我國(guó)高層建筑體系發(fā)展綜述

■朱少瑞，馮佰研，王豐年，牛傳星 ■山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590

由于地區(qū)差異，對(duì)于高層建筑的劃分，不同的國(guó)家有各自的劃分方法。根據(jù)我國(guó)自然科技與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展特點(diǎn)，在《民用建筑設(shè)計(jì)通則》(JG37－87)中將住宅建筑層數(shù)劃分為:1～3層為低層;4～6層為多層;7～9層為中高層。我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3－2002規(guī)定:10層及10層以上或高度超過(guò)28m的建筑稱為高層建筑，習(xí)慣上將超過(guò)100m的建筑稱為超高層建筑［1］。

翻開歷史，可以看到高層建筑在我國(guó)的發(fā)展可以追溯到封建社會(huì)時(shí)期的一些高塔等建筑。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)改革的不斷深化，眾多的高層建筑不但出現(xiàn)在北京、上海、廣州這樣的大城市，而且出現(xiàn)在了一些二三線的中小城市，并且建筑高度不斷增長(zhǎng)，建筑設(shè)計(jì)日臻成熟，結(jié)構(gòu)體系豐富多樣，土木工程更加注重科技，使建筑材料和施工技術(shù)都得到了發(fā)展和提高。

1 高層建筑發(fā)展的發(fā)展基礎(chǔ)

1.1 社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r

高層建筑的發(fā)展依賴于社會(huì)文明的進(jìn)步，是時(shí)代發(fā)展的必然產(chǎn)物。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著我國(guó)改革開放政策的實(shí)施，社會(huì)發(fā)展日新月異，全球經(jīng)濟(jì)進(jìn)入一體化，越來(lái)越多的人們涌入城市，人民的生活品質(zhì)得到極大提高，促進(jìn)了高層建筑向著超高化、智能化的方向發(fā)展。社會(huì)安定、經(jīng)濟(jì)繁榮會(huì)促進(jìn)高層建筑的發(fā)展，同時(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)、經(jīng)濟(jì)危機(jī)也會(huì)致使高層建筑停滯不前。

1.2 高層建筑價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于高層建筑價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)的判斷，按照時(shí)間順序主要可以分為以下三個(gè)階段:50年代以前，我國(guó)高層建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要基于歷史與宗教;50年代以后，隨著新中國(guó)的建立，面對(duì)國(guó)家百?gòu)U待興的局面，高層建筑主要注重功效與技術(shù);進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)人民生活質(zhì)量的不斷提高，人居環(huán)境建設(shè)受到廣泛的關(guān)注，現(xiàn)在人居環(huán)境科學(xué)已逐步變成改造建筑、改造城市、改造社會(huì)的世界性的指導(dǎo)性理論，也將成為高層建筑新的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，為今后高層建筑發(fā)展指出方向［2］。

2 我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)類型與結(jié)構(gòu)體系

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)類型

目前，我國(guó)高層建筑廣泛使用的結(jié)構(gòu)類型主要有三種，即鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼－鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)［3］。不同的結(jié)構(gòu)類型都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，下面依次對(duì)三種結(jié)構(gòu)類型的特點(diǎn)進(jìn)行分析:

(1)鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展極大的帶動(dòng)了現(xiàn)代高層建筑的發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)是其主要特點(diǎn)，同時(shí)這也是鋼結(jié)構(gòu)能在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用的最主要原因。鋼結(jié)構(gòu)也存在著耐火性以及耐腐蝕性差的缺點(diǎn)，此外，鋼結(jié)構(gòu)在后期的維護(hù)費(fèi)用也是相當(dāng)?shù)拇蟆？偠灾?，鋼結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，但其耐火、耐腐蝕性差的缺點(diǎn)也造成了其應(yīng)用上的瓶頸，應(yīng)是我們今后需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

(2)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于有混凝土的加入，其耐火性、防水性都有了較大提高，而且鋼筋混凝土的材料來(lái)源豐富，造價(jià)比較低。然而，自重大、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)是我們需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，同時(shí)由于混凝土的調(diào)配、養(yǎng)護(hù)過(guò)程要求較為嚴(yán)格，使整個(gè)施工過(guò)程的質(zhì)量很難得到控制。

(3)鋼－鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)

隨著我國(guó)高層建筑的不斷發(fā)展，鋼－鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，由于這種組合可以將兩種材料的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，從而使建筑物的結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，這種材料也存在著許多的缺點(diǎn)，主要缺點(diǎn)便是鋼筋混凝土內(nèi)部的鋼材維護(hù)比較困難。

2.2 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

我國(guó)高層建筑應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系主要包括了框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框－剪結(jié)構(gòu)以及筒體結(jié)構(gòu)等幾種類型［3］。

(1)框架結(jié)構(gòu)體系

采用框架結(jié)構(gòu)體系的建筑，施工方便、結(jié)構(gòu)自重也比較輕，其墻體基本上是不承重的。但是，出于安全考慮，我國(guó)框架結(jié)構(gòu)體系的建筑物高度一般都控制在15－20層以內(nèi)。

