超高层结构设计和成本控制

超高层构造设计和本钱控制广州容柏生建筑构造设计事务所魏捷2021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越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年代超高层代表超越400米高层一览从构造设计的角度，普通以为超越<高层建筑混凝土构造技术规程>高度限值规定的高层称之为“超高层〞。二、超高层构造的特点1、超高层的主要受力特点：影响构造布置和构造构件尺寸的主要要素是程度力的作用——地震作用和风作用。2、地震作用主要是由构造自重产生的惯性力。主要影响要素为：构造自重、构造刚度以及构造的阻尼比。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、天津部分地域〕，地震作用起主导。对构造的要求是在具备一定刚度的同时应尽量减小构造的自重。3、在沿海地域，深圳、厦门、三亚等地域，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年一遇对构造变形的影响以及10年一遇对构造温馨度的影响。对构造的要求是具有足够的构造刚度。三、超高层的构造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。普通需求设置两道防线。常用的组合为：1+2、1+3、1+2+3三种。按资料划分主要有：a、钢筋砼构造；b、钢构造；c、钢—砼混合构造。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—筒体构造〔a，1+2〕在较低的超高层〔200米以下〕中运用较为普遍。它具有：1〕刚度大；2〕构造自重较大〔大于20KN/㎡)；3〕阻尼比大〔0.05〕；4〕造价相对低廉等特点。在8度以下地域采用优势较为明显。目前，即使超越300米的构造依然有一定优势。例如：深圳的汉国大厦。高311.9米，75层。由于中心筒间隔外框架柱跨度较小〔9米〕，采用砼体系依然较为经济。按施工图统计，构造造价约2700元/㎡。深圳汉国大厦提高构造的刚度是本工程的主要目的。设计时以控制风荷载位移为目的，同时验算构造在不同目的风速下的加速度。混凝土楼盖和钢构造组合楼盖的比较——资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〕构造自重轻〔10~13KN/㎡〕；3〕阻尼比小〔0.02〕；4〕造价相对较高等特点。在8度及以上地域采用优势较为明显。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，规范层仅为40米X40米；在运用空间一样的情况下，比普通的砼构造的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/㎡。构造造价超越3000元/㎡北京银泰津塔银泰平面津塔平面3、钢—砼混合构造体系主要是指框架的梁、柱为钢梁、钢管砼柱或型钢砼柱；中心筒为钢筋砼筒体。运用范围较广。具有：1〕刚度大；2〕自重适中〔17~18KN/㎡〕；3〕阻尼比0.035~0.04；4〕造价介于砼和钢构造之间。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，钢构造用量76Kg/㎡、钢筋用量46Kg/㎡；砼用量为0.46m3/㎡。构造造价较廉价。安徽国际金融中心四、超高层构造设计思索的主要要素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〕保证构造的温馨度。构造体系第一道防线中心筒第二道防线框架2、选择恰当的楼盖体系钢筋砼构造体系宜选择钢筋砼主次梁楼盖。跨度普通在10米以内较为经济。选择宽扁梁，钢筋用量普通添加20%左右。也有采用空心平板体系，跨度在9米以内可思索。混合构造、钢构造普通选择钢梁—组合楼板体系。主要是发扬钢构造施工速度快的特点。