны тепла во время засухи или сильные ливни после лесного пожара, создают сценарии с несколькими опасностями. Системы высотных зданий должны быть спроектированы для устойчивости к каскадным сбоям. Например, комбинированная волна тепла и отключение электроэнергии могут заманить пассажиров в невентилируемые башни, в то время как проливные дожди могут перегружать дренажные системы на месте, предназначенные для менее интенсивных ливней.

Стратегии проектирования для устойчивых к изменению климата высотных зданий

Усиление структурной целостности

Чтобы противостоять более сильным штормам и более высоким ветровым нагрузкам, инженеры применяют подходы к проектированию, основанные на производительности, которые выходят за рамки минимальных требований кода. Например, здания могут быть сформированы для снижения ветровых нагрузок - округленные или граненые геометрии, которые отклоняют порывы, а не сопротивляются им. Передовые материалы, такие как сверхвысокопроизводительный бетон, высокопрочная сталь и поперечно-ламинированная древесина (для гибридных систем), позволяют использовать более легкие, но прочные рамы. Настроенные массовые амортизаторы, иногда весом в сотни тонн, совершенствуются для противодействия не только ветровым, но и сейсмическим силам, обеспечивая двойную защиту от опасности. Некоторые новые башни включают вязкие амортизаторы и системы изоляции базы, первоначально разработанные для землетрясений, адаптированные для поглощения энергии ветра.

Зеленые крыши и стены

Растительные оболочки больше не являются запоздалой мыслью; они являются неотъемлемой частью адаптации к климату. Зеленые крыши и живые стены уменьшают эффект городского теплового острова, снижают температуру поверхности до 30 ° C через испарение и улучшают изоляцию здания. На высотных фасадах вертикальные сады могут перехватывать дождевую воду, уменьшать стоки и обеспечивать естественное охлаждение прилегающих пространств. Bosco Verticale в Милане лихо продемонстрировал, что высотная растительность может улавливать CO2 и уменьшать спрос на энергию для HVAC. Более поздние проекты, такие как Pelli Clarke-спроектированный Supertall в Сингапуре, интегрируют небесные сады каждые несколько этажей для создания вертикальных экосистем, которые буферизируют внутренние микроклиматы.

Умные глазури и затенения

Окна являются тепловым слабым местом любой высотной оболочки. Адаптивное остекление, такое как электрохромное стекло, которое оттеняется в ответ на солнечный свет, может снизить охлаждающие нагрузки до 20% при сохранении качества дневного света. Динамические затеняющие устройства, включая моторизованные жалюзи, перфорированные экраны и встроенные в здание фотоэлектрические панели, дополнительно контролируют усиление солнечного тепла. Эти системы все чаще контролируются программным обеспечением управления зданием, которое использует данные о погоде в режиме реального времени, оптимизируя использование энергии без ущерба для комфорта пассажиров. Высокопроизводительное тройное остекление с покрытиями с низкой излучательностью становится стандартом в проектах, ориентированных на климат.

Системы управления водными ресурсами

Сильные дождевые осадки требуют надежного управления водными ресурсами на месте. Высотные здания могут включать сбор дождевой воды с поверхностей крыши и террасы, хранение воды в цокольных цистернах для непотенциальных целей, таких как орошение и охлаждение башни. В то же время сине-зеленые крыши и дождевые сады на промежуточных этажах ослабляют стоки и задерживают пиковый сброс в муниципальные штормовые системы. Некоторые конструкции используют структурное ядро здания в качестве системы выхлопных труб для минимизации пробегов труб. Для решения повышения уровня моря и прибрежных наводнений критическая инфраструктура, такая как электрические распределительные устройства, генераторы и лифтовые машины, повышена над прогнозируемыми уровнями наводнений или размещена в водонепроницаемых корпусах.

