广州塔设大空间智能主动喷水灭火系统

慧聪消防网讯 几个参与安全性实验的团队都提出建议：作为国家投资的建筑，广州塔应该设置健康监测系统，为将来建设超高建筑提供宝贵资料。这个建议被采纳，一般用来检测桥梁的健康监测系统，通过数百个传感器，仿佛给建筑结构挂上了一部24小时的动态心电图扫描仪，实时监测电视塔的环境参数(温度、湿度、降雨等)、荷载(风和地震)和响应(关键部位的受力、水平位移、加速度、倾斜、沉降、腐蚀等)。

让她站起来钢结构专家吴欣之用“高”“扭”“偏”“柔”“外”来总结广州塔施工技术上的难点

在说服专家的过程中，工程设计者形成了一套直观的演示系统，演示塔的形状的变化规律。

塔的形成有几个过程，它从一个圆柱体通过拉伸，变成一个椭圆柱，椭圆柱体通过上下变化，下面变大，上面变小，再通过一个点，上下扭转45度。但这时候，连接上下两个椭圆的线是垂直地面的。再把上面椭圆的中心和下面椭圆的中心偏离了10米，不对称的扭腰形状终于成型。

然后，46道的椭圆环梁被安放在柱子编织的网格里，随着网格直径的扩大而扩大，环与环之间的距离也逐渐扩大，形成了疏密变化，从8米到10米间距不等，最后，环所在的平面又倾斜，与地面形成了15度的夹角。这是塔的外轮廓。而中间的椭圆柱体核心筒则是上下粗细不变的。

赵宏表示，作为结构工程师，工作过程里最大的成就感，“就是找到了几何数字的关系。找到这个关系之后，你任何的变化，都可以很快了解到，变成什么样子，对结构来说行还是不行。”

网格状的外围筒，环梁和斜撑和柱子是空心的，是用钢板卷成的钢管，焊接完成后，再往里面灌混凝土。做一层，浇一层。外框结构的每个接连点都不一样，总共有大约2000个连接点。这些连接点处的部件都是先在工厂做好，再进行焊接。

难题再次发生，支撑外结构的24根钢管本是设计成上下一般粗的筒状，随着高度上升，每个环梁区间的钢管逐渐变细。这便于施工。但有关领导要求更美观，把管子做成渐变式的，也就是喇叭状的。最底下柱子直径是2米，最上面柱子是1.2米，每段钢管上面和下面仅仅差了几毫米，要求极度精确———然而确实对外观颇有改善。

赵宏认为，业主选择上海建工集团施工是明智的，因为施工的难度很高，而这个施工单位进行了多项技术创新。

钢结构专家、上海建工项目总工程师吴欣之在学术交流场合，曾经用“高”“扭”“偏”“柔”“外”来总结广州塔施工技术上的难点：超高度带来施工高风险；外筒自下而上扭转45度，使结构呈三维倾斜，无一条线垂直或者水平，万余构件无一相同。施工变形控制难度大；钢结构底座与核心筒偏心9.3米，而顶部钢结构又与底座偏位9米，使结构在自重作用下发生侧移；结构细长，内外框筒连接较弱，核心筒截面只有14×17米，高度却达450余米；外钢构位于功能层外侧，因此施工时不能依靠楼层作为操作面，大大增加了施工难度。

柔性的钢构对阳光照射非常敏感，有太阳的时候，本对施工最有利，但是日照很容易引起结构弯曲。为此，施工方布设了温度实时监测系统，温度传感器均匀分布在8根立柱、3道环梁上和核芯筒的6根测轴上，然后对其数据进行分析和处理，指导施工。

“它既是一个塔，又是一个楼。”吴欣之说。造房子，一层层上去，即便很高，也不会太难，然而，核心筒和外钢构之间的功能楼层并不是连贯的，而是分段依附于核心筒，有很长的空腔没有楼。这需要一个特殊的施工平台。在楼层缺失的地方，在外钢构的环梁和核心筒的钢骨之间架设临时性的横梁，作为作业的依托。同时，施工单位设计了专用的操作平台，保证高空作业的安全。

即便操作平台够安全，在长达3年的施工过程中，遇到华南常见的暴风雨和雷电天气，也是致命的。因此，广州市气象站负责工程周边地区的近地和高空的气象监测，并在特殊施工时间点进行实时监测和即时报告。

