結(jié)合高層建筑實(shí)例簡(jiǎn)述我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

孫 宇 張澤華 蘇凱凱

(山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東科技大學(xué)， 山東 青島 266590)

結(jié)合高層建筑實(shí)例簡(jiǎn)述我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

孫 宇 張澤華 蘇凱凱

(山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東科技大學(xué)， 山東 青島 266590)

結(jié)合高層建筑的設(shè)計(jì)及建造實(shí)例，概括闡述我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀。我國(guó)高層建筑發(fā)展的特點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)體型日趨復(fù)雜，新型結(jié)構(gòu)體系層出不窮，超高層建筑中鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)趨于主導(dǎo)。同時(shí)由于我國(guó)高層建筑大都興建于東部沿海的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，使得設(shè)計(jì)時(shí)大多要考慮抗震抗風(fēng)、超高扭轉(zhuǎn)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)難度大。

高層建筑；發(fā)展特點(diǎn)；設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1 引言

隨著我國(guó)改革開(kāi)放，經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了重大成果，從80年代開(kāi)始，我國(guó)高層建筑進(jìn)入了迅速發(fā)展的黃金期，近20年來(lái)，我國(guó)逐漸成為世界高層建筑的發(fā)展中心，大量高層建筑如雨后春筍般大量涌現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出越來(lái)越復(fù)雜的發(fā)展趨勢(shì)，建筑高度與日俱增，高層建筑在各大中型城市都較為常見(jiàn)。下面結(jié)合眾多高層建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述我國(guó)高層建筑發(fā)展特點(diǎn)和現(xiàn)狀。

2 我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展特點(diǎn)

2.1 建筑高度不斷增加

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，80年代開(kāi)始到上世紀(jì)末，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，興建了100多棟高度超過(guò)150m的高層建筑，截止到2006年底，中國(guó)大陸150m以上的高層建筑已超過(guò)150棟，而截止到2009年底，中國(guó)大陸150m以上的高層建筑已經(jīng)超過(guò)了250棟之多，就在剛剛過(guò)去的2016年，又有大批的高層建筑建造計(jì)劃紛紛上馬。由此可見(jiàn)，我國(guó)高層建筑發(fā)展之快，興建之多，令世人矚目。

除了數(shù)量增多外，超高層建筑的高度近年來(lái)也在不斷被刷新， 600m的廣州塔已經(jīng)投入使用；621m的天津高銀117大廈已經(jīng)落成；已落成建筑中第二高的上海中心大廈高度達(dá)到了632m；還有在建的729m的蘇州中南中心，636m的武漢綠地中心仍舊在不斷挑戰(zhàn)著新高度。

超高層建筑高度的不斷刷新，其意義不僅僅在于高度帶給人們的震撼觀(guān)感，而是帶動(dòng)了整個(gè)建筑行業(yè)中所涉及到的材料技術(shù)、設(shè)備制造技術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 結(jié)構(gòu)體型日趨復(fù)雜

為迎合大眾的審美，業(yè)主的要求，建筑師實(shí)現(xiàn)建筑功能及造型方面的創(chuàng)新，越來(lái)越多的復(fù)雜體型和內(nèi)部空間復(fù)雜多變的高層建筑被設(shè)計(jì)建造出來(lái)，比如中央電視臺(tái)總部大樓的“大褲衩”形狀；蘇州東方之門(mén)的“大秋褲”造型；湖州喜來(lái)登溫泉度假酒店的“O型”建筑等。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑除了要滿(mǎn)足建筑的使用功能，還越來(lái)越重視建筑的個(gè)性化體現(xiàn)。而我國(guó)絕大部分地區(qū)為抗震設(shè)防地區(qū)，而高層建筑集中的在東南沿海地區(qū)又是臺(tái)風(fēng)頻仍的地區(qū)。如廣東、福建等地高層建筑的建設(shè)，廣州市區(qū)就是臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，而建筑結(jié)構(gòu)體型的日趨復(fù)雜使設(shè)計(jì)時(shí)本就困難重重的抗震、抗風(fēng)問(wèn)題面臨著更大的挑戰(zhàn)。

