論超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12

1、論超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)肖自強(qiáng)，張建明（中國(guó)中元國(guó)際工程公司，北京）【摘要】對(duì)超高層建筑與一般高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異、超高層建筑結(jié)構(gòu)方案選擇的主要考慮要素、超高層建筑中混合結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)主要考慮問(wèn)題及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行探討，依據(jù)已有的工程實(shí)踐，進(jìn)行了初淺的介紹，以供設(shè)計(jì)人員參考。【關(guān)鍵詞】超高層建筑；結(jié)構(gòu)類型；結(jié)構(gòu)體系；核心筒；外框柱；抗側(cè)剛：加強(qiáng)層【中圖分類號(hào)【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，自改革開(kāi)放后的上世紀(jì)年代中期開(kāi)始建造超高層建筑以來(lái)，我國(guó)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(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)最高的是上海中心大廈，房屋高度達(dá)、層。目前世界上最高的摩天大樓是阿拉伯聯(lián)合奠長(zhǎng)國(guó)的迪拜塔，房屋高度為，有多層。我國(guó)上海中心大廈建成之后，將是世界高樓的前幾位。據(jù)有關(guān)資料介紹，英國(guó)倫敦設(shè)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(jì)劃中的高度，未來(lái)它能繼續(xù)長(zhǎng)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(gè)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(fèi)用比一般高層建筑高出很多，但在我國(guó)的城市建設(shè)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(huì)使超高層建筑以更快的速度發(fā)展。現(xiàn)根

3、據(jù)我們近些年來(lái)在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的學(xué)習(xí)和工作實(shí)踐，把所了解的粗淺認(rèn)識(shí)和體會(huì)向同行們作如下介紹:一、超高層建筑與一般高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)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(yuǎn)（最高層到地面），從消防策略考慮，須設(shè)置避難層，以保證遇到火災(zāi)時(shí)，位于建筑上部的人員能在有限的時(shí)間內(nèi)疏散的相對(duì)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(dá)到60m，加上高壓滅火設(shè)備，完成能控制火警，可以不設(shè)置避難層。1.3、從機(jī)電設(shè)備的功率和性價(jià)比比較首先超高層

4、建筑都是高端用戶，高端用戶對(duì)機(jī)電設(shè)備的要求高，機(jī)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(shè)備，由于層數(shù)多，設(shè)備的功率將會(huì)非常大，并且沿豎井布置的管線也會(huì)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(chǎng)中也沒(méi)有滿足要求的設(shè)備供應(yīng)商。針對(duì)超高層機(jī)電設(shè)計(jì)的要求，科學(xué)的設(shè)置機(jī)電設(shè)備層布置位置，使設(shè)備層中的設(shè)備性價(jià)比最高，設(shè)備層的設(shè)置也是平衡建筑使用率與機(jī)電性價(jià)比的綜合判斷。一般高層建筑首先層數(shù)不多，其次單層的面積在1000平方米以內(nèi)，設(shè)備的要求一般，不需要設(shè)置設(shè)備層，使設(shè)備的服務(wù)范圍減小。對(duì)于這些安放有設(shè)備的樓層，在設(shè)計(jì)過(guò)程中除考慮實(shí)際的荷載之外，更需考慮設(shè)備的振動(dòng)對(duì)相鄰

5、樓層使用的影響。1.4、從結(jié)構(gòu)整體剛度的需要比較一般高層建筑的樓板只做受彎構(gòu)件考慮，即使樓板平面內(nèi)剛度在設(shè)計(jì)的過(guò)程中是假定無(wú)窮大，對(duì)各豎向構(gòu)成能夠傳遞內(nèi)力，使各豎向構(gòu)件有協(xié)調(diào)的位移，一般樓板除特殊情況下還是以受彎的作用為主。對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)，樓板的受彎作用由主要作用退化為次要作用，樓板整體協(xié)調(diào)性在超高層建筑中的作用凸顯出來(lái)。通過(guò)加強(qiáng)樓板，形成結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)層，利用樓層的加強(qiáng)層提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。（超高層設(shè)計(jì)過(guò)程中常把“避難層”、“設(shè)備層”、“加強(qiáng)層”這三層設(shè)置在同一位置，使這些特殊功能的層相對(duì)集中，減少對(duì)建設(shè)使用的影響）1.5、從結(jié)構(gòu)選型的范圍上比較超高層建筑的結(jié)構(gòu)類型選擇上相對(duì)要廣，除鋼筋混凝