整个施工过程，需要向越来越高的建筑上传递5.5万吨的钢材———北京鸟巢也只用了4.2万吨。常规的处理方案无法有效率地起吊如此大量的钢构件。两台法福克M900D塔吊作为主力起重设备，分别安装于南北两侧，它们每次可以吊起64吨的重物；而100米以下的吊装则使用两台300吨的履带吊，构成四条快速的作业线。

每一圈环梁组装完毕后，就用混凝土填充钢柱，混凝土泵送机能以每秒30米的速度把混凝土泵送到塔顶，时速将近110公里。这种特殊设计的混凝土称为自充填混凝土，很容易流动摊铺开来，靠本身的重量沉淀，是目前高层建筑通用的建材。

到了最高处，施工方遇到了高度极限———桅杆顶部六七十米是塔吊无法达到的。于是，制定了天线桅杆整体提升技术，以计算机控制八组液压千斤顶及钢绞线，实现了天线顶端的超高空连续提升并就位安装。

此外，外框筒的涂装，超高空垂直运输，垃圾清理等都需要采用创新的专项技术才能解决。如广州塔钢结构的喷漆，很像是造船业的喷漆作业，必须达到很严格的防锈蚀要求。

让她动起来要降低速度，却不能牺牲运力，于是，观光电梯被设计成双轿厢，若发生火灾，在2个小时的安全期内能够疏散2000多人

奥雅纳工程顾问公司助理董事、机电工程师黄志宏负责整体的机电设计：电梯、空调、消防、给排水、市政配套、电力、管井协调等，他对这些听起来沉闷无比的工作，有一个浪漫的比方：“那是一位扭腰的少女，这样一个动感、飘逸和不规则的造型，结构工程师要让这少女亭亭玉立地站起来；而机电工程师则要给她身体里的血管神经，让建筑体的真正功能能运作起来。”

对于黄志宏，这位少女给他的挑战是多重的。原本预估的人流量，是每日7000到1万人，然而，上海东方明珠的人流高峰是两万人，于是，广州塔的竖向运输运力设计必须满足1.5万到2万人，甚至最高峰可以到3万。这些人不能长时间拥挤在塔下。

“造型相当优雅———但收腰的设计对于大楼的运输来说，是一个挑战。”黄志宏告诉南都记者，在设计过程中，奥雅纳公司和业主方不约而同有一个共识：人不是为了上去而上去，而是要在上去的过程中有所体验，看风景，“我们不是跑车和高铁。”

要降低速度，却不能牺牲运力，于是，观光电梯被设计成双轿厢，可以在同一楼层载运两倍的人。这样两倍的观众，可以以相对比较慢的速度，来欣赏城市景观；而非观光的乘客虽然也是双轿厢，却可以更高的速度，来满足工作、商务的效率要求。两部双层高速电梯把访客送上顶楼，只要一分多钟就到了，第二组双层电梯步调比较悠闲，让访客深切体会大楼的高度和特殊结构。

电梯不只是向上运输那么简单。自美国“9.11”恐怖袭击发生之后，高层建筑常常面对质疑：如何在发生灾难的时候成功疏散人群？也正是这次灾难，为高层建筑的设计者提供了疏散的新思路。黄志宏告诉南都记者，“以前的概念是火灾的时候不能坐电梯。但是高层建筑里的人通过楼梯疏散，人的体力消耗很大，要很长的时间，对于老弱不一定可行。在‘9·11’后，世界上———主要是出现在亚洲的新超高建筑，譬如上海的环球金融中心，就提出一个概念：电梯辅助疏散。”

9·11后的研究显示，在紧急状况发生时，电梯和楼梯并用，超高建筑需要的疏散时间几乎可以减半。这两组可以用来疏散的电梯是双轿厢的乘客电梯，在受保护的空间，将烟雾挡在门外；与报警和紧急用电系统联动。建筑设定的耐火极限是两小时，在火灾发生之后两个小时的安全期内，能够疏散2000多人———那些对体力没有信心，宁愿在恐惧中等待电梯也不愿意即刻走楼梯逃生的人。

发生火警的时候，一部分人可以走楼梯；而两部双轿厢的乘客电梯和供消防员使用的消防电梯，必须在60秒内要到最高处。电梯的速度设计有所不同：观光电梯为4.5米/秒，而其他的电梯则是10米/秒，相对于台北101大楼的17米/秒，更加有舒适度，而又不影响功用。

广州最高的消防云梯只有53米，这样的高度只够得着“少女”的“小腿”。因此，广州塔的消防不能全部依靠消防水车，自救成为很重要的一部分。在停水停电的情况下，有一个够用、稳定和安全的消防水源是安全的重要保障。“这是我们这样多工种公司的长处，能够把抗震防风和消防需求结合。”540立方米储水量的两个消防水池本身就是抗风抗震的阻尼装置，突破了高层建筑通常不把水源放到高区的惯例。“这个安全度大得多，不要水泵和电力，有一盆水，顶在脑门上，发生事情就洒下来了。”黄志宏说。

