超高層摩天樓的結(jié)構(gòu)體系這些案例集錦帶你過把癮

超高層摩天樓的結(jié)構(gòu)體系，這些案例集錦帶你過把癮!

本篇文章獻(xiàn)給不斷探求應(yīng)用自然法則而不盲從現(xiàn)行規(guī)范的結(jié)構(gòu)工

程師們！

因?yàn)楣ぷ饕詠斫佑|的項(xiàng)目主要是以超高層結(jié)構(gòu)為主，所以今天想

跟大家聊一聊超高層的結(jié)構(gòu)體系。超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的話題很大,

因?yàn)槌邔咏ㄖ慕Y(jié)構(gòu)體系多種多樣，很難完全包括進(jìn)去，這里主要

以小編所了解到的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行介紹。

1超高層建筑的定義

對(duì)于超高層建筑的界定，不同國(guó)家有不同標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)合國(guó)教科文組

織所屬的世界建筑委員會(huì)1972年召開的國(guó)際高層建筑會(huì)議，將9層及

以上的建筑定義為高層建筑，40層以上（高度在100米以上）定義為

超高層建筑。根據(jù)我國(guó)《民用建筑設(shè)計(jì)通則》和《高層民用建筑設(shè)計(jì)

防火規(guī)范》規(guī)定，建筑高度超過24m即為高層建筑，超過100m的均

稱為超高層建筑。

Megatall

(>600m/1f968ft)

600m

1,968ft

Supertall

(2300m/984ft)

OneCentralPark432ParkAvenueShanghaiTower

Sydney,AustraliaNewYorkCity,USAShanghai,China

圖1高層、超高層以及超級(jí)高層建筑的分類(@CTBUH)

世界高層建筑與都市人居協(xié)會(huì)(CTBUH)則將300米以上的建筑定

位為超高層建筑(supertali),將600m以上的建筑定位超級(jí)高層建

筑(megatall)。截止目前為止，全球共有115個(gè)竣工的超高層建筑,

而竣工的超級(jí)高層建筑只有三個(gè)，這三個(gè)分別是迪拜塔(828m)、上

海中心(632m)及麥家皇家鐘樓(601m)。

828m

2,717ft

BurjShanghaiMakkahRoyalPingAnLotteWorldOneWorldGuangzhouTianjinCITICTAIPEI

KhalifaTowerClockTowerHotelFinanceTowerTradeCenterCTFFinanceCTFFinance一To火101

圖2已竣工的超高層建筑排名(@CTBUH)

800m

700m

600m

SOOm

400m

300m

200m

100m

圖3世界最高建筑的竣工時(shí)間(@CTBUH)

小編認(rèn)為，一棟建筑當(dāng)它的高度造成在設(shè)計(jì)、施工以及使用上明

顯區(qū)別于同類較低的建筑時(shí)，那么就可以被定義為高層建筑。

2超高層建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

超高層建筑與中低層建筑相比，結(jié)構(gòu)不僅要承受重力荷載，而且要負(fù)

擔(dān)較大的水平荷載(如風(fēng)荷載、地震作用等)。隨著房屋高度的增

加，水平荷載往往成為設(shè)計(jì)的控制因素。

簡(jiǎn)單來看，超高層建筑可以視為固定在地面上的一根懸臂桿件，

在側(cè)向荷載為倒三角荷載時(shí)，荷載效應(yīng)與建筑高度的關(guān)系中，軸向力

N與建筑高度H大致成正比，而結(jié)構(gòu)彎矩和位移與建筑高度H呈指數(shù)

關(guān)系。

p

圖4超高層結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移與高度的關(guān)系

根據(jù)CTBUH對(duì)歷年全球最高的100座超高層建筑統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，

可以發(fā)現(xiàn)，在二十世紀(jì)之前，超高層建筑采用的材料均是以全鋼結(jié)構(gòu)

為主。到了近年來，主要的超高層結(jié)構(gòu)都是采用的是鋼結(jié)構(gòu)外框+混凝

土核心筒的混合結(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)。

100tallestbuildingsbymaterial

|All-Steel■Concrete■Composite

圖4歷年全球前100超高層結(jié)構(gòu)采用的材料占比(@CTBUH)

3超高層建筑主要的結(jié)構(gòu)體系

超高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)決定了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系選擇合理成為

結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。當(dāng)結(jié)構(gòu)到達(dá)一定高度后，每增加一層抵抗側(cè)

向荷載所需的結(jié)構(gòu)材料要比中低層建筑要多得多。因此，超高層建筑

結(jié)構(gòu)體系主要采用抗側(cè)更為高效的筒體結(jié)構(gòu)及其衍生的結(jié)構(gòu)形式，主

要有筒體結(jié)構(gòu)、束筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)、

連體結(jié)構(gòu)和其它一些新型結(jié)構(gòu)體系等。

3.1筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)可以定義為全部利用建筑的周邊構(gòu)件來抵抗側(cè)向荷載的

