論超高層建筑結構設計12

1、論超高層建筑結構設計肖自強，張建明（中國中元國際工程公司，北京）【摘要】對超高層建筑與一般高層建筑結構設計的差異、超高層建筑結構方案選擇的主要考慮要素、超高層建筑中混合結構類型設計主要考慮問題及基礎設計等問題進行探討，依據已有的工程實踐，進行了初淺的介紹，以供設計人員參考?！娟P鍵詞】超高層建筑；結構類型；結構體系；核心筒；外框柱；抗側剛：加強層【中圖分類號【文獻標志碼】隨著我國經濟建設的快速發(fā)展，自改革開放后的上世紀年代中期開始建造超高層建筑以來，我國各大中城市如雨后春筍般的相繼建成大量的超高層建筑。除香港以外，以上海市最多。目前國內已建成投入使用最高的是上海環(huán)球金融中心，房屋高度，層；而在建

2、的國內最高的是上海中心大廈，房屋高度達、層。目前世界上最高的摩天大樓是阿拉伯聯合奠長國的迪拜塔，房屋高度為，有多層。我國上海中心大廈建成之后，將是世界高樓的前幾位。據有關資料介紹，英國倫敦設想建造層的摩天塔樓，即所謂的倫敦通天塔，房屋高度，且不是最終高度，只是第一階段建筑計劃中的高度，未來它能繼續(xù)長高。超高層建筑的建造，其所以如此之快，除了有的城市為了有一個高大的形象建筑之外，主要還是超高層建筑能在有效面積的土地上，得以發(fā)揮最大的使用效益。也盡管建造超高層需要的費用比一般高層建筑高出很多，但在我國的城市建設中，隨著日益快速發(fā)展的需要，為土地使用率的提高，必然會使超高層建筑以更快的速度發(fā)展。現根

3、據我們近些年來在超高層建筑結構設計中的學習和工作實踐，把所了解的粗淺認識和體會向同行們作如下介紹:一、超高層建筑與一般高層建筑結構設計的差異1.1、從房屋高度上比較超高層建筑的房屋高度在以上直至有幾百米甚至上千米的設想，而一般高層建筑的房屋高度則是在以下。1.2、從建筑消防要求上比較超高層建筑由于疏散距離遠（最高層到地面），從消防策略考慮，須設置避難層，以保證遇到火災時，位于建筑上部的人員能在有限的時間內疏散的相對安全的位置，等待救援。一般高層建筑最多100m，目前的消防云梯的作業(yè)面能達到60m，加上高壓滅火設備，完成能控制火警，可以不設置避難層。1.3、從機電設備的功率和性價比比較首先超高層

4、建筑都是高端用戶，高端用戶對機電設備的要求高，機電的功率和體積就大。其次如果采用從地面到屋面都使用一套設備，由于層數多，設備的功率將會非常大，并且沿豎井布置的管線也會非常大。再次即使不考慮管線消耗建筑使用面積，由于超大的功率，市場中也沒有滿足要求的設備供應商。針對超高層機電設計的要求，科學的設置機電設備層布置位置，使設備層中的設備性價比最高，設備層的設置也是平衡建筑使用率與機電性價比的綜合判斷。一般高層建筑首先層數不多，其次單層的面積在1000平方米以內，設備的要求一般，不需要設置設備層，使設備的服務范圍減小。對于這些安放有設備的樓層，在設計過程中除考慮實際的荷載之外，更需考慮設備的振動對相鄰

5、樓層使用的影響。1.4、從結構整體剛度的需要比較一般高層建筑的樓板只做受彎構件考慮，即使樓板平面內剛度在設計的過程中是假定無窮大，對各豎向構成能夠傳遞內力，使各豎向構件有協調的位移，一般樓板除特殊情況下還是以受彎的作用為主。對于超高層建筑來說，樓板的受彎作用由主要作用退化為次要作用，樓板整體協調性在超高層建筑中的作用凸顯出來。通過加強樓板，形成結構的加強層，利用樓層的加強層提高結構的整體剛度。（超高層設計過程中常把“避難層”、“設備層”、“加強層”這三層設置在同一位置，使這些特殊功能的層相對集中，減少對建設使用的影響）1.5、從結構選型的范圍上比較超高層建筑的結構類型選擇上相對要廣，除鋼筋混凝