6、土結(jié)構(gòu)外，還有全鋼結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。而一般高層建筑結(jié)構(gòu)除了特殊條件需要者外，多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。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(duì)于矩形平面其長(zhǎng)寬比也是在以內(nèi)，尤其抗震設(shè)防的高烈度地區(qū)更應(yīng)采用規(guī)則對(duì)稱平面。否則，在地震作用時(shí)由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)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(chǔ)類型上比較超高層建筑的基礎(chǔ)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(méi)有一般高層建筑中所采用的梁板筏基。同時(shí)，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(fù)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(guò)的超高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件，滿足風(fēng)荷作用下舒適度要求，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度的控制滿足相關(guān)規(guī)定要求。而一般高層建筑設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，所以一般建筑常常不需要考慮舒適度。1.9、從政府對(duì)建筑的行政審批上比較超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般都需要進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（以下簡(jiǎn)稱高規(guī)）、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（以下簡(jiǎn)稱抗規(guī)）中的級(jí)高度房屋就規(guī)定需要進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查，還有超過(guò)高規(guī)中第章混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定的房屋高度也需要進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。即算是采用全鋼結(jié)構(gòu)，超過(guò)抗規(guī)）第章規(guī)

8、定的房屋高度時(shí)，同樣需要進(jìn)行抗設(shè)防專項(xiàng)審查。這是因?yàn)槌^(guò)現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定房屋高度，還沒(méi)有這樣的工程經(jīng)驗(yàn)，只有經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)專家的評(píng)估和論證，必要時(shí)還須進(jìn)行振動(dòng)模型試驗(yàn)，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(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，除非是特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，否則是不需要進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查的。二、超高層建筑結(jié)構(gòu)方案選擇的主要考慮因2.1、建筑物的抗震設(shè)防烈度抗震設(shè)防烈度是超高層結(jié)構(gòu)體系選用首要考慮因素之一現(xiàn)在的抗規(guī)和高規(guī)中已明確規(guī)定，結(jié)構(gòu)體系的選用與抗震設(shè)防烈度相關(guān)。同時(shí)，從抗規(guī)和高規(guī)中規(guī)定的同一結(jié)構(gòu)體系，對(duì)于房屋高度超過(guò)的高層建筑，不同的抗震設(shè)防烈度，房屋高度也是不相同

9、的。很顯然，抗震設(shè)防烈度度最有利于建造超高層建筑，抗震設(shè)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?yàn)榈卣鹱饔锰螅獫M足三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防性能目標(biāo)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸大，用材指標(biāo)很高，并導(dǎo)致工程造價(jià)也相當(dāng)高。如一座房屋高度為的框架核心筒結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度度區(qū)是高規(guī)中的級(jí)高度房屋且為正常設(shè)計(jì)；而在抗震設(shè)防烈度度區(qū)是高規(guī)中的級(jí)高度房且高度還超限，需經(jīng)抗震設(shè)防專限審查批準(zhǔn)后方可進(jìn)入正式設(shè)計(jì)。另外，在結(jié)構(gòu)類型上，前者可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而后者則需采用混合結(jié)構(gòu)。像這樣的工程實(shí)例，如中國(guó)中元國(guó)際工程公司設(shè)計(jì)的重慶金融街金融中心和北京財(cái)富中心房屋高度近同，結(jié)果如上所述。2.2、超高層建