全三維結(jié)構(gòu)體系。筒體概念的最早是由SOM的法茲勒?坎恩(Fazlur

Khan)提出的。利用筒體結(jié)構(gòu)來抵抗側(cè)向荷載是超高層建筑設(shè)計(jì)的一

場(chǎng)革命。本質(zhì)上這種體系是力求在建筑的外圍形成一種三維的墻體結(jié)

構(gòu)。

圖6FazlurKhan和其代表作西爾斯大廈

根據(jù)外框結(jié)構(gòu)的布置形式，筒體結(jié)構(gòu)可分為框筒，斜交網(wǎng)格筒，

支撐筒

3.1.2框筒

框筒結(jié)構(gòu)是由布置在建筑周邊的小柱距、高梁截面的密柱深梁組

成，在概念上可以認(rèn)為等效于一個(gè)連續(xù)的三維墻體。框筒結(jié)構(gòu)在形式

上是由建筑四周的密柱、深梁組成，其受力特點(diǎn)是一個(gè)地面上的懸臂

多孔筒體，不同于一般的框架結(jié)構(gòu)。

(1)框筒的受力性能為了更加清楚的說明框筒的受力性能，我

們以下圖所示的一個(gè)50層的由密柱、深梁組成的建筑為例。假設(shè)內(nèi)柱

設(shè)計(jì)只承擔(dān)重力荷載，而忽略其抵抗側(cè)向荷載的能力。其抗側(cè)力體系

主要是由密柱、深梁在空間上形成的筒體，如下圖所示。

圖7框筒結(jié)構(gòu)示意圖

框架是平面結(jié)構(gòu)，它主要抵抗與框架方向平行的水平力產(chǎn)生的層

剪力和傾覆力矩。而框筒的受力卻是空間的，在水平力作用下，層剪

力主要由與水平力方向平行的腹板框架來承擔(dān)，而層傾覆力矩則由腹

板框架與垂直于水平力方向的翼緣框架共同承擔(dān)。

平行于側(cè)向荷載的框架起著多孔筒體的"腹板"作用，而垂直于

側(cè)向荷載的框架則起著"翼緣"的作用。豎向重力部分由外框架承擔(dān)，

部分由內(nèi)柱或內(nèi)筒承擔(dān)。

當(dāng)承受由于側(cè)向荷載作用產(chǎn)生的彎曲時(shí)，受力的主要形式為一通

常的豎向懸臂筒，在中和軸兩邊的柱承受拉力和壓力。而平行于側(cè)向

荷載作用方向的框架承受平面內(nèi)彎曲。

其他形狀的框筒結(jié)構(gòu)如圓形、矩形、三角形筒體的軸向應(yīng)力分布

規(guī)則也是相似的，如下圖所示。這種利用建筑外圍形成一個(gè)完全三維

的結(jié)構(gòu)體系以抵抗側(cè)向荷載的原理，使得在進(jìn)行建筑平面設(shè)計(jì)時(shí)，獲

得了很大的自由度。它對(duì)結(jié)構(gòu)唯一的要求是結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠圍繞建筑外

周連續(xù)布置形成三維空間作用，并成為封閉的盒式形狀以抵抗扭轉(zhuǎn)效

用。

IB柱形根傳

圖9不同形狀筒體結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下應(yīng)力分布

下圖是自由式(free-form)筒體結(jié)構(gòu)的幾個(gè)例子。雖然簡(jiǎn)單的說,

筒體與空心懸臂結(jié)構(gòu)類似，實(shí)際上其對(duì)側(cè)向荷載的反應(yīng)是彎曲型與剪

切型的組合。筒體的總彎曲是由于柱的軸向壓縮與拉伸，而剪切變形

是由于各個(gè)柱與梁的彎曲。一個(gè)有效能設(shè)計(jì)的基本原則是消除或者盡

量減小剪切變形，這樣筒體結(jié)構(gòu)基本上就像懸臂構(gòu)件一樣做整體彎曲

了。

圖10自由式筒體結(jié)構(gòu)平面圖

框筒的概念可以用在圍繞建筑周邊對(duì)梁柱作任何合理的布置來實(shí)

現(xiàn)。但是，不緊湊的平面和帶有陰角的平面會(huì)大大降低框筒的空間作

用。

對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)，一個(gè)緊湊的平面可以定義為其長(zhǎng)寬比不大于1.5左

右。具有較大長(zhǎng)寬比的平面，要發(fā)揮其三維空間作用，則需要采取一

定的加強(qiáng)措施。這是由于：Q）風(fēng)荷載控制設(shè)計(jì)時(shí)，較大長(zhǎng)寬比的建筑

立面承受的風(fēng)荷載更大；⑵而由此引起的剪力經(jīng)常要求平行于風(fēng)向的

柱距更密，或者平行于風(fēng)向的柱與裙梁的尺寸更大；⑶剪力滯后現(xiàn)象

更加顯著，尤其是垂直于風(fēng)向的柱列。

同樣的，筒體形狀的突變也會(huì)造成框筒的空間作用的減弱，因?yàn)?/p>

剪力流只有通過柱的軸向縮短以繞過角部。同時(shí)，在這些部位的次框

架作用改變框筒柱的荷載分配。

圖11錯(cuò)位筒體平面圖

如上圖所示，在南北向的風(fēng)荷載作用下，背風(fēng)柱A、B受壓，迎風(fēng)

