气候变化对高升楼设计战略的影响

气候变化带来的主要挑战

温度和降温需求增加

城市热岛效应,再加上全球气候变暖,正在城市中心推动环境温度上升。 对于地表面积大、直接阳光照射的高层建筑来说,这意味着冷却负荷要大得多。 没有适应性设计,机械空调系统必须更努力地工作,消耗更多的能源和增加温室气体排放,从而形成危险的反馈循环。 在许多热带和亚热带城市,冷却已经占高楼能源使用量的40-60%。 随着热波的延长和强度的提高,被动冷却策略和节能系统变得至关重要。

更强烈的风暴和风力

气候模型一直预测热带气旋、雷暴和热带外风暴的强度会增加。 对于高层结构来说,风已经是主流的横向负荷;更强的风潮和更频繁的严重事件会推动结构设计限制。 风波引发的振荡可能导致占领性不适、疲劳甚至结构性破坏。 沿海或飓风多发地区的高楼必须进行超过历史纪录的风速工程,往往需要新的材料、优化空气动力形式和先进的坝坝系统。

海平面上升和洪水风险

大约65%的世界最大城市 — — 以及许多最高的建筑 — — 位于沿海地区,容易受到海平面上升的影响。 在中等排放情景下,预计到2100年海洋将上升0.5-1米,地面基础设施和地基系统面临淹没和海水入侵的风险增加。 高基线上叠加的风暴潮会淹没地下停车场、电气室和电梯井,使建筑操作和安全系统失效。

极端天气事件频率增加

除了个别的危害外,极端事件的复合性(如干旱期间的热浪或野火后的暴雨)产生了多种危害。 高层建筑系统必须设计成跨越连锁故障的恢复能力。 例如,热浪和停电相结合可能使居民困在通风不畅的塔里,而暴雨可能淹没为低强度下水道设计的现场排水系统。

具有气候抗御力的高强度战略

增强结构完整性

为了抵御更强的风暴和更高的风力负荷,工程师们正在采取超出最低电码要求的基于性能的设计方法。 比如,建筑物可以被塑造为减少风力负荷的形状,即绕过或面绕的几何面孔,使其偏转断流而不是抵抗。 超高性能混凝土、高强度钢材和跨高压木材(混合系统)等先进材料可以使框架更轻而更坚固。 土质坝体有时重数百吨,正在加以改进,以不仅抵御风力,而且能够提供双重的危害保护。 一些新塔体包括原来为地震开发的粘性坝体和基底隔离系统,以吸收风能。

绿屋顶和墙壁

植被封套不再是事后思考;它们也是气候适应的组成部分。 绿色屋顶和活墙通过蒸发降低城市热岛效应,降低地表温度30°C,并改善建筑绝缘。 在高楼外观上,垂直花园可以截取雨水,减少径流,为相邻空间提供自然冷却。 米兰的博斯科垂直显示,高楼植被可以封存二氧化碳,降低HVAC的能源需求。 近期的项目,如新加坡的Pelli Clarke设计超级集成了几层天花园,以创建缓冲内部微岩的垂直生态系统。

智能闪烁和遮蔽

视窗是任何高楼信封的热弱点。适应性玻璃 — — 如对日光进行触电的电色玻璃 — — 在保持日光质量的同时可以将冷却负荷降低20%。动态阴影装置,包括机动化的穿透器、穿透屏和建筑-综合光伏板,进一步控制太阳热收益。 这些系统越来越多地通过使用实时天气数据的管理软件来控制,在不损害占用舒适性的情况下优化能源使用。 低射度涂层的高性能三层玻璃正在成为气候意识设计的标准。

水管理系统

强降雨事件需要强有力的现场水管理,高层建筑可以吸收屋顶和梯田表面的雨水收集,将水储存在地下室蓄水池中,用于灌溉和冷却塔妆等非易用用途,同时,中间楼层的蓝绿色屋顶和雨园会减少径流,延迟向城市风暴系统排放峰值,一些设计将建筑结构核心作为雨水下管系统,以尽量减少管道的流,为了应对海平面上升和沿海洪涝,关键基础设施——如电开关、发电机和电梯机械——提升到预计的洪水水平或安装在防水的封闭装置中。

可再生能源一体化

净零碳目标正在推动高层向现场可再生发电迈进。 太阳能光伏板现已融入幕墙、光圈和太阳荫,将整个外观变成发电厂。 建筑一体化风力涡轮机虽然不太常见,但正在风速更高、更一致的超塔上进行测试。 从通风系统和电梯回收废热有助于能源效率。 高楼与高效热泵和能源储存相结合,可以大幅降低其运行中的碳足迹,即使随着冷却需求的增长。

案例研究:气候适应性天际旅行

边缘(荷兰阿姆斯特丹)

尽管只有15个故事,但《边缘》经常被引为世界上最绿色的办公楼。 它使用一个南面的太阳能外观、含水层热能储存系统以及由PoE(以太网之力)电网供电的LED照明。 它的先进建筑管理系统使用数千个传感器根据占用和室外条件调整照明、供暖和通风。 尽管它不是一整栋,但其原则现在被放大到同一气候区的更高楼层。

一个中央公园(澳大利亚悉尼)

这种混合用途的塔楼具有将阳光引向荫蔽的广场的螺旋塔系统,减少了人工照明的需求。 外观融合了跨越1200平方米的水管绿墙,由经过处理的黑水灌溉。 设计将峰顶冷却负荷减少了15%,并成为湿润亚热带气候中被动和主动系统融合的模型。

上海塔 (中国上海).

世界第二大建筑是风力抗御力和能源效率的典型例子。 其曲折形式比方形减少了24%的风力负荷,节省了结构材料。 双皮外观创造了一个隔热内饰的缓冲区,而雨水收集系统和地热泵则有助于其LEED白金认证。 塔的270个风力涡轮机为外部照明提供了足够多的动力。

未来展望

气候变化的速度正在超越许多地区的建筑规范。 未来的高层很可能包含我们刚刚开始看到的特征:“呼吸”来调节温度的生物模型、分散的微网对能源的抗御能力,以及模拟实时气候风险的数字双胞胎。 城市规划者正在考虑将建筑层面的水管理与全市排水相结合的“海绵城市”原则。 随着全球人口进一步城市化,以及密集的垂直邻里日益普遍,建筑设计和气候适应之间的相互作用将变得更加重要。 下一代建筑师和工程师必须接受多学科合作,借鉴气候科学、数据分析以及新材料,以创建不仅高高,而且真正具有复原力的塔楼。

结论

气候变化对高层建筑来说并不是一个遥远的威胁 — — 气候变化是当前设计驱动力。 从结构强化到超风暴到平衡热舒适度与能源利用的智能外观,本文概述的战略代表了气候适应高楼建筑设计方面的先进水平。 对开发者和决策者来说,现在投资这些措施不仅是环境需要,也是财政需要:为未来气候条件设计的建筑将获得更高的资产价值、较低的运营成本和更大的占有性满足。 随着研究的继续和技术的发展,高层将成为自给自足和复原力的模型,证明即使最高楼层的结构也能与变化中的地球共存。

关于城市地区气候预测的更深入数据,见[气专委第六次评估报告和高楼和城市生境理事会研究图书馆[。