10、筑方案應(yīng)受到結(jié)構(gòu)方案的制約建筑專業(yè)是民用建筑設(shè)計(jì)中的龍頭專業(yè)，一個(gè)具有較強(qiáng)建筑方案能力和有經(jīng)驗(yàn)的建筑師，每一建筑方案都應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)方案的可實(shí)施性。而對(duì)于超高層建筑方案更應(yīng)首先就要考慮結(jié)構(gòu)方案的可行性，否則不是一個(gè)合理的建筑方案。所以，國(guó)外承擔(dān)超高層建筑設(shè)計(jì)的事務(wù)所提出的每一個(gè)方案都要經(jīng)過(guò)權(quán)威的結(jié)構(gòu)顧問(wèn)認(rèn)可。對(duì)于我們國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位來(lái)說(shuō)，在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有結(jié)構(gòu)專業(yè)的參與和配合。否則，有可能出現(xiàn)方案的大調(diào)整。海口某工程是一座擬建層、房屋高度為（實(shí)際頂部高度為）的綜合樓，其平面為熨斗形（見(jiàn)圖），平面的開(kāi)口面向大海。方案設(shè)計(jì)的意向要讓在這個(gè)樓內(nèi)工作和生活的人員都能在樓內(nèi)欣賞到美好的自然海景。由

11、于?？诳拐鹪O(shè)防度度且設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.30 g ，該方案能否可行要求結(jié)構(gòu)專業(yè)提前參與配合建筑方案設(shè)計(jì)。該方案在平面上是非對(duì)稱的，不是超高層建筑的理想平面。方案的主要問(wèn)題是核心筒位于底部和底部角位設(shè)有轉(zhuǎn)角墻，但頂部是完全開(kāi)口的，存在抗扭剛度明顯不足。經(jīng)對(duì)方案結(jié)構(gòu)的初步計(jì)算分析，地震作用下的平面開(kāi)口位的扭轉(zhuǎn)位移比遠(yuǎn)大于規(guī)范限值，因此，結(jié)構(gòu)方案必須考慮提高該部位的抗扭剛度。為了不影響開(kāi)口位對(duì)觀賞海景和使用上的不便，經(jīng)與建筑方案設(shè)計(jì)人共同研究，結(jié)構(gòu)方案擬在該位設(shè)置支撐，以增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。同時(shí)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(jiàn)圖）。從而，使該建筑方案得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)

12、已完成初步設(shè)計(jì)并經(jīng)省建設(shè)廳組織抗震設(shè)防專項(xiàng)審查通過(guò)?？傊?，超高層建筑方案的實(shí)施應(yīng)有結(jié)構(gòu)專業(yè)在方案階段的密切配合，保證結(jié)構(gòu)方案實(shí)施的可行性。另外，也要在與建筑方案的研究結(jié)合中，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系為筒中簡(jiǎn)，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(shè)計(jì)采用了外框筒由斜柱與橫梁組成網(wǎng)格筒（見(jiàn)圖）。從而，既減少外框筒角部的剪力滯后，同時(shí)獲得了較大的抗側(cè)剛度。因此，結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新是超高層建筑方案實(shí)現(xiàn)的新途徑。2.3、超高層建筑結(jié)構(gòu)體系中結(jié)構(gòu)類型的選擇超高層建筑結(jié)構(gòu)體系中結(jié)構(gòu)類型的選擇，應(yīng)據(jù)擬建場(chǎng)地的巖土工程地質(zhì)條件和抗震性能目標(biāo)的確定及經(jīng)濟(jì)

13、的合理性綜合考慮。）擬建場(chǎng)地的巖土工程地質(zhì)條件，是合理選擇超高層建筑的結(jié)構(gòu)類型時(shí)要考慮的因素之一。一個(gè)擬建在基巖埋藏極淺場(chǎng)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(chǎng)地其建筑場(chǎng)地類別為類或類，同時(shí)抗震設(shè)防烈度又低，故所采用的結(jié)構(gòu)體系在高規(guī)規(guī)定的房屋高度范圍內(nèi)，則可優(yōu)先考慮采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如我國(guó)的重慶和青島地區(qū)。而對(duì)在第四紀(jì)土層上的抗震設(shè)防烈度度或度區(qū)擬建的超高層建筑，為降低地震作用，結(jié)構(gòu)選型應(yīng)考慮采用結(jié)構(gòu)自重較輕的混合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。）抗震設(shè)計(jì)時(shí)，所確定的抗震性能目標(biāo)是超高層建筑結(jié)構(gòu)選型應(yīng)考慮的因素之二。前面所述超高層建筑結(jié)構(gòu)

