超高层结构设计和成本控制

超高层结构设计和成本控制广州容柏生建筑结构设计事务所魏捷2010年8月27日一、超高层的定义我国90年代初期超高层的定义是超过100米的建筑。90年代末期深圳出现了地王大厦324.8米、赛格广场278.8米的超高层，上海也建成了金茂大厦420米。进入21世纪的十年，高度被不断刷新，已建成最高的建筑是上海环球金融中心，高度为492米。90年代超高层代表超过400米高层一览从结构设计的角度，一般认为超过《高层建筑混凝土结构技术规程》高度限值规定的高层称之为“超高层”。

二、超高层结构的特点1、超高层的主要受力特点：影响结构布置和结构构件尺寸的主要因素是水平力的作用——地震作用和风作用。2、地震作用主要是由结构自重产生的惯性力。主要影响因素为：结构自重、结构刚度以及结构的阻尼比。在高烈度地震区（如北京、西安、昆明、海口等8度区）以及Ⅳ类场地的7度区（上海、天津部分地区），地震作用起主导。对结构的要求是在具备一定刚度的同时应尽量减小结构的自重。3、在沿海地区，深圳、厦门、三亚等地区，由于风荷载较大，对超高层其主要作用的是风荷载。主要是100年一遇对结构变形的影响以及10年一遇对结构舒适度的影响。对结构的要求是具有足够的结构刚度。三、超高层的结构体系超高层从抗侧力的角度主要有：1、框架；2、剪力墙（含筒体）；3、支撑三类构件。一般需要设置两道防线。常用的组合为：1+2、1+3、1+2+3三种。按材料划分主要有：a、钢筋砼结构；b、钢结构；c、钢—砼混合结构。上述1+2体系多采用a；1+3体系多采用b；1+2、1+2+3体系多采用c。1、钢筋砼框架—筒体结构（a，1+2）在较低的超高层（200米以下）中应用较为普遍。它具有：1）刚度大；2）结构自重较大（大于20KN/㎡)；3）阻尼比大（0.05）；4）造价相对低廉等特点。在8度以下地区采用优势较为明显。目前，即使超过300米的结构仍然有一定优势。例如：深圳的汉国大厦。高311.9米，75层。由于核心筒距离外框架柱跨度较小（9米），采用砼体系仍然较为经济。按施工图统计，结构造价约2700元/㎡。深圳汉国大厦提高结构的刚度是本工程的主要目标。设计时以控制风荷载位移为目标，同时验算结构在不同目标风速下的加速度。混凝土楼盖和钢结构组合楼盖的比较——材料用量材料类型构件

组合楼盖

混凝土楼盖

混凝土/组合方案

混凝土(m3)墙2915829158

柱80028002

梁-8598

楼板(包含核心筒梁)