(2)剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻體系憑借其良好的抗震性能，能較好的抵制剪切變形，在迅速發(fā)展的高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。在我國(guó)的城市中，當(dāng)高層建筑的層數(shù)在30－40層之間時(shí)，一般選擇剪力墻結(jié)構(gòu)作為主要的結(jié)構(gòu)體系。

(3)框架－剪力墻結(jié)構(gòu)組合體系

為了使我們的建筑物在具有良好的抗側(cè)移的基礎(chǔ)上還能滿足我們對(duì)空間靈活的要求，結(jié)合前面的介紹，我們很自然的想到可以將框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)組合起來(lái)，讓他們的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，于是便誕生了框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種組合的結(jié)構(gòu)體系經(jīng)驗(yàn)證是具有良好的可靠性，因而也得到了廣泛的應(yīng)用。

(4)筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)的概念最早是美國(guó)在20世紀(jì)60年代初的時(shí)候被出來(lái)的，并建造了很多標(biāo)志性的筒體結(jié)構(gòu)的高層建筑物。筒體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)［3］是可以使得建筑物的平面布置非常的靈活，而且它的抗震、抗風(fēng)能力很好。該結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展較為緩慢，在今后的高層建筑中應(yīng)大力推廣。

3 我國(guó)高層建筑的分析方法、設(shè)計(jì)研究與規(guī)范編制的發(fā)展

3.1 分析方法的演進(jìn)

(1)以手算為基礎(chǔ)的各種算法

從新中國(guó)成立至70年代后期，由于我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)體型較為簡(jiǎn)單，而且受到當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)使用條件的限制，因此這個(gè)時(shí)期的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法基本上是靠手算的。當(dāng)時(shí)的主要結(jié)構(gòu)形式是三大常規(guī)結(jié)構(gòu)，計(jì)算方法也因其形式而各異［4］。

(2)高層建筑結(jié)構(gòu)空間協(xié)同工作分析法

高層建筑結(jié)構(gòu)空間協(xié)同工作分析法最早于1974年提出，適應(yīng)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)內(nèi)存小、速度低的狀況，該法適用于一般框架、剪力墻和框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，極大地促進(jìn)了80年代我國(guó)高層建筑的高速發(fā)展。但該法也有著不可回避的缺點(diǎn)，由于并沒(méi)有考慮變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，因此僅適用于平面布置較為規(guī)則的框架、剪力墻和框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)為正交或接近正交布置。

(3)多種單元組合的有限元法

為了對(duì)高層建筑進(jìn)行更細(xì)致、更精確的結(jié)構(gòu)分析，可以將高層建筑結(jié)構(gòu)離散為彈性力學(xué)平面單元、墻元、板元和桿元的組合結(jié)構(gòu)，但方該法涉及更大量的未知量，對(duì)計(jì)算方法提出了新的挑戰(zhàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和處理器硬件也有更高的要求。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著科學(xué)技術(shù)特別是信息技術(shù)的跨越式發(fā)展，使得我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)有了很大的飛躍，甚至躋身世界前列，為我們提供了強(qiáng)有力的計(jì)算工具，并促使有限元方法的使用得到推廣并進(jìn)一步完善。

3.2 我國(guó)高層建筑的設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

隨著人們需求的多樣化，高層建筑的結(jié)構(gòu)和功能越來(lái)越復(fù)雜，給設(shè)計(jì)工作者帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)現(xiàn)代復(fù)雜高層建筑的特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)高層建筑的抗震、抗風(fēng)方面展開了大量的研究工作。除試驗(yàn)研究外，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析手段有了很大改善與提高。

近年來(lái)，彈塑性分析理論在我國(guó)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到了很好的發(fā)展，在對(duì)一些新建復(fù)雜高層建筑除進(jìn)行傳統(tǒng)的彈性計(jì)算分析外，還要進(jìn)行彈塑性的分析和計(jì)算，以期找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位并對(duì)其進(jìn)行加固措施。

4 展望

高層建筑是社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，還是國(guó)家或地區(qū)財(cái)富與權(quán)勢(shì)的象征。我國(guó)高層建筑正朝著多功能、智能方向發(fā)展，同時(shí)，新高度的突破，將進(jìn)一步使城市規(guī)劃由二維向三維過(guò)渡。由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，其在高層建筑的設(shè)計(jì)、施工乃至運(yùn)行方面都將顯得日益重要，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以在方案優(yōu)化和決策中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。同時(shí)應(yīng)當(dāng)使我們建成物與周圍生態(tài)環(huán)境融為一體，使我們的高層建筑在發(fā)揮既有功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

［1］陳穎輝，黃明.淺談高層建筑的發(fā)展.昆明大學(xué)學(xué)報(bào)(綜合版)［J］.2005，(1):48－51.

［2］李閻魁.高層建筑的發(fā)展研究與展望——兼論現(xiàn)代高層建筑在上海的發(fā)展.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)［J］.2000，7(增):48－51.

［3］方思.高層建筑結(jié)構(gòu)淺析.中華民居［J］.2014，4∶125.

［4］李淮.我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法的演變及其作用［J］.廣東土木與建筑，2010，09∶29－30.

［5］徐培福，王翠坤，肖從真.中國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展與展望［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，39(9):28－32.