6、土結構外，還有全鋼結構和混合結構。而一般高層建筑結構除了特殊條件需要者外，多為鋼筋混凝土結構。1.6、從建筑的平面形狀上比較超高層建筑的平面形狀多為方形或近似，對于矩形平面其長寬比也是在以內，尤其抗震設防的高烈度地區(qū)更應采用規(guī)則對稱平面。否則，在地震作用時由于扭轉效應大，易受到損壞。而一般高層建筑平面形狀選擇余地要大。1.7、從建筑的基礎類型上比較超高層建筑的基礎形式除等厚板筏基和箱基外，由于平面為框架核心筒或筒中筒，基本沒有一般高層建筑中所采用的梁板筏基。同時，由于基底壓力大要求地基承載力很高，除了基巖埋藏較淺可選擇天然地基外，一般均采用樁基。另外，超高層建筑基本不采用復合地基，而一般高層建

7、筑則有采用。1.8、從建筑的舒適度上比較房屋高度超過的超高層建筑結構應具有良好的使用條件，滿足風荷作用下舒適度要求，結構頂點最大加速度的控制滿足相關規(guī)定要求。而一般高層建筑設計在滿足抗震要求的情況下，一般建筑很容易滿足舒適度要求，基本上不用特別設計，所以一般建筑常常不需要考慮舒適度。1.9、從政府對建筑的行政審批上比較超高層建筑結構設計一般都需要進行抗震設防專項審查。高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（以下簡稱高規(guī)）、建筑抗震設計規(guī)范（以下簡稱抗規(guī)）中的級高度房屋就規(guī)定需要進行抗震設防專項審查，還有超過高規(guī)中第章混合結構設計規(guī)定的房屋高度也需要進行抗震設防專項審查。即算是采用全鋼結構，超過抗規(guī)）第章規(guī)

8、定的房屋高度時，同樣需要進行抗設防專項審查。這是因為超過現有規(guī)范規(guī)定房屋高度，還沒有這樣的工程經驗，只有經過國內專家的評估和論證，必要時還須進行振動模型試驗，才能確保工程的安全。而一般高層建筑的房屋高度多在規(guī)范容許高度范圍并已有大量的科研成果和實際工程經驗，除非是特別不規(guī)則結構，否則是不需要進行抗震設防專項審查的。二、超高層建筑結構方案選擇的主要考慮因2.1、建筑物的抗震設防烈度抗震設防烈度是超高層結構體系選用首要考慮因素之一現在的抗規(guī)和高規(guī)中已明確規(guī)定，結構體系的選用與抗震設防烈度相關。同時，從抗規(guī)和高規(guī)中規(guī)定的同一結構體系，對于房屋高度超過的高層建筑，不同的抗震設防烈度，房屋高度也是不相同

9、的。很顯然，抗震設防烈度度最有利于建造超高層建筑，抗震設防度度次之。而抗震烈度度的高烈度區(qū)是不宜建造以上的超高層建筑的。因為地震作用太大，要滿足三個水準的設防性能目標，其結構構件截面尺寸大，用材指標很高，并導致工程造價也相當高。如一座房屋高度為的框架核心筒結構，抗震設防烈度度區(qū)是高規(guī)中的級高度房屋且為正常設計；而在抗震設防烈度度區(qū)是高規(guī)中的級高度房且高度還超限，需經抗震設防專限審查批準后方可進入正式設計。另外，在結構類型上，前者可采用鋼筋混凝土結構，而后者則需采用混合結構。像這樣的工程實例，如中國中元國際工程公司設計的重慶金融街金融中心和北京財富中心房屋高度近同，結果如上所述。2.2、超高層建