1982019820

总计5697965577115.1%平均(m3/m2)0.500.58115.1%用钢量

(t)压型钢板(m2)81500-F15以下墙体内埋666666

柱69796979

伸臂桁架39073907

梁7303-

总计188551155361.3%平均(kg/m2)16710261.3%2、钢框架—支撑体系（b,1+3体系）。具有：1）刚度较大；2）结构自重轻（10~13KN/㎡）；3）阻尼比小（0.02）；4）造价相对较高等特点。在8度及以上地区采用优势较为明显。例如：天津津塔、北京银泰中心等。由于构件尺寸较小，节省较多建筑空间。北京银泰高250米，标准层仅为40米X40米；在使用空间相同的情况下，比一般的砼结构的45米X45米的平面节省面积26.5%。北京银泰用钢量168Kg/㎡；天津津塔用钢量191Kg/㎡。结构造价超过3000元/㎡北京银泰津塔银泰平面津塔平面3、钢—砼混合结构体系主要是指框架的梁、柱为钢梁、钢管砼柱或型钢砼柱；核心筒为钢筋砼筒体。应用范围较广。具有：1）刚度大；2）自重适中（17~18KN/㎡）；3）阻尼比0.035~0.04；4）造价介于砼和钢结构之间。目前，国内高度前几位的超高层建筑均采用此种体系。我所设计的安徽国际金融中心（57层，224米）采用此体系，钢结构用量76Kg/㎡、钢筋用量46Kg/㎡；砼用量为0.46m3/㎡。结构造价较便宜。安徽国际金融中心四、超高层结构设计考虑的主要因素1、选择恰当的抗侧力体系1）保证足够的抗侧刚度；2）保证两道抗震防线—筒体、框架；3）保证结构的舒适度。结构体系第一道防线核心筒第二道防线框架2、选择恰当的楼盖体系钢筋砼结构体系宜选择钢筋砼主次梁楼盖。跨度一般在10米以内较为经济。选择宽扁梁，钢筋用量一般增加20%左右。也有采用空心平板体系，跨度在9米以内可考虑。混合结构、钢结构一般选择钢梁—组合楼板体系。主要是发挥钢结构施工速度快的特点。对于跨度大于12米的情况，经济性明显。组合楼盖主要有楼承板、钢筋桁架板、钢筋砼预制现浇叠合板等形式。几种组合楼板型式3、选危择恰姨当的切构件罚组合许型式采用钢认筋砼柱刘时，一类般采用例钢筋砼义梁；采用集型钢柄砼柱暗时，划可采芬用钢园梁和皱钢筋伴砼梁造均可废。取临决于手楼盖蹄体系少。采用仁钢管层砼柱权（圆舍形、谁方形烂）时绳，应省尽量伐考虑传采用走钢梁鲁。采咐用砼捧梁时块应注执意节攻点的压处理越方式败：砼定环梁创节点旨影响抗建筑电立面昼。目怕前有瞧采用墨钢管茎开孔感的节麦点型斥式，蒸虽有把试验顷结论为，尚病未形愁成规帝范。节点味实例4、选摧择恰馅当的筐基础榆型式基础型闹式主要闪取决于浪地质条颗件。恰来当的基蚁础型式寒造价仅骂占主体撒造价的10%以内。选择合剂理的持陶力层；告如：强薄风化承念载力低饲、埋藏百浅；微宅风化承腥载力高桃、埋藏桂深。应贫进行经卸济分析控。选择岩最适骡合场图地施铲工、交质量谎易控锋制的位桩型蛛。综合考绢虑桩基爽和承台胖的成本流。主楼范姥围外的始地下室钥抗浮方吹案对成朗本影响节较大。五、开影响先结构脆成本呜的几篮个主浑要因伤素1、基坑读支护。超高层测结构由亡于埋深扰的要求夸，地下高室较深日。一般档至少三跌层，深缩慧度在15米以灶上。源目前火深基朋坑主篮要分披桩锚外体系拘和内邀支撑箱体系猛两大天类。津其中亏内支飘撑体影系中轻包含城“逆厦作法暗”。桩锚倒体系扬造价企较高鸟，安班全性社差。因施工穷方便耗。内支雷撑体料系相奏对便痒宜，疗安全析性好坛。支傍撑影贷响上典部结递构施犬工。服如可秆采用寄逆作么法，崖综合点效益蹄会比留较明悼显。内支郊撑体云系15米的讯深基锣坑造奋价在2.2免~2.捐6万元/延长米葵。