14、設(shè)計(jì)都普遍存在結(jié)構(gòu)超限，即超出我國(guó)現(xiàn)行抗規(guī)和高規(guī)的相關(guān)規(guī)定。一般抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)要求豎向構(gòu)件承載力達(dá)到中震不屈服或剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)達(dá)到抗剪中震彈性，受彎及框架柱達(dá)到中震不屈服。顯然，抗震設(shè)防烈度度區(qū)、特別是度區(qū)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就很難或不可能滿足這一要求。所以，為減小結(jié)構(gòu)自重在地震作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，應(yīng)考慮選用混合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，這樣即可以基本由型鋼承擔(dān)地震作用產(chǎn)生的剪力和拉力。否則，采用全鋼筋混凝土的豎向構(gòu)件則會(huì)因截面計(jì)算配筋量太大，導(dǎo)致鋼筋無(wú)法放置。若增大構(gòu)件截面則結(jié)構(gòu)自重加大，地震作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也增大，仍然會(huì)使得截面配筋率很大，這在實(shí)際工程是無(wú)法實(shí)施的。）采用合理的結(jié)構(gòu)類型，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)上

15、的合理性。通常從工程造價(jià)上比較，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最低，其次是混合結(jié)構(gòu)，最高則是全鋼結(jié)構(gòu)。一般混合結(jié)構(gòu)（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(jià)要高出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)約元，而全鋼結(jié)構(gòu)每平方米要高出約元以上。所以，超高層結(jié)構(gòu)方案的采用應(yīng)考慮有利于降低工程造價(jià)。另外，超高層建筑結(jié)構(gòu)中的豎向承重構(gòu)件由于截面積大而會(huì)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(duì)于工程造價(jià)格較高的超高層建筑來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)效益得到了提高。所以，即使采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案，為減小柱截面，也可在一定高度柱內(nèi)設(shè)置型

16、鋼，這主要是為了獲得較多的使用面積以提高經(jīng)濟(jì)效益。采用型鋼混凝土柱或圓鋼管混凝土柱、內(nèi)外框鋼梁和內(nèi)設(shè)型鋼的鋼筋混凝土核心筒的這種混合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在普遍被用于超高層建筑結(jié)構(gòu)。因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)相對(duì)全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重要小，特別是還具較大的結(jié)構(gòu)剛度，在地震作用下結(jié)構(gòu)易于滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)具有良好的消防防火性能，其綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。當(dāng)然，也有一定數(shù)量的超高層建筑采用全鋼結(jié)構(gòu)，那是有其特殊原因，像中央電視臺(tái)那樣的怪異建筑它是無(wú)法用混合結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于北京抗震設(shè)防烈度度這樣一種嚴(yán)重特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，要保證結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性，就須結(jié)構(gòu)自重輕、材料強(qiáng)度高，特別是部分構(gòu)件始終處在受拉狀態(tài)，只有采用全鋼結(jié)構(gòu)方可。它的用鋼量

17、達(dá)，是房屋結(jié)構(gòu)中最高的。因此，從結(jié)構(gòu)上講它不是一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)。4）超高層建筑結(jié)構(gòu)類型的選用，施工的合理性應(yīng)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(wàn)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(zhǎng)。一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑出地面以上的樓層施工進(jìn)度約每月4層；混合結(jié)構(gòu)（型鋼混凝土框架鋼筋混凝土核心筒，內(nèi)外框梁為鋼梁）約每月層層；全鋼結(jié)構(gòu)約每月層。顯然，不同結(jié)構(gòu)類型，施工進(jìn)度各不相同。因此，設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同的房屋高度和業(yè)主對(duì)工程施工進(jìn)度的要求，綜合考慮以選擇合理的結(jié)構(gòu)類型。另外，由于超高層建筑施工周期長(zhǎng)，從文明施工和盡量減少對(duì)城市環(huán)境的不良影響，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盡量減少現(xiàn)場(chǎng)混凝土的澆搗量，使部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件能放在工廠加工制作，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)即可安裝就位。同時(shí)在樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)于保證工程施工質(zhì)量和加快施工進(jìn)度是極其有效的措施。所以，抗震設(shè)防烈度度以上地區(qū)、房屋高度在以上超高層