柱C、D受拉。除主要作用外，框架AB和CD還圍繞其本身的局部軸

線1-1和2-2轉(zhuǎn)動(dòng)。在A、B柱中分別產(chǎn)生局部的拉力和壓力。由于框

筒結(jié)構(gòu)的柱距較小，通常在建筑底部需要增大柱距以滿足建筑大空間

的功能要求。當(dāng)抽掉的柱子數(shù)量不多時(shí)，一般來說立面框架的空腹作

用也足以傳遞荷載。但是，如果抽掉的柱子數(shù)量較多時(shí)，則需要設(shè)置

1~2層的轉(zhuǎn)換層。一般還需要設(shè)置臨時(shí)支柱來承受豎向荷載和施工荷

載，直到上部框架可以形成足夠強(qiáng)的空腹作用時(shí)才可以拆除。

裙梁

圖12錯(cuò)位筒體平面圖

一般來說，在一個(gè)轉(zhuǎn)換體系中，有一個(gè)空腹桁架、鋼桁架、鋼結(jié)

構(gòu)大梁或混凝土大梁，由它們將筒體柱中的豎向荷載傳遞到下面的立

柱上。如果取消的框柱數(shù)量太多，則需要設(shè)置額外的抗側(cè)力體系（如

混凝土核心筒或鋼結(jié)構(gòu)支撐筒）來承受水平剪力，我們將在后面的案

例中進(jìn)行介紹。

圖13框筒與中間核心筒力的轉(zhuǎn)換

上部框筒的剪力則是通過樓板的隔板作用，從框架柱傳遞到核心

筒中。外框的傾覆力矩轉(zhuǎn)換為底層立柱的軸向的拉壓力。

(2)剪力滯后現(xiàn)象(ShearLagEffect)框筒雖然有筒體狀的形

式，但是其受力性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比實(shí)腹筒復(fù)雜，與實(shí)腹筒最大的不同是，

框筒要承受剪力滯后的作用。

在水平荷載作用下，框筒結(jié)構(gòu)截面變形不再符合初等梁理論的平

截面假定，腹板框架和翼緣框架的正應(yīng)力不再是直線分布而是曲線分

布，這個(gè)現(xiàn)象就是框筒結(jié)構(gòu)中的剪力滯后效應(yīng)(

ShearLagEffect)o

圖14框筒的剪力滯后現(xiàn)象

即使是由實(shí)心墻體構(gòu)成的實(shí)腹筒體，其迎風(fēng)面于背風(fēng)面墻體的軸

向應(yīng)力分布也不是均勻的，也存在剪力滯后效應(yīng)。這是由于平面尺寸

與墻厚的比值通常很大，使得其剪切變形不可忽略，平截面假定不再

適用。

圖15框筒的剪力滯后現(xiàn)象如上圖所示,在側(cè)向荷載作用下，大的

剪切應(yīng)變使得受彎平面發(fā)生變形。翼緣面單元E在剪應(yīng)力作用下發(fā)生

變形，所有這種單元變形累積效應(yīng)最后的結(jié)果是翼緣截面由原來的平

直面變?yōu)樯蠄D中曲面。這時(shí)，翼緣框架的彎曲應(yīng)力不再與截面到中和

軸的距離成比例關(guān)系。

由于翼緣截面的抗剪剛度不足，翼緣中心的應(yīng)力"滯后（lag）"

于靠近腹板的應(yīng)力。這種現(xiàn)象就是眾所周知的剪力滯后現(xiàn)象，它對(duì)筒

體高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起著重要的作用。腹板中的彎曲應(yīng)力也以相似的方

式受到影響。

效應(yīng)更加明顯。在側(cè)向荷載作用下，框筒結(jié)構(gòu)的主要抵抗力來自于腹

板框架。由于這些框架的變形，使得迎風(fēng)面框架柱T受拉，背風(fēng)面框

架柱C受壓。

腹板框架與翼緣框架之間的主要相互作用是通過角柱的軸向位移

產(chǎn)生的。例如，當(dāng)C柱受壓時(shí)，將趨向于使相鄰柱C1受壓，但由于裙

梁的剛度不是無限大，所以C1的軸向變形小于角柱Co柱C1的變形

又引起下一個(gè)相鄰柱C2的變形，其變形又更小一些。反應(yīng)到應(yīng)力上，

就是角柱的應(yīng)力較大，中間柱的應(yīng)力較小。

(3)設(shè)計(jì)要點(diǎn)剪力滯后效應(yīng)使得框筒的空間作用不能充分發(fā)揮，

因此，框筒結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)盡量減小其剪力滯后效應(yīng)。

影響框筒結(jié)構(gòu)剪力滯后的因素很多，主要有：柱距與裙梁高度

(裙梁的抗側(cè)剛度)、角柱與中柱的面積比、結(jié)構(gòu)高寬比、框筒結(jié)構(gòu)