根据50敢~6炮0层结构右项目测智算，按唯单栋10万平抓米计承算。蝴基坑街支护碍的造说价约恐为80情~1裁20元/㎡。2、桩基新选型除个酿别可淘以采桑用天请然地还基的偏情况晓外，罚绝大紫多数积超高连层结哀构采按用桩斑基。跳桩基肺分为品预制示桩和粮灌注领桩两炎大类判。1）超高纲层建筑范可以采摧用预应慈力管桩盼的情况历较少。颂主要采山用钢管放桩，如页上海金发茂采用Φ91脆4的钢管幻玉桩。承答载力一斜般，造辰价较高夕，施工塞速度快句。2）灌朵注桩谅。按组成孔饥形式凤分为殊人工分挖孔主和机洋械成国孔两缠类。挤按受吵力型谈式分执为摩旦擦桩黄和摩壁擦端射承桩抖。软土地择质条件烂都是摩稠擦桩。饥由于其碰承载力毯较低，削一般按商群桩和宜厚筏板供共同工策作的方终式设计窑。其特萌点是承比台较厚瞧。在受倍力上，脂布桩与则板厚的论关系比佩较密切窄，需要厨做不同蹈的方案仪进行经屋济比较絮。岩层妄埋藏哪较浅袍的地戴质条出件，缺应首心选大盾直径驻摩擦描端承楼桩。并尽量图做到窄一柱兵一桩铺，核糠心筒逢的桩妇布置洪在墙见下。业目的难是减坛小承锻台厚委度。根据经释验统计模，灌注告桩的造乌价在100元/㎡~延150元/㎡之间。妨而筏板任的厚度言不同的遗方案相吊差较大幕，因此恩基础选惩型的成芒本控制密关键点家是筏板拍，桩基是是相对应次要的董。3、主荷体结商构1）剪适力墙超高层元的剪力习墙一般揭抗震性舰能目标爷都是将胁底部加俩强区设劳定为中颠震弹性县。其抗笨剪承载封力是小俗震的2.8倍左系右。胳墙体蒸的配歌筋率可一般兰在0.鸭6%以上喘，暗畏柱一拐般需纯要设聋置型眼钢。姥底部纤加强察区的狡范围哄取结狂构总呢高度男的1/8取整后叔再加一可层的高叼度。设置刚绞性加强爸层的结歌构，其扬加强层卧以及上概下层也咸常常需百要设定肚为中震纯弹性。脑配筋同幸底部加哈强区。剪力变墙的阶造价削在主括体构暴件中像占35则%左右。底部加扩强区刚性加咐强层非底宪部加沫强区剪力墙行部位指芒示非底却部加姓强区酬，一并般按洁构造催配筋唇。分彻布筋递为0.3都%。2）框架恋柱型钢砼茶柱：在杜底部加穷强区按喂中震弹爱性设计糠。其余到部位应炸按规范4%的最耍小配疮钢率毕配置妇型钢安。钢管砼起柱：除惯底部加忘强区外劈燕，其余香部位应捉按计算死值控制谣。在钢赠管或竭型钢集的设吵计中忠，应森特别什注意蜻材质赏和钢零板厚捆度的羊需选说择。普通的Q34朱5B、C钢材润其强菌度按护厚度计分组榜，厚衡度超欧过35m坟m时，强含度仅为26霞5M窄Pa，因周此厚卧钢板哪应优租先选品择Q3牧45节GJ的高剩建钢下，其石强度拾不分趋组。此外郊，当灾钢板卧厚度权超过40卵mm小于60m冰m时，走必须悼提供Z1磨5的Z向性能狮要求；役大于60摄mm时需洲要Z25性能大。这华样的戚材料卖价格要一般宁比中钓厚板垂高15单%~哀20分%，且有咽一定的啦订货期扮。设计稼中应尽舌量避免你采用。当柱张断面圈较大哨时，羞应注涉意核真算每未层型免钢或捏钢管滑的重迫量。驼尽量金避免吐单件主重量士过大傲的情珍况，庸这往剥往是刃施工蓝选择欧塔吊流的决手定因任素。答超过36B的塔吊革费用将盏成几倍妙的增加闻。在较德长的工让期中，朋成本和信用电量遮都很明认显增大众。柱的学钢材买用钢撤量一哥般占40~浸45K喊g/㎡。3）楼层男梁选择钢粉梁体系奸的楼盖牲其成本栽主要分千为：钢瓜梁、楼爷承板、仰钢筋砼壁板三部浪分。成额本主要傲与跨度煮有关。望以12米跨为唯例，钢爽梁40K狠g/㎡、楼串承板100元/㎡、砼0.塌12靠m3/㎡、钢筋6K稠g/捉㎡。楼层帜造价约50至0元/㎡（含钢迟梁防火庙涂料）般。选择钢途筋砼体浆系成本等约为钢今结构的60积%~坝70抽%。（词当然揪建筑总效果屿没有身可比冬