结构力学 第2版 思政素材 1-01 超高层建筑集锦

当代400m以上典型超高层建筑集锦我国《民用建筑设计通则》(GB50352)规定：建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。但随着经济的不断发展以及技术的不断进步，100m这个高度早已无法满足人们对超高层建筑高度的追求，无论是住宅还是公共建筑，现在城市里200m高度以上的建筑都已经屡见不鲜。世界各地兴建超高层建筑的意愿高涨，涌现了一批优秀的超高层建筑，图1为我们展示了截至2017年，世界范围内已建成建筑高度前十的排名，其中，我国有五栋。图1世界高度前十建筑接下来简要介绍一下这些建筑中的典范。1.哈利法塔——耸立在沙漠的第一高塔哈利法塔是目前世界上已建成的第一高楼，位于阿拉伯联合酋长国迪拜。建筑总高828米，共162层，为钢筋混凝土筒中筒结构。2004年开始动工，2010年宣告正式落成，总共耗费15亿美元。哈利法塔总共使用33万立方米混凝土（这些混凝土能灌满8个标准足球场）、6.2万吨钢材和14.2万平方米玻璃。哈利法塔为伊斯兰教建筑风格，楼面为“Y”字形，三个建筑部份逐渐连贯成一核心体，从沙漠上升，直往天际。哈利法塔建造地点——迪拜位于阿拉伯半岛中部，是热带沙漠气候，一年四季都伴随着大风狂沙与太阳的炙烤，哈利法塔也不例外。因此，哈利法塔在结构设计与施工过程中采取了许多措施，解决大风与太阳光照问题。图2哈利法塔首先是风，风荷载是建筑结构设计中不能忽视的一类荷载，尤其是超高层建筑，风荷载的影响往往是设计中首先要考虑的因素。哈利法塔从3个方面入手减小风荷载：根据主要风向选择建筑的朝向、将建筑的尖角改为圆角以及减小高楼层的宽度。太阳照射也尤为重要，若是不能解决隔热的问题，整栋建筑会变成一个大“蒸笼”，这个问题由玻璃镶板解决，玻璃上的银镀膜和钛镀膜能有效抵挡红外线和紫外线，减缓建筑内部在太阳照射下温度上升的速度。哈利法塔将4000年前的“世界第一高建筑”（胡夫金字塔）的头衔重新带回中东，现在哈利法塔无疑是阿拉伯联合酋长国的地标建筑。2.东京晴空塔——看似不可能的高塔东京晴空塔耸立在日本东京都，高度为634.0米，是为了取代不断被高楼包围而导致传输信号功能下降的东京塔成为新的电波塔而修建的。塔体为钢框架-混凝土芯柱结构，塔的基部为三角形，往上逐渐转变为圆形，在350米及450米处各设一座观景台。东京晴空塔凭借其高度，成为了世界第一高电视塔，也成为了地区的地标性建筑。图3东京晴空塔然而东京晴空塔不可思议的地方不在于它的高度，而是它的修建地点。众所周知，日本位于太平洋板块与亚欧板块的交界处，地震多发，为了减小地震对建筑的影响，日本建筑所使用材料多为轻型材料，甚至高度也普遍不高。在这种情况下，修建一座高达634米的高塔，听上去仿佛是一件不可能完成的任务。为了完成高塔的建造，东京晴空塔上应用了许多抗震技术[1]。图4东京晴空塔的地基系统例如：东京晴空塔地基系统，包括三簇基柱、连接基柱的约50m深的带钉墙柱以及其他插入的柱子（如图4）。除此之外，东京晴空塔中空的水泥中心柱立在6个巨大的橡胶轴承上，水泥中心柱与外围钢架构之间还有着一系列的液压减震器来防止水泥中心柱与钢架构的碰撞；在塔顶的天线上运用了调谐质块阻尼器，保证在地震中天线的摆动尽量小，从而不影响信号的发射。正是由于土木人的智慧，东京晴空塔才能不惧地震的威胁，一系列的抗震措施保证了东京晴空塔即使在千年一遇的地震中也能屹立不倒。国外超高层建筑卓越不凡，国内超高层建筑自然也不输风采，自从1976年国内第一座超高层建筑——115米的广州白云宾馆建成，一栋栋优秀的超高层建筑不断地在中国的土地上耸立。3.上海中心——高新技术的融合上海中心大厦，建筑主体118层，总高632米，为巨型框架-伸臂-核心筒混合结构体系，是中国目前最高的建成建筑。大厦有两个玻璃正面，一内一外，主体形状为内圆外三角。从顶部看，建筑外形好似一个吉他拨片，整体呈螺旋式上升，表面的开口由底部旋转贯穿至顶部，随着高度升高每层扭曲度数增大。上海中心是继上海金茂、上海环球金融中心后又一栋矗立在陆家嘴上的超高层建筑。作为上海城市规划的关键一环，上海中心运用了诸多的新技术去解决修建时的种种问题。（a）实景图（b）结构透视图图5上海中心首先面临的是地基问题，上海位于长江入海口的冲积平原上，土质松软、含水量多，并不适合用作地基，再加上上海中心周围还有上海金茂、上海环球金融中心，高楼之间难免相互影响。