的平面形狀、長(zhǎng)寬比、內(nèi)外筒剛度比、軸壓比等。

為了提高框筒結(jié)構(gòu)的空間作用，并減小剪力滯后效應(yīng)，框筒結(jié)構(gòu)

的平面外形宜選用圓形，正多邊形、橢圓形或矩形?？蛲步Y(jié)構(gòu)的平面

尺寸一般不宜過大。只有在結(jié)構(gòu)高寬比較大的情況，框筒結(jié)構(gòu)才能象

箱形懸臂梁一樣發(fā)揮整體彎曲的空間作用，因此框筒結(jié)構(gòu)的高寬比宜

大于4O

對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)，柱距大小和梁截面高度是決定筒體空間作用的決

定性因素。框筒柱距一般不宜大于3m和層高，框筒柱的長(zhǎng)邊應(yīng)沿筒

邊方向布置；當(dāng)結(jié)構(gòu)高度較高，柱距可以適當(dāng)放寬，一般也不宜大于

4.5m。裙梁的高度一般可以取裙梁的跨高比不應(yīng)大于3,

裙梁的跨高比太大時(shí)，剪力滯后效應(yīng)明顯，無法有效發(fā)揮框筒的空間

作用。

(4)案例紐約世界貿(mào)易中心雙子塔結(jié)構(gòu)體系：框筒

圖17紐約世界貿(mào)易中心雙子塔

紐約世界貿(mào)易中心雙子塔位于美國(guó)紐約的世界貿(mào)易中心，是著名

建筑師山崎實(shí)最重要的代表作之一，大廈耗資7億美元，于1966年破

土動(dòng)工，1972年完成最高層建筑（417米），超越紐約帝國(guó)大廈成為

世界第一摩天大廈。然而2001年雙子大廈在“9口1”恐怖襲擊事件中

倒塌。

圖18紐約世界貿(mào)易中心雙子塔

前紐約世界貿(mào)易中心雙子塔，由兩幢110層、高417m的鋼框筒

結(jié)構(gòu)組成。平面尺寸為63.5mx63.5m,標(biāo)準(zhǔn)層高3.66m，柱距

1.02m,裙梁高1.32m。每32層設(shè)置一道7m高的鋼板圈梁用以減

小剪力滯后效應(yīng)。

圖19底部三根柱合并為一根

到了底部，為了實(shí)現(xiàn)大空間的建筑功能需求，每三根框架柱合并

為一根，底部柱距擴(kuò)大為3.06m。

101CaliforniaBuilding結(jié)構(gòu)體系：框筒

圖20CaliforniaBuilding

美國(guó)舊金山加利福利亞大街101號(hào)大廈，采用框筒結(jié)構(gòu)，地下2

層，地上48層，高201.2m,全鋼結(jié)構(gòu)。但是1?7層在半個(gè)圓的范圍

內(nèi)，周邊只有框架柱，柱高28m,沒有裙梁，低區(qū)形不成框筒，如上

圖所示。豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)不連續(xù)，同時(shí)，由于沒有裙梁，也極大的削

弱了1~7層的側(cè)向剛度和抗扭剛度，成為潛在的薄弱層和軟弱層。并

且在37層、42層和46層立面上存在三次收進(jìn)。

H

圖21CaliforniaBuilding的平面及立面

為保證側(cè)向力的順利傳遞，從1~12層在平面中央設(shè)置了鋼結(jié)構(gòu)

支撐筒體，兩個(gè)方向各為3相4跨和3桶6跨。為使7層以上的框筒

和7層以下的鋼結(jié)構(gòu)支撐筒成為連續(xù)的豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，對(duì)8~12層

的樓板進(jìn)行了加強(qiáng)，作為水平地震剪力的傳遞層，在傳遞地震剪力的

最大的8層和12層樓面，設(shè)置了水平鋼桁架。

r—

圖22CaliforniaBuilding

DeWitt-Chestnut公寓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM結(jié)構(gòu)體系：混凝土框筒

圖23DeWitt-Chestnut公寓

DeWitt-Chestnut公寓Q964年）是FazlurKhan的第一個(gè)重要作

品，也是采用筒體結(jié)構(gòu)體系建造的第一幢超高層。大樓高120m,由

鋼筋混凝土密柱和深梁構(gòu)成外圍筒體，抵御水平荷載。大廈內(nèi)部沒有

芯筒和剪力墻。采用筒體結(jié)構(gòu)的建筑，對(duì)內(nèi)部立柱的需求少，建筑內(nèi)