10、筑方案應受到結構方案的制約建筑專業(yè)是民用建筑設計中的龍頭專業(yè)，一個具有較強建筑方案能力和有經驗的建筑師，每一建筑方案都應考慮到結構，具有結構方案的可實施性。而對于超高層建筑方案更應首先就要考慮結構方案的可行性，否則不是一個合理的建筑方案。所以，國外承擔超高層建筑設計的事務所提出的每一個方案都要經過權威的結構顧問認可。對于我們國內設計單位來說，在建筑方案設計時應有結構專業(yè)的參與和配合。否則，有可能出現方案的大調整。?？谀彻こ淌且蛔鶖M建層、房屋高度為（實際頂部高度為）的綜合樓，其平面為熨斗形（見圖），平面的開口面向大海。方案設計的意向要讓在這個樓內工作和生活的人員都能在樓內欣賞到美好的自然海景。由

11、于?？诳拐鹪O防度度且設計地震基本加速度值為0.30 g ，該方案能否可行要求結構專業(yè)提前參與配合建筑方案設計。該方案在平面上是非對稱的，不是超高層建筑的理想平面。方案的主要問題是核心筒位于底部和底部角位設有轉角墻，但頂部是完全開口的，存在抗扭剛度明顯不足。經對方案結構的初步計算分析，地震作用下的平面開口位的扭轉位移比遠大于規(guī)范限值，因此，結構方案必須考慮提高該部位的抗扭剛度。為了不影響開口位對觀賞海景和使用上的不便，經與建筑方案設計人共同研究，結構方案擬在該位設置支撐，以增大結構的抗扭剛度。同時為使用上方便和具有更好的抗震性能，方案采用了八字形的偏心支撐（見圖）。從而，使該建筑方案得以實現?，F

12、已完成初步設計并經省建設廳組織抗震設防專項審查通過?？傊?，超高層建筑方案的實施應有結構專業(yè)在方案階段的密切配合，保證結構方案實施的可行性。另外，也要在與建筑方案的研究結合中，結構方案力求做到有所創(chuàng)新。如廣州珠江新城西塔房屋高度，結構體系為筒中簡，但它不是通常的外框密柱筒。為了減少傳統(tǒng)的外框密柱筒的剪力滯后，設計采用了外框筒由斜柱與橫梁組成網格筒（見圖）。從而，既減少外框筒角部的剪力滯后，同時獲得了較大的抗側剛度。因此，結構方案的創(chuàng)新是超高層建筑方案實現的新途徑。2.3、超高層建筑結構體系中結構類型的選擇超高層建筑結構體系中結構類型的選擇，應據擬建場地的巖土工程地質條件和抗震性能目標的確定及經濟

13、的合理性綜合考慮。）擬建場地的巖土工程地質條件，是合理選擇超高層建筑的結構類型時要考慮的因素之一。一個擬建在基巖埋藏極淺場地上的超高層建筑，具有采用天然地基的條件。一般這樣的場地其建筑場地類別為類或類，同時抗震設防烈度又低，故所采用的結構體系在高規(guī)規(guī)定的房屋高度范圍內，則可優(yōu)先考慮采用鋼筋混凝土結構，如我國的重慶和青島地區(qū)。而對在第四紀土層上的抗震設防烈度度或度區(qū)擬建的超高層建筑，為降低地震作用，結構選型應考慮采用結構自重較輕的混合結構或鋼結構。如在北京、上海等地區(qū)就不可能優(yōu)先考慮選用鋼筋混凝土結構。）抗震設計時，所確定的抗震性能目標是超高層建筑結構選型應考慮的因素之二。前面所述超高層建筑結構