Интеграция возобновляемых источников энергии

Чистые нулевые углеродные цели приводят к высоким высотам в направлении возобновляемой генерации на месте. Солнечные фотоэлектрические панели теперь интегрированы в занавесные стены, спандрели и солнцезащитные очки, превращая весь фасад в электростанцию. Интегрированные в здания ветряные турбины, хотя и менее распространенные, тестируются на сверхвысоких башнях, где скорости ветра выше и более согласованы. Восстановление тепла от вентиляционных систем и лифтов способствует энергоэффективности. В сочетании с высокоэффективными тепловыми насосами и хранением энергии, высокие высоты могут резко уменьшить их эксплуатационный углеродный след, даже когда растет спрос на охлаждение.

Тематические исследования: климатически адаптивные небоскребы

The Edge (Амстердам, Нидерланды)

Хотя всего пятнадцать историй, Край часто цитируется как самое зеленое офисное здание в мире. Он использует солнечный фасад, обращенный на юг, систему хранения тепловой энергии водоносного горизонта и светодиодное освещение, питаемое сетью PoE (Power over Ethernet). Его передовая система управления зданием использует тысячи датчиков для настройки освещения, отопления и вентиляции на основе заполняемости и условий на открытом воздухе. Хотя это не супервысокий, его принципы в настоящее время масштабируются до более высоких зданий в той же климатической зоне.

Один Центральный парк (Сидней, Австралия)

Эта башня смешанного использования имеет систему гелиостата, которая направляет солнечный свет на затененные площади, уменьшая потребность в искусственном освещении. Фасад объединяет гидропонные зеленые стены площадью 1200 квадратных метров, орошаемые обработанной черной водой. Конструкция снижает пиковую охлаждающую нагрузку на 15% и служит моделью для интеграции пассивных и активных систем во влажный субтропический климат.

Шанхайская башня (Шанхай, Китай)

Второе по высоте здание в мире является учебником по устойчивости к ветру и энергоэффективности. Его скручивающая форма снижает ветровые нагрузки на 24% по сравнению с квадратной формой, экономя конструкционный материал. Фасад с двойной кожей создает буферную зону, которая изолирует интерьеры, а система сбора дождевой воды и геотермальные тепловые насосы способствуют его сертификации LEED Platinum. 270 ветровых турбин башни генерируют достаточную мощность для ее внешнего освещения.

Будущий прогноз

Темпы изменения климата опережают строительные нормы во многих регионах. Будущие высотные здания, вероятно, будут включать в себя функции, которые мы только начинаем видеть: биомиметические фасады, которые «дышат» для регулирования температуры, децентрализованные микросети для повышения энергетической устойчивости и цифровые двойники, которые моделируют климатические риски в реальном времени. Городские планировщики рассматривают принципы «губочного города», которые интегрируют управление водными ресурсами на уровне зданий с городским дренажем. По мере того, как глобальное население урбанизируется дальше, и по мере того, как плотные вертикальные районы становятся все более распространенными, взаимодействие между проектированием зданий и адаптацией к климату станет еще более важным. Следующее поколение архитекторов и инженеров должно принять междисциплинарное сотрудничество, опираясь на климатологию, анализ данных и новые материалы для создания башен, которые не просто высоки, но действительно устойчивы.

Заключение

Изменение климата не является отдаленной угрозой для высотных зданий - это настоящий драйвер дизайна. От структурного укрепления против суперштормов до интеллектуальных фасадов, которые уравновешивают тепловой комфорт с использованием энергии, стратегии, изложенные здесь, представляют собой современное состояние в климатически адаптивном дизайне высотного здания. Для разработчиков и политиков инвестирование в эти меры теперь является не только экологическим императивом, но и финансовым: здания, предназначенные для будущих климатических условий, будут иметь более высокую стоимость активов, более низкие эксплуатационные расходы и большую удовлетворенность пассажиров. По мере продолжения исследований и развития технологий, высотные здания станут моделями самодостаточности и устойчивости, доказывая, что даже самые высокие структуры могут сосуществовать с меняющейся планетой.

Более подробные данные о прогнозах климата для городских районов см. в Шестом оценочном докладе МГЭИК (WGII) и в исследовательской библиотеке Совета по высотным зданиям и городской среде обитания (CTBUH) . Дополнительные тематические исследования доступны в рамках инициативы Всемирного совета по экологическому строительству «Продвижение чистого нуля» .