部空間開闊。

圖24結(jié)構(gòu)底部?jī)筛喜橐桓?/p>

到了結(jié)構(gòu)底部，為實(shí)現(xiàn)建筑的大開間需求，框筒的立柱通過大梁

轉(zhuǎn)換，兩根立柱合并為一根立柱。

388MarketSt結(jié)構(gòu)體系：框筒

圖25MarketSt

美國(guó)舊金山市場(chǎng)街388號(hào)大樓，27層，鋼結(jié)構(gòu)。為了充分利用一

塊面積不大的三角形場(chǎng)地，該建筑的平面一端圓，一端尖，像一個(gè)水

滴。根據(jù)建筑平面形狀，采用了一個(gè)圓弧形和一個(gè)三角形組合的框筒

抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。兩個(gè)框筒公用的框架采用截面較高的梁和箱形截面

柱。在第3層、18層、19層、20層、25層和26層，共用框架中間

跨的兩根柱之間附加一個(gè)斜撐。

圖26MarketSt的平面及空間振型圖

3.2斜交網(wǎng)格筒體

在筒體表面增加斜向支撐可以有效的翼緣及腹板框架的剪力滯后

效應(yīng)?？蛲布词故敲苤贾?，其裙梁的剛度也是有限剛度，因而平行

于風(fēng)向的框架的高剪應(yīng)力在圍繞框筒角部位置不能有效的傳遞。要使

它的效能最高，筒體應(yīng)該如一個(gè)完美的懸臂梁構(gòu)件一樣，在迎風(fēng)面和

背風(fēng)面均勻的受壓和受拉。然而，框筒的性能卻像一個(gè)帶孔洞的薄壁

筒體。當(dāng)軸向力繞過筒角時(shí)趨向于減小，使得迎風(fēng)面和背風(fēng)面中部的

柱不能均勻的承擔(dān)分配給它們的拉力和壓力。這種效應(yīng)即前文提到的

剪力滯后效應(yīng)。它限制了框筒通常只能用于50層或60層以下的建筑,

109層的紐約世界貿(mào)易中心雙子塔是采用了非常小的柱距（1.02m）。

而對(duì)于普通柱距（3~4.5m）的更高的框筒結(jié)構(gòu)，其梁柱的設(shè)計(jì)是

由其彎曲作用控制而不是由軸力作用控制。并且在總的側(cè)移中，僅有

大約25%是由作為懸臂構(gòu)件的彎曲分量組成，其余均為框架的剪切分

量構(gòu)成。正是由于這種剪切變形，引起了剪力滯后現(xiàn)象，使得框筒不

能充分發(fā)揮其空間作用。

圖27密布斜柱的筒體結(jié)構(gòu)

如上圖所示，這種密布斜桿的筒體也被稱為斜交網(wǎng)格筒體，可以

有效的發(fā)揮筒體的空間作用。斜交網(wǎng)格筒是一種沒有一般意義上的

"柱"，而以網(wǎng)狀相交的斜桿作為同時(shí)承受垂直和水平荷載構(gòu)件的結(jié)

構(gòu)體系。

非節(jié)點(diǎn)層

圖28斜交網(wǎng)格筒體的三角單元

體系中斜柱以軸向拉壓內(nèi)力為主，能有效利用構(gòu)件材料力學(xué)性能

提供很大的側(cè)向剛度，為減小內(nèi)筒或內(nèi)框架的剛度要求提供了可能，

從而為建筑內(nèi)部的布置提供了更大的自由度。斜交網(wǎng)格筒的抗側(cè)剛度

受網(wǎng)格角度的影響較大，在網(wǎng)格角度為60。至70。之間，斜交網(wǎng)格筒的

抗側(cè)效率最高。斜交網(wǎng)格筒平面形狀愈趨近圓形，斜柱、環(huán)梁的內(nèi)力分

布愈均勻，因此筒體平面形狀宜采用圓形或接近圓形的凸多邊形，多

邊形平面的角部宜采用圓弧過渡。

案例瑞士再保險(xiǎn)大廈結(jié)構(gòu)體系：斜交網(wǎng)格筒

圖28瑞士再保險(xiǎn)大廈

2004年建成的瑞士再保險(xiǎn)總部大樓，位于英國(guó)倫敦"金融城"圣

瑪麗斧街30號(hào)，共40層，180m高，它是一幢集辦公建筑。大樓采

用圓形周邊放射平面，外形像一顆子彈，為螺旋型，每層的直徑隨大

廈的曲度而改變，直徑由50m至56m（17樓）之后續(xù)漸收窄。

圖29瑞士再保險(xiǎn)大廈

廣州西塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：ARUP&華南理工設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)體系：鋼管混

凝土柱斜交網(wǎng)格外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒的筒中筒體系

S

祥

圖30廣州西塔

廣州西塔地下4層（局部5層），地面以上103層，主塔樓高432m,

采用巨型鋼管混凝土柱斜交網(wǎng)格外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒的筒中筒結(jié)構(gòu)O