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方式。几种组合楼板型式3、选择恰当的构件组合型式采用钢筋砼柱时，普通采用钢筋砼梁；采用型钢砼柱时，可采用钢梁和钢筋砼梁均可。取决于楼盖体系。采用钢管砼柱〔圆形、方形〕时，应尽量思索采用钢梁。采用砼梁时应留意节点的处置方式：砼环梁节点影响建筑立面。目前有采用钢管开孔的节点型式，虽有实验结论，尚未构成规范。节点实例4、选择恰当的根底型式根底型式主要取决于地质条件。恰当的根底型式造价仅占主体造价的10%以内。选择合理的持力层；如：强风化承载力低、埋藏浅；微风化承载力高、埋藏深。应进展经济分析。选择最适宜场地施工、质量易控制的桩型。综合思索桩基和承台的本钱。主楼范围外的地下室抗浮方案对本钱影响较大。五、影响构造本钱的几个主要要素1、基坑支护。超高层构造由于埋深的要求，地下室较深。普通至少三层，深度在15米以上。目前深基坑主要分桩锚体系和内支撑体系两大类。其中内支撑体系中包含“逆作法〞。桩锚体系造价较高，平安性差。施工方便。内支撑体系相对廉价，平安性好。支撑影响上部构造施工。如可采用逆作法，综合效益会比较明显。内支撑体系15米的深基坑造价在2.2~2.6万元/延伸米。根据50~60层构造工程测算，按单栋10万平米计算。基坑支护的造价约为80~120元/㎡。2、桩基选型除个别可以采用天然地基的情况外，绝大多数超高层构造采用桩基。桩基分为预制桩和灌注桩两大类。1〕超高层建筑可以采用预应力管桩的情况较少。主要采用钢管桩，如上海金茂采用Φ914的钢管桩。承载力普通，造价较高，施工速度快。2〕灌注桩。按成孔方式分为人工挖孔和机械成孔两类。按受力型式分为摩擦桩和摩擦端承桩。软土地质条件都是摩擦桩。由于其承载力较低，普通按群桩和厚筏板共同任务的方式设计。其特点是承台较厚。在受力上，布桩与板厚的关系比较亲密，需求做不同的方案进展经济比较。岩层埋藏较浅的地质条件，应首选大直径摩擦端承桩。尽量做到一柱一桩，中心筒的桩布置在墙下。目的是减小承台厚度。根据阅历统计，灌注桩的造价在100元/㎡~150元/㎡之间。而筏板的厚度不同的方案相差较大，因此根底选型的本钱控制关键点是筏板，桩基是相对次要的。3、主体构造1〕剪力墙超高层的剪力墙普通抗震性能目的都是将底部加强区设定为中震弹性。其抗剪承载力是小震的2.8倍左右。墙体的配筋率普通在0.6%以上，暗柱普通需求设置型钢。底部加强区的范围取构造总高度的1/8取整后再加一层的高度。设置刚性加强层的构造，其加强层以及上下层也经常需求设定为中震弹性。配筋同底部加强区。剪力墙的造价在主体构件中占35%左右。底部加强区刚性加强层非底部加强区剪力墙部位指示非底部加强区，普通按构造配筋。分布筋为0.3%。2〕框架柱型钢砼柱：在底部加强区按中震弹性设计。其他部位应按规范4%的最小配钢率配置型钢。钢管砼柱：除底部加强区外，其他部位应按计算值控制。在钢管或型钢的设计中，应特别留意材质和钢板厚度的需选择。普通的Q345B、C钢材其强度按厚度分组，厚度超越35mm时，强度仅为265MPa，因此厚钢板应优先选择Q345GJ的高建钢，其强度不分组。此外，当钢板厚度超越40mm小于60mm时，必需提供Z15的Z向性能要求；大于60mm时需求Z25性能。这样的资料价钱普通比中厚板高15%~20%，且有一定的订货期。设计中应尽量防止采用。当柱断面较大时，应留意核算每层型钢或钢管的分量。尽量防止单件分量过大的情况，这往往是施工选择塔吊的决议要素。超越36B的塔吊费用将成几倍的添加。在较长的工期中，本钱和用电量都很明显增大。柱的钢材用钢量普通占40~45Kg/㎡。3〕楼层梁选择钢梁体系的楼盖其本钱主要分为：钢梁、楼承板、钢筋砼板三部分。本钱主要与跨度有关。以12米跨为例，钢梁40Kg/㎡、楼承板100元/㎡、砼0.12m3/㎡、钢筋6Kg/㎡。楼层造价约500元/㎡〔含钢梁防火涂料〕。选择钢筋砼体系本钱约为钢构造的60%~70%。〔当然建筑效果没有可比性〕构造本钱构成分析〔以230米高度