如此高空的水池，当然不能“兜头泼下来”。这样的高度，意味着有极大的水压，对需要扑救的地点和途经管道的破坏力惊人。因此，在每一个功能区，都设置了分区减压水箱，这些18吨的水箱缓冲了高空的压力，并提供了更多的储水量。

对于挑高的大空间，广州塔的“大空间智能型主动喷水灭火系统”当时领风气之先———有一个红外探测头，不停旋转探测空间中温度异常区域，如果有异常高温，则就会响起警报；第二级警报就朝向高温区，启动喷水系统。“当时设计的时候是比较新的，现在已经成为国家规范的一部分了。”黄志宏说。

依靠自身的水量，“大空间智能型主动喷水灭火系统”和自动喷淋可以持续工作1小时，而室内消防栓可以坚持3小时，能为消防提供足够的条件。

高的节能思维“在450米高空就能节约40%的能耗”，但前提是不能按照传统的方式做空调系统的设计

黄志宏更喜欢分享他在环保建筑上的构思。“地那么多，为什么要花那么多材料去盖那么高的楼？事实上，高楼可以节省用地，而功能竖向集中，能源、资源通常也能节省很多。高层建筑必须探索可持续发展的可能。”

广州是亚热带地区，常年天气暖热，使用空调较多；一个超高建筑，如果用传统建筑作风暖空调系统的思路，意味着超高的能耗。

但广州塔的优点在于，高度本身有利于降低温度。黄志宏介绍，“室外温度降低我们做过研究，当广州地面温度33.5℃时，450米高空只有30.6℃，因为热量在高空容易发散，且没有地面热辐射。以国家提倡的室内空调温度26℃为参照，在450米高空就能节约40%的能耗。”

但前提是，不能按照传统的方式做空调系统的设计。因为超高的输送会浪费大量能源。

广州塔的空调设计分为两部分：低于150米的部分，采用传统的水冷塔空调系统。而330米以上的功能区，则采用风冷机组式空调，充分利用高空相对凉爽的空气和大风散热，并且节省了从地面提升输送空气所需要的大量能源。

常规的中央空调，是通过在天花板上的风管送风，清洁不易。并且，风从上面下来，必须经过不需要冷却的空间，才能达到人的活动范围，这样容易造成能源浪费。尤其在挑高的公众空间，需要提供很大的喷嘴送风，更是耗能巨大。天花板上的空调管道也不符合广州塔的建筑结构。

最后设计出的广州塔中央空调，采用地板送风：管道铺设在架空的地板下面，风可以直接到达有人的地方。同时，将地板掀起就可轻松用吸尘器清洗，没有死角，不会藏污纳垢———这也是近年来的高楼项目处理空调的新方式。

作为地标建筑，广州塔还进行了小规模的再生能源示范。越高的地方风速越强，400米左右比地面风速高一倍，用来风力发电，则产出电力是地面的8倍。在广州塔的高区空腔中，装设了若干组风力发电设施，而功能区的南侧面幕墙，则装了太阳能板。这些用电并不能解决高塔本身的主要用电，但仍然能够用来作为景观照明和绿化浇灌用电，也能解决一些楼层的热水。“一加一减之间，我们有了很多机会为环保做贡献。如果我们一点一滴因为微不足道就放弃的话，我们就一步都走不动。”黄表示，这些装置更多是作为一种公众教育，让观光者知道，“可再生能源并非遥不可及。”

10月1日，已经被大众习惯地昵称为“小蛮腰”的广州塔正式开放。

在游客看不到的地方，很多技术工作并未结束。周福霖团队即将在塔身安装许多传感器，进行一项将持续到年底的实验。实验室里得出的结果、根据图纸计算出来的数据，都难免与真实结构的实际会有差别，需要进一步验证塔体的动力特性；而控制装置也要进行调试。即便调试结束，根据每年监控的台风应对，必须进行跟踪、调整和技术更新。今后，电视塔还准备在顶层开辟科普馆，游客可以参观这两个“镇塔水箱”，并通过计算机模拟系统看到塔身的实时晃动数据。

而健康监测系统，将伴随广州塔的整个生命历程。在未来漫长的岁月中，它所记录的一切，会成为所有广州塔建设者交给历史的成绩单。