斜交網(wǎng)格筒側(cè)向剛度、抗扭剛度大，以斜柱軸力抵抗水平荷載引起的

結(jié)構(gòu)樓層水平剪力和傾覆力矩，充分發(fā)揮了高強(qiáng)鋼管混凝土柱的優(yōu)勢(shì)，

是超高層建筑的優(yōu)良結(jié)構(gòu)形式。西塔外周邊共30根鋼管混凝土斜柱

于空間相貫，共16個(gè)節(jié)點(diǎn)層，節(jié)點(diǎn)層間距27m。

圖31廣州西塔平面圖

廣州西塔斜交網(wǎng)格外筒的組成包括：（1）豎向構(gòu)件以一定角度

相交的斜柱；（2）水平構(gòu)件沿外周邊布置、連接網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的環(huán)梁及

沿外周邊布置、支承于斜柱的樓面梁。斜交網(wǎng)格筒體的幾何構(gòu)成決定

了它抵抗水平力的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度也遠(yuǎn)優(yōu)于框筒，但豎

向剛度比框筒稍差。水平力由斜柱的軸向力平衡，傾覆力矩引起的豎

向力也由交于節(jié)點(diǎn)的斜柱的軸力平衡。

西塔的層高為3.375~4.500m,斜柱的交角為13.63°~34.09°,

自重引起的彎矩不大；對(duì)各節(jié)點(diǎn)層施加了體外預(yù)應(yīng)力，阻止了豎向荷

載作用下網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的向外水平位移，大大減少了斜柱的柱端彎矩和剪

力，提高了結(jié)構(gòu)的豎向剛度。不論是受豎向還是水平荷載作用，斜柱

的主要內(nèi)力是軸力，剪力和彎矩均很小。

北京保利國(guó)際廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM&BIAD結(jié)構(gòu)體系：交叉網(wǎng)格

筒中筒體系

DESIGNINSPIRATION-CHINESEPAPERLANTERNFOLDING

圖32北京保利國(guó)際廣場(chǎng)

北京保利國(guó)際廣場(chǎng)主塔樓高161.2m,32層，采用獨(dú)特的鉆石型

折疊網(wǎng)格造型。結(jié)構(gòu)體系依據(jù)建筑體型，采用交叉網(wǎng)格筒中筒體系，

外筒為鋼管混凝土斜柱構(gòu)成的交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，無豎直柱子，內(nèi)筒為鋼

筋混凝土剪力墻核心筒。交叉網(wǎng)格外筒的組成包括:1）斜向構(gòu)件，以一

定角度（約45。）傾斜相交的斜柱，斜柱每根跨兩層;2）水平構(gòu)件，由外

環(huán)梁和徑向梁構(gòu)成，外環(huán)梁沿外周邊每?jī)蓪釉O(shè)置一圈，連接網(wǎng)格柱節(jié)

點(diǎn)，徑向梁支承于交叉網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和核心筒之間。作為一種新穎的框筒

體系，交叉網(wǎng)格筒體的受力性能與一般框筒有很大差別，主要體現(xiàn)在

以下幾點(diǎn)。（1）交叉網(wǎng)格的幾何構(gòu)成決定了它抵抗水平力的獨(dú)特優(yōu)

點(diǎn)，外筒的巨大剛度使其能夠承受很大的水平荷載，為減小內(nèi)筒的剛

度提供了可能，從而為建筑內(nèi)部的布置提供了更大的自由度，可取得

更好的建筑效果和綜合效益。（2）側(cè)向力主要由斜柱的軸向力平衡,

傾覆力矩引起的豎向力也由交于節(jié)點(diǎn)的斜柱的軸力平衡，因此柱內(nèi)的

剪力和彎矩比較小。（3）斜交網(wǎng)格在水平和豎向荷載作用下，表現(xiàn)出

明顯的空間受力特征，結(jié)構(gòu)的高寬比、斜柱的傾斜角度、斜柱的截面

面積、斜柱與環(huán)梁的相對(duì)剛度比等等，均對(duì)交叉網(wǎng)格筒體的受力性能

有較大影響。（4）交叉網(wǎng)格外筒的抗側(cè)剛度往往超過混凝土核心筒的

抗側(cè)剛度，同時(shí)延性遜于常規(guī)框架體系，體系的屈服機(jī)制明顯不同于

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，抗震防線的分布也將發(fā)生較大變化

圖33交叉網(wǎng)格的尺寸及豎向荷載下的軸力圖

網(wǎng)格構(gòu)件尺寸不完全是按樓層分布，而是根據(jù)構(gòu)件的內(nèi)力分布，

呈空間變化，在豎向荷載作用下，外網(wǎng)格柱的軸力分布如圖所示，自

底層的最大軸力27500kN,逐漸過渡到頂部的500kN。

中信金融中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM&華陽國(guó)際結(jié)構(gòu)體系：交叉網(wǎng)格+

