论超高层建筑结构设计12

1、论超高层建筑结构设计肖自强，张建明（中国中元国际工程公司，北京）【摘要】对超高层建筑与一般高层建筑结构设计的差异、超高层建筑结构方案选择的主要考虑要素、超高层建筑中混合结构类型设计主要考虑问题及基础设计等问题进行探讨，依据已有的工程实践，进行了初浅的介绍，以供设计人员参考。【关键词】超高层建筑；结构类型；结构体系；核心筒；外框柱；抗侧刚：加强层【中图分类号【文献标志码】随着我国经济建设的快速发展，自改革开放后的上世纪年代中期开始建造超高层建筑以来，我国各大中城市如雨后春笋般的相继建成大量的超高层建筑。除香港以外，以上海市最多。目前国内已建成投入使用最高的是上海环球金融中心，房屋高度，层；而在建

2、的国内最高的是上海中心大厦，房屋高度达、层。目前世界上最高的摩天大楼是阿拉伯联合奠长国的迪拜塔，房屋高度为，有多层。我国上海中心大厦建成之后，将是世界高楼的前几位。据有关资料介绍，英国伦敦设想建造层的摩天塔楼，即所谓的伦敦通天塔，房屋高度，且不是最终高度，只是第一阶段建筑计划中的高度，未来它能继续长高。超高层建筑的建造，其所以如此之快，除了有的城市为了有一个高大的形象建筑之外，主要还是超高层建筑能在有效面积的土地上，得以发挥最大的使用效益。也尽管建造超高层需要的费用比一般高层建筑高出很多，但在我国的城市建设中，随着日益快速发展的需要，为土地使用率的提高，必然会使超高层建筑以更快的速度发展。现根

3、据我们近些年来在超高层建筑结构设计中的学习和工作实践，把所了解的粗浅认识和体会向同行们作如下介绍:一、超高层建筑与一般高层建筑结构设计的差异1.1、从房屋高度上比较超高层建筑的房屋高度在以上直至有几百米甚至上千米的设想，而一般高层建筑的房屋高度则是在以下。1.2、从建筑消防要求上比较超高层建筑由于疏散距离远（最高层到地面），从消防策略考虑，须设置避难层，以保证遇到火灾时，位于建筑上部的人员能在有限的时间内疏散的相对安全的位置，等待救援。一般高层建筑最多100m，目前的消防云梯的作业面能达到60m，加上高压灭火设备，完成能控制火警，可以不设置避难层。1.3、从机电设备的功率和性价比比较首先超高层

4、建筑都是高端用户，高端用户对机电设备的要求高，机电的功率和体积就大。其次如果采用从地面到屋面都使用一套设备，由于层数多，设备的功率将会非常大，并且沿竖井布置的管线也会非常大。再次即使不考虑管线消耗建筑使用面积，由于超大的功率，市场中也没有满足要求的设备供应商。针对超高层机电设计的要求，科学的设置机电设备层布置位置，使设备层中的设备性价比最高，设备层的设置也是平衡建筑使用率与机电性价比的综合判断。一般高层建筑首先层数不多，其次单层的面积在1000平方米以内，设备的要求一般，不需要设置设备层，使设备的服务范围减小。对于这些安放有设备的楼层，在设计过程中除考虑实际的荷载之外，更需考虑设备的振动对相邻

5、楼层使用的影响。1.4、从结构整体刚度的需要比较一般高层建筑的楼板只做受弯构件考虑，即使楼板平面内刚度在设计的过程中是假定无穷大，对各竖向构成能够传递内力，使各竖向构件有协调的位移，一般楼板除特殊情况下还是以受弯的作用为主。对于超高层建筑来说，楼板的受弯作用由主要作用退化为次要作用，楼板整体协调性在超高层建筑中的作用凸显出来。通过加强楼板，形成结构的加强层，利用楼层的加强层提高结构的整体刚度。（超高层设计过程中常把“避难层”、“设备层”、“加强层”这三层设置在同一位置，使这些特殊功能的层相对集中，减少对建设使用的影响）1.5、从结构选型的范围上比较超高层建筑的结构类型选择上相对要广，除钢筋混凝

6、土结构外，还有全钢结构和混合结构。而一般高层建筑结构除了特殊条件需要者外，多为钢筋混凝土结构。1.6、从建筑的平面形状上比较超高层建筑的平面形状多为方形或近似，对于矩形平面其长宽比也是在以内，尤其抗震设防的高烈度地区更应采用规则对称平面。否则，在地震作用时由于扭转效应大，易受到损坏。而一般高层建筑平面形状选择余地要大。1.7、从建筑的基础类型上比较超高层建筑的基础形式除等厚板筏基和箱基外，由于平面为框架核心筒或筒中筒，基本没有一般高层建筑中所采用的梁板筏基。同时，由于基底压力大要求地基承载力很高，除了基岩埋藏较浅可选择天然地基外，一般均采用桩基。另外，超高层建筑基本不采用复合地基，而一般高层建