14、設計都普遍存在結構超限，即超出我國現行抗規(guī)和高規(guī)的相關規(guī)定。一般抗震設計的性能目標要求豎向構件承載力達到中震不屈服或剪力墻底部加強區(qū)達到抗剪中震彈性，受彎及框架柱達到中震不屈服。顯然，抗震設防烈度度區(qū)、特別是度區(qū)，鋼筋混凝土結構就很難或不可能滿足這一要求。所以，為減小結構自重在地震作用下產生的內力，應考慮選用混合結構或鋼結構，這樣即可以基本由型鋼承擔地震作用產生的剪力和拉力。否則，采用全鋼筋混凝土的豎向構件則會因截面計算配筋量太大，導致鋼筋無法放置。若增大構件截面則結構自重加大，地震作用產生的結構內力也增大，仍然會使得截面配筋率很大，這在實際工程是無法實施的。）采用合理的結構類型，應考慮經濟上

15、的合理性。通常從工程造價上比較，鋼筋混凝土結構最低，其次是混合結構，最高則是全鋼結構。一般混合結構（指型鋼混凝土柱、鋼梁、鋼筋混凝土核心筒）方案每平方米造價要高出鋼筋混凝土結構約元，而全鋼結構每平方米要高出約元以上。所以，超高層結構方案的采用應考慮有利于降低工程造價。另外，超高層建筑結構中的豎向承重構件由于截面積大而會使建筑有效的使用面積減小。采用型鋼混凝土柱或圓鋼管混凝土柱既可較大提高承載能力。而且延性好，尤其是柱截面比鋼筋混凝土柱減小近。因此，增大了有效使用面積，這對于工程造價格較高的超高層建筑來說經濟效益得到了提高。所以，即使采用鋼筋混凝土結構方案，為減小柱截面，也可在一定高度柱內設置型

16、鋼，這主要是為了獲得較多的使用面積以提高經濟效益。采用型鋼混凝土柱或圓鋼管混凝土柱、內外框鋼梁和內設型鋼的鋼筋混凝土核心筒的這種混合結構，現在普遍被用于超高層建筑結構。因為此種結構相對全鋼筋混凝土結構自重要小，特別是還具較大的結構剛度，在地震作用下結構易于滿足設計要求，同時具有良好的消防防火性能，其綜合經濟指標較好。當然，也有一定數量的超高層建筑采用全鋼結構，那是有其特殊原因，像中央電視臺那樣的怪異建筑它是無法用混合結構來實現的。對于北京抗震設防烈度度這樣一種嚴重特別不規(guī)則結構，要保證結構自身的穩(wěn)定性，就須結構自重輕、材料強度高，特別是部分構件始終處在受拉狀態(tài)，只有采用全鋼結構方可。它的用鋼量

17、達，是房屋結構中最高的。因此，從結構上講它不是一個合理的結構。4）超高層建筑結構類型的選用，施工的合理性應考慮的又一因素.超高層建筑的房屋高度多在以上，一般整棟樓面積多近10萬平方米或以上。眾所周知，房屋高度愈高，施工難度愈大，施工周期也愈長。一般鋼筋混凝土結構高層建筑出地面以上的樓層施工進度約每月4層；混合結構（型鋼混凝土框架鋼筋混凝土核心筒，內外框梁為鋼梁）約每月層層；全鋼結構約每月層。顯然，不同結構類型，施工進度各不相同。因此，設計應根據不同的房屋高度和業(yè)主對工程施工進度的要求，綜合考慮以選擇合理的結構類型。另外，由于超高層建筑施工周期長，從文明施工和盡量減少對城市環(huán)境的不良影響，設計應考慮盡量減少現場混凝土的澆搗量，使部分結構構件能放在工廠加工制作，運到現場即可安裝就位。同時在樓蓋結構設計中考慮盡量做到減少模板作業(yè)而采用帶鋼承板的組合樓蓋，這對于保證工程施工質量和加快施工進度是極其有效的措施。所以，抗震設防烈度度以上地區(qū)、房屋高度在以上超高層