混凝土核心筒

圖34中信金融中信（原設(shè)計(jì)）

中信金融中心原設(shè)計(jì)包含兩棟塔樓，分別為一棟311.4m的辦公

塔樓和一棟211.25m的多功能塔樓。

圖35中信金融中信的結(jié)構(gòu)體系（原設(shè)計(jì)）

兩棟塔樓的結(jié)構(gòu)體系采用的均是外圍交叉網(wǎng)格+混凝土核心筒體系。

其外框支撐筒體的斜桿布置可通過拓?fù)鋬?yōu)化得到，俗稱米歇爾桁架，

如下圖所示。

圖36米歇爾懸臂

這時(shí)的立面的斜桿布置與水平荷載下的應(yīng)力路徑相同，理論上是

最優(yōu)的一種斜桿布置方法。

深圳農(nóng)村商業(yè)銀行

圖37深圳農(nóng)村商業(yè)銀行

3.3支撐筒

通常為了減小對(duì)建筑立面及使用功能的影響，如下圖所示的大的

斜向支撐形成支撐筒更為常見。這個(gè)方法是在每個(gè)立面上用最小的斜

桿相交在角柱的同一點(diǎn)處。這種體系之所以成為筒體，是由于筒面斜

桿與垂直面的桁架相互作用形成了三維的空間作用。

ft

2

巨型斜桿

巨型柱

圖38支撐筒體示意圖

這種大的斜桿形成的支撐筒，在每一個(gè)交點(diǎn)處都立柱相連接，有

效地消除了翼緣框架與腹板框架的剪力滯后效應(yīng)。支撐筒在水平荷載

作用下發(fā)生整體彎曲時(shí)，本應(yīng)該由腹板框架與翼緣框架中裙梁承擔(dān)的

豎向剪力主要由斜桿來承擔(dān)；由于斜桿的軸向剛度大，所以支撐筒結(jié)

構(gòu)基本消除了框筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)，從而更充分地發(fā)揮了筒體的空

間作用，適用于建造更高的建筑。

案例

約翰.漢考克中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM結(jié)構(gòu)體系：鋼結(jié)構(gòu)支撐筒

圖39約翰.漢考克中心

這種體系最著名的例子要數(shù)由SOM公司的BruceGraham和

FazlurKhan設(shè)計(jì)的漢考克中心了。建筑為100層，總高度343.7m,

加天線高度達(dá)457.2m。建筑的底層平面尺寸為50x80m,從中心核心

筒到夕M則的凈跨約為18m,建筑平面隨著高度上升不斷減小，到了頂

部平面尺寸為30x49m,凈跨縮小為9m。底層最大柱距達(dá)到13.2m,

遠(yuǎn)大于框筒結(jié)構(gòu)要求的

4.5mo

立面支撐施工圖

每一斜桿呈45。角布置，在每一面形成巨大的X型支撐。斜桿具有

多重功能，既與斜柱一樣受力以抵抗部分重力荷載，又承擔(dān)了大部分

水平荷載作用下剪力。斜桿與框架柱、橫梁形成了具有較大剛度的支

撐筒。

圖41約翰.漢考克中心

漢考克的45。斜桿與外框形成的支撐筒，極大的消除了筒體的剪力

滯后效用，其空間作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高與框筒。100層的漢考克中心用鋼量約

而層的帝國(guó)大廈的用鋼量是其約為

150kg/m2,102205kg/m2o

上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：LERA&ECADI&株式會(huì)社構(gòu)造計(jì)

畫研究所結(jié)構(gòu)體系：核心筒一巨型支撐筒體一伸臂桁架

圖42上海環(huán)球金融中心

上海環(huán)球金融中心，主樓地上101層，地下3層，地面以上高度

為492m,裙房為地上4層，高度約為15.8m。

88層

78I

66&

54&

42層

30層

18￡

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圖43上海環(huán)球金融中心的結(jié)構(gòu)體系示意圖

上部結(jié)構(gòu)同時(shí)采用以下三重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系：1）由巨型柱，巨型

斜撐（主要的斜撐）和周邊帶狀桁架構(gòu)成的巨型結(jié)構(gòu)框架；2）鋼筋混

凝土核心筒；3）聯(lián)系核心筒和巨型結(jié)構(gòu)柱之間的外伸臂桁架。

三層樓高

的外伸桁，巨型柱

工巨型斜

帶狀桁

架

巨型柱a

圖44上海環(huán)球金融中心的結(jié)構(gòu)體系示意圖

高銀117大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：ARUP&ECADI結(jié)構(gòu)體系：混凝土核心

筒+巨型柱框架+巨型支撐

圖45高銀117大廈

高銀117大廈，建筑高度597m，共117層，塔樓外形隨高度變

化，樓層平面為正方形，樓層平面隨高度逐漸變小。首層平面尺寸為

漸變至頂層的

65x65m,45x45mo

圖46高銀117大廈結(jié)構(gòu)體系組成及平面圖

結(jié)構(gòu)外框采用巨型柱+巨型支撐+水平橫梁組成的巨型支撐筒體。

巨型支撐筒體承擔(dān)了主要的抗側(cè)力作用。

圖47高銀117大廈的外框支撐筒的組成

天津周大福結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM&ECADI結(jié)構(gòu)體系：帶陡斜撐和帶

狀桁架的鋼管（型鋼）混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒

圖48天津周大福

天津周大福，共94層，建筑高度530m,大屋面高度443m,集

辦公、公寓、酒店等多功能于T本。

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圖49結(jié)構(gòu)體系組成結(jié)構(gòu)體系為帶陡斜撐和帶狀桁架的鋼管(型