为了解决这个问题，上海中心在建造中对基桩进行注浆，浆液不但可以挤出沉渣还可以填充基桩周围的缝隙，大大提高桩基础的承载力。钢构件的组装也是一个亟待解决的问题。上海中心核心筒外部是巨大的钢结构，这些钢结构造型复杂，数量众多，一旦出现错误，后果不堪设想，而传统的预拼装耗费时间长、花费金额多。上海中心的设计人员运用BIM（建筑信息模型）技术[2]，在三维模型上对钢构件进行预拼装，大大减小了失误率。节能方面，上海中心开创性的运用了如雨水循环利用、在建筑窗口设置风力发电机等19项节能技术，使得上海中心成为“最高的绿色建筑”。上海中心这一高新技术融合的建筑正如同它脚下的这片中国经济中心一般饱含活力，也充满着无限可能。4.广州塔——建筑与结构的完美结合广州塔又称广州新电视塔，塔身主体高454米，天线桅杆高146米，总高度600米，为钢筋混凝土筒中筒结构，是目前中国高度排名第二的建筑。与其高度所带来的名声相比，广州塔的独特造型更让人难忘。广州塔的塔楼在中间扭转，形成一副纤细的“腰身”，因此广州塔也有一个“小蛮腰”的昵称。然而这一不凡的建筑设计却给结构设计方与施工方带来了无尽的麻烦，它颠覆了传统建筑的设计理念，无疑成为了结构的薄弱点，如何将建筑设计从图纸转化成现实成为最大难题。（a）实景图（b）结构透视图图6广州塔为实现“小蛮腰”，结构设计师比对了多种方案后选择了使用24根钢柱的方案，完美的扭转角度得以实现。钢柱之间由众多单独设计且不完全相同的节点相连。实现了“小蛮腰”，下一个问题是如何让这座纤细的高塔能够屹立在可能出现在广州的特有台风中。广州位于中国南部沿海，每年都会经历来自太平洋的台风的洗礼，这种大风暴对高层建筑来说是致命的，尤其对广州塔这种不对称、复杂的结构。广州塔经过严密的风洞试验[3]，试验结果是广州塔即使经历百年一遇的台风也没有问题。广州塔在抗震方面也颇下功夫。由于占空间也不够经济，广州塔没有使用传统的调谐质块阻尼器，而是采用了将两个重达600吨的水箱充当阻尼器的方案，兼具防火与抗震。以上种种举措使得广州塔从图纸到活生生地出现在世人面前。当世人为它独特的造型折服时，这栋建筑也成为了建筑设计与结构设计完美融合的典范。5.天津高银大厦——传统与现代的融合天津高银大厦位于天津市西青区，建筑高度597米，为巨型框架钢-混凝土混合结构体系。大厦设计运用了传统《易经》的智慧，建筑形体自下而上逐渐收缩，顶端呈钻石形，设计灵感采用古代天圆地方的理念，大楼整体方方正正，代表“方”；塔楼顶部为巨大的钻石造型，代表“圆”，钻石造型则象征着尊贵无比的至高荣誉。（a）效果图（b）结构透视图图7天津高银大厦天津高银大厦在设计上充分利用了中国传统智慧的精华，而在施工技术上，天津高银大厦则是现代技术的结晶。天津高银大厦的施工过程中，施工方使用了多种先进技术保证施工的质量与速度。天津高银大厦主体结构施工可分为核心筒施工与外部水平结构施工，核心筒的施工速度往往比外部水平结构快，这可能会对大楼的施工安全造成隐患。为解决这个问题，施工方运用有限元分析软件，计算了核心筒的稳定性[4]，确定了核心筒的最大悬臂梁长度，进而合理安排了施工进度。于此同时，通过合理选择添加剂，选用先进的泵送设备等措施，工程解决了超高层建筑施工中常见的混凝土泵送问题，创造了混凝土泵送621米高的吉尼斯世界纪录。此外，施工方还运用多种先进测量技术，对大厦四角的巨型柱进行了精确定位，保证了施工的准确性。天津高银大厦矗立在京津冀这一黄金地带，其传统与现代的结合正是这片土地悠久的历史与日新月异的发展的完美体现。结语超高层建筑会极大地缓解土地资源紧缺的问题，超高层建筑本身也往往能带来世界目光的瞩目，超高层建筑的设计、建造无疑是一个国家经济和工程实力的完美体现。经过多年的研究与实践，一座又一座的超高层建筑拔地而起，城市的天际线也因超高层建筑变得更加饱满、美丽。然而，我们需要正视的是，在超高层建筑领域仍有许多问题亟待解决，例如，如何解决超高层建筑防火的问题、如何解决材料耐久性的问题以及超高层建筑受周边环境影响大的问题等等[5]。这些问题的解决对于超高层建筑技术的进一步完善，实现人类对上层空间的更有效利用具有重要的意义。在超高层建筑领域，我们需要做的还有很多。参考文献[1]山脇克彦.制振技术实现的建筑形式——东京晴空塔和MODE学园螺旋塔[J].建筑技艺,2013(05):90-93.[2]