7、筑则有采用。1.8、从建筑的舒适度上比较房屋高度超过的超高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足风荷作用下舒适度要求，结构顶点最大加速度的控制满足相关规定要求。而一般高层建筑设计在满足抗震要求的情况下，一般建筑很容易满足舒适度要求，基本上不用特别设计，所以一般建筑常常不需要考虑舒适度。1.9、从政府对建筑的行政审批上比较超高层建筑结构设计一般都需要进行抗震设防专项审查。高层建筑混凝土结构技术规程（以下简称高规）、建筑抗震设计规范（以下简称抗规）中的级高度房屋就规定需要进行抗震设防专项审查，还有超过高规中第章混合结构设计规定的房屋高度也需要进行抗震设防专项审查。即算是采用全钢结构，超过抗规）第章规

8、定的房屋高度时，同样需要进行抗设防专项审查。这是因为超过现有规范规定房屋高度，还没有这样的工程经验，只有经过国内专家的评估和论证，必要时还须进行振动模型试验，才能确保工程的安全。而一般高层建筑的房屋高度多在规范容许高度范围并已有大量的科研成果和实际工程经验，除非是特别不规则结构，否则是不需要进行抗震设防专项审查的。二、超高层建筑结构方案选择的主要考虑因2.1、建筑物的抗震设防烈度抗震设防烈度是超高层结构体系选用首要考虑因素之一现在的抗规和高规中已明确规定，结构体系的选用与抗震设防烈度相关。同时，从抗规和高规中规定的同一结构体系，对于房屋高度超过的高层建筑，不同的抗震设防烈度，房屋高度也是不相同

9、的。很显然，抗震设防烈度度最有利于建造超高层建筑，抗震设防度度次之。而抗震烈度度的高烈度区是不宜建造以上的超高层建筑的。因为地震作用太大，要满足三个水准的设防性能目标，其结构构件截面尺寸大，用材指标很高，并导致工程造价也相当高。如一座房屋高度为的框架核心筒结构，抗震设防烈度度区是高规中的级高度房屋且为正常设计；而在抗震设防烈度度区是高规中的级高度房且高度还超限，需经抗震设防专限审查批准后方可进入正式设计。另外，在结构类型上，前者可采用钢筋混凝土结构，而后者则需采用混合结构。像这样的工程实例，如中国中元国际工程公司设计的重庆金融街金融中心和北京财富中心房屋高度近同，结果如上所述。2.2、超高层建

10、筑方案应受到结构方案的制约建筑专业是民用建筑设计中的龙头专业，一个具有较强建筑方案能力和有经验的建筑师，每一建筑方案都应考虑到结构，具有结构方案的可实施性。而对于超高层建筑方案更应首先就要考虑结构方案的可行性，否则不是一个合理的建筑方案。所以，国外承担超高层建筑设计的事务所提出的每一个方案都要经过权威的结构顾问认可。对于我们国内设计单位来说，在建筑方案设计时应有结构专业的参与和配合。否则，有可能出现方案的大调整。海口某工程是一座拟建层、房屋高度为（实际顶部高度为）的综合楼，其平面为熨斗形（见图），平面的开口面向大海。方案设计的意向要让在这个楼内工作和生活的人员都能在楼内欣赏到美好的自然海景。由

11、于海口抗震设防度度且设计地震基本加速度值为0.30 g ，该方案能否可行要求结构专业提前参与配合建筑方案设计。该方案在平面上是非对称的，不是超高层建筑的理想平面。方案的主要问题是核心筒位于底部和底部角位设有转角墙，但顶部是完全开口的，存在抗扭刚度明显不足。经对方案结构的初步计算分析，地震作用下的平面开口位的扭转位移比远大于规范限值，因此，结构方案必须考虑提高该部位的抗扭刚度。为了不影响开口位对观赏海景和使用上的不便，经与建筑方案设计人共同研究，结构方案拟在该位设置支撑，以增大结构的抗扭刚度。同时为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撑（见图）。从而，使该建筑方案得以实现。现

12、已完成初步设计并经省建设厅组织抗震设防专项审查通过。总之，超高层建筑方案的实施应有结构专业在方案阶段的密切配合，保证结构方案实施的可行性。另外，也要在与建筑方案的研究结合中，结构方案力求做到有所创新。如广州珠江新城西塔房屋高度，结构体系为筒中简，但它不是通常的外框密柱筒。为了减少传统的外框密柱筒的剪力滞后，设计采用了外框筒由斜柱与横梁组成网格筒（见图）。从而，既减少外框筒角部的剪力滞后，同时获得了较大的抗侧刚度。因此，结构方案的创新是超高层建筑方案实现的新途径。2.3、超高层建筑结构体系中结构类型的选择超高层建筑结构体系中结构类型的选择，应据拟建场地的岩土工程地质条件和抗震性能目标的确定及经济