鋼)混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。外框由角柱、陡斜撐(斜柱)

和普通邊框柱組成。塔樓立面設(shè)置3道環(huán)帶桁架，第一道設(shè)置在中部

L48M-L51層，下部框架柱為鋼管混凝土柱(CFT),上部框架柱為勁

性混凝土柱(SRC)。其余兩道環(huán)帶桁架設(shè)置在L71-L73層和L88-L89

層設(shè)備層，在核心筒頂部設(shè)置一道帽桁架來縮小周邊柱與核心筒之間

的變形差。底部加強(qiáng)區(qū)和中部加強(qiáng)區(qū)的核心筒采用設(shè)置鋼板和型鋼的

組合剪力墻以提高核心筒的延性。

圖50施工中的天津周大福

結(jié)合建筑立面體型，沿建筑的立面脊線設(shè)置陡斜撐，不設(shè)伸臂桁

架，而結(jié)合帶狀桁架、帽桁架、抗彎框架組成一種特殊的支撐結(jié)構(gòu)體

系——帶陡斜撐（或斜柱）的框架-核心筒超高層組合結(jié)構(gòu)體系。該

體系的特點(diǎn)是在外框中設(shè)置了陡斜撐（斜柱），陡斜撐（斜柱）介于

框架柱與常規(guī)支撐之間，角度比較陡，為70。?80。左右，從底層角柱

開始傾斜向上，與普通邊柱相交、合并、分開、或再相交，將外框角

柱、普通邊柱聯(lián)系起來，提高外框的抗側(cè)剛度，使得外框承擔(dān)的地震

剪力達(dá)到了底部總剪力的10%。

北京中信大廈

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：ARUP&BIAD結(jié)構(gòu)體系：巨型框架支撐外框筒+鋼板

組合剪力墻核心筒

圖51北京中信大廈

中國(guó)尊大廈是全球第一座在地震8度設(shè)防區(qū)超過500m的摩天大

樓。塔樓外形以中國(guó)傳統(tǒng)宗教禮儀中用來盛酒的器具"樽"為意象。

圖52北京中信大廈

建筑高度528m,地上112層，地下8層。平面為方形，底部尺

寸為78mx78m,中上部平面尺寸為54mx54m；同時(shí)頂部逐漸放大

為69mx69m,最終形成中部略有收分的建筑造型。

圖53北京中信大廈的結(jié)構(gòu)體系組成

結(jié)構(gòu)體系為巨型框架支撐外框筒+鋼板組合剪力墻核心筒組成的雙

重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。外框筒由巨型柱、巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架以及次框

架組成。其側(cè)向荷載主要外框的支撐筒與核心筒承擔(dān)。

圖54北京中信大廈的結(jié)構(gòu)體系組成

中央電視臺(tái)新臺(tái)址結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：ARUP&ECADI結(jié)構(gòu)體系：鋼結(jié)構(gòu)

支撐筒體

圖55中央電視臺(tái)新臺(tái)址

CCTV主樓由塔1和塔2兩座塔樓、裙房及基座組成，地下3層。

塔樓1,2均呈雙向6。傾斜，分別為51層和44層，在層37以上部分用

14層高的L形懸臂結(jié)構(gòu)連為T本。結(jié)構(gòu)屋面高度234m,最大懸挑長(zhǎng)

度75m。

Ad?)^dPatWm—：0;波)I坨上

圖56立面支撐布置

CCTV主樓采用鋼支撐筒體結(jié)構(gòu)體系。帶斜撐的鋼結(jié)構(gòu)外筒體提

供結(jié)構(gòu)的整體剛度，部分鋼結(jié)構(gòu)外筒體表面延續(xù)至筒體內(nèi)部，以加強(qiáng)

塔樓角部及保持鋼結(jié)構(gòu)外筒體作用的連續(xù)性。大樓特殊的幾何造型導(dǎo)

致外筒桿件受力不勻，故設(shè)計(jì)將斜向交叉的鋼構(gòu)件-斜交格構(gòu)-在受力

較大或較小的區(qū)域增加或減小密度。如上圖所示。

OnterieCenter結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM結(jié)構(gòu)體系：混凝土支撐筒

圖57OnterieCenter

SOM公司的法茲勒?坎恩(FazlurKhan)早在1972年就設(shè)想,

用混凝土建造高層建筑是有可能與鋼結(jié)構(gòu)相匹敵的。他尋找一種可以

消除筒體剪力滯后的結(jié)構(gòu)解決辦法，最后他提出了支撐筒的概念。這

個(gè)概念在芝加哥的約翰?漢考克大廈的設(shè)計(jì)中得到了充分體現(xiàn)。

采用類似的原則，坎恩提出了一個(gè)采用混凝土支撐筒的想法。它

的組成是：布置間距約為3.04m柱，每一層堵住一個(gè)一些窗戶，在外

立面形成斜的混凝土支撐。然后按承