13、的合理性综合考虑。）拟建场地的岩土工程地质条件，是合理选择超高层建筑的结构类型时要考虑的因素之一。一个拟建在基岩埋藏极浅场地上的超高层建筑，具有采用天然地基的条件。一般这样的场地其建筑场地类别为类或类，同时抗震设防烈度又低，故所采用的结构体系在高规规定的房屋高度范围内，则可优先考虑采用钢筋混凝土结构，如我国的重庆和青岛地区。而对在第四纪土层上的抗震设防烈度度或度区拟建的超高层建筑，为降低地震作用，结构选型应考虑采用结构自重较轻的混合结构或钢结构。如在北京、上海等地区就不可能优先考虑选用钢筋混凝土结构。）抗震设计时，所确定的抗震性能目标是超高层建筑结构选型应考虑的因素之二。前面所述超高层建筑结构

14、设计都普遍存在结构超限，即超出我国现行抗规和高规的相关规定。一般抗震设计的性能目标要求竖向构件承载力达到中震不屈服或剪力墙底部加强区达到抗剪中震弹性，受弯及框架柱达到中震不屈服。显然，抗震设防烈度度区、特别是度区，钢筋混凝土结构就很难或不可能满足这一要求。所以，为减小结构自重在地震作用下产生的内力，应考虑选用混合结构或钢结构，这样即可以基本由型钢承担地震作用产生的剪力和拉力。否则，采用全钢筋混凝土的竖向构件则会因截面计算配筋量太大，导致钢筋无法放置。若增大构件截面则结构自重加大，地震作用产生的结构内力也增大，仍然会使得截面配筋率很大，这在实际工程是无法实施的。）采用合理的结构类型，应考虑经济上

15、的合理性。通常从工程造价上比较，钢筋混凝土结构最低，其次是混合结构，最高则是全钢结构。一般混合结构（指型钢混凝土柱、钢梁、钢筋混凝土核心筒）方案每平方米造价要高出钢筋混凝土结构约元，而全钢结构每平方米要高出约元以上。所以，超高层结构方案的采用应考虑有利于降低工程造价。另外，超高层建筑结构中的竖向承重构件由于截面积大而会使建筑有效的使用面积减小。采用型钢混凝土柱或圆钢管混凝土柱既可较大提高承载能力。而且延性好，尤其是柱截面比钢筋混凝土柱减小近。因此，增大了有效使用面积，这对于工程造价格较高的超高层建筑来说经济效益得到了提高。所以，即使采用钢筋混凝土结构方案，为减小柱截面，也可在一定高度柱内设置型

16、钢，这主要是为了获得较多的使用面积以提高经济效益。采用型钢混凝土柱或圆钢管混凝土柱、内外框钢梁和内设型钢的钢筋混凝土核心筒的这种混合结构，现在普遍被用于超高层建筑结构。因为此种结构相对全钢筋混凝土结构自重要小，特别是还具较大的结构刚度，在地震作用下结构易于满足设计要求，同时具有良好的消防防火性能，其综合经济指标较好。当然，也有一定数量的超高层建筑采用全钢结构，那是有其特殊原因，像中央电视台那样的怪异建筑它是无法用混合结构来实现的。对于北京抗震设防烈度度这样一种严重特别不规则结构，要保证结构自身的稳定性，就须结构自重轻、材料强度高，特别是部分构件始终处在受拉状态，只有采用全钢结构方可。它的用钢量

17、达，是房屋结构中最高的。因此，从结构上讲它不是一个合理的结构。4）超高层建筑结构类型的选用，施工的合理性应考虑的又一因素.超高层建筑的房屋高度多在以上，一般整栋楼面积多近10万平方米或以上。众所周知，房屋高度愈高，施工难度愈大，施工周期也愈长。一般钢筋混凝土结构高层建筑出地面以上的楼层施工进度约每月4层；混合结构（型钢混凝土框架钢筋混凝土核心筒，内外框梁为钢梁）约每月层层；全钢结构约每月层。显然，不同结构类型，施工进度各不相同。因此，设计应根据不同的房屋高度和业主对工程施工进度的要求，综合考虑以选择合理的结构类型。另外，由于超高层建筑施工周期长，从文明施工和尽量减少对城市环境的不良影响，设计应考虑尽量减少现场混凝土的浇捣量，使部分结构构件能放在工厂加工制作，运到现场即可安装就位。同时在楼盖结构设计中考虑尽量做到减少模板作业而采用带钢承板的组合楼盖，这对于保证工程施工质量和加快施工进度是极其有效的措施。所以，抗震设防烈度度以上地区、房屋高度在以上超高层