2.3 超高層建筑中鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)為主

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止到2018年底，我國(guó)高度250m以上超高層建筑結(jié)構(gòu)中，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)占98.4%，如上海環(huán)球金融中心及金茂大廈內(nèi)部均為鋼筋混凝土核心筒，外框?yàn)樾弯摶炷林颁撝?-2】；剛剛落成的天津117大廈，外框采用鋼管混凝土柱，核心筒在底部區(qū)域采用鋼板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。

鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和混凝土成本低廉的特點(diǎn)，促成了在我國(guó)鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)的較大發(fā)展。另一方面，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)形式多變，適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，因此預(yù)計(jì)在將來(lái)的高層建筑設(shè)計(jì)中鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)將得到較大發(fā)展。

2.4 新型結(jié)構(gòu)體系涌現(xiàn)

隨著高層建筑的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新型結(jié)構(gòu)體系。如北京國(guó)貿(mào)三期主塔樓采用了鋼—混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)；天津津塔主要抗側(cè)力體系由鋼管混凝土柱框架+核心鋼板剪力墻體系+外伸鋼臂抗側(cè)力體系組成；廣州西塔采用了外部交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系【3】。除此之外，由巨型柱形成的巨型框架等結(jié)構(gòu)形式也在高層建筑中較多使用。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

高層建筑結(jié)構(gòu)由于在高度上有獨(dú)特特性，這種特性帶來(lái)了建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性上的很多限制，尤其是高寬比的控制和日益突出的外立面體型復(fù)雜多變等問(wèn)題。

例如廣州白云新城“綠地中心”，主塔樓高寬比較大，如果考慮主要提供抗側(cè)剛度的核心筒尺寸的話(huà)，則塔樓高寬比更大，而核心筒為矩形，Y方向側(cè)向剛度偏弱，會(huì)導(dǎo)致在地震作用下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。參照此項(xiàng)案例，國(guó)內(nèi)很多高層建筑都存在此項(xiàng)問(wèn)題，針對(duì)這種情況一般采取加強(qiáng)框架梁與核心筒連接的方式增強(qiáng)其側(cè)向剛度，并在核心筒設(shè)置型鋼暗柱、暗梁，在核心筒范圍內(nèi)形成隱形型鋼框架，這樣可以通過(guò)提高結(jié)構(gòu)延性的方式提高相應(yīng)的承載能力，保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的可靠性。

外立面體型復(fù)雜多變，為幕墻的設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多不便，且在現(xiàn)有規(guī)范中往往難以為幕墻設(shè)計(jì)進(jìn)行取值計(jì)算。為解決此項(xiàng)問(wèn)題，可酌情進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)獲得風(fēng)壓峰值和風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，進(jìn)而由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)分析得出風(fēng)振作用對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響情況。

3.2 高層建筑扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三個(gè)核心問(wèn)題分別是：剛度的中心、整體結(jié)構(gòu)的重心和幾何形心。高層建筑的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題就是沒(méi)有將三者進(jìn)行高度的重合，在水平壓力作用下，建筑物出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重建筑平面布局的合理性，盡量保持高層建筑剛度中心、整體結(jié)構(gòu)中心和幾何形心的重合。

3.3 高層建筑超高情況

由于超高層建筑的設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程本來(lái)就是一個(gè)不斷挑戰(zhàn)，不斷刷新新紀(jì)錄的過(guò)程，因而很多工程實(shí)踐中，存在超高情況。針對(duì)這一情況設(shè)計(jì)人員多以風(fēng)洞試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)來(lái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，要經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的多次分析處理，反復(fù)討論修改設(shè)計(jì)方案和施工方案，才能最終使工程抗震設(shè)計(jì)和抗風(fēng)設(shè)計(jì)達(dá)到理想的效果。

針對(duì)超高問(wèn)題，在新的規(guī)范中，把原來(lái)限制的高度規(guī)定為A級(jí)高度，并為適應(yīng)新的客觀(guān)情況，增加了B級(jí)高度。規(guī)定的進(jìn)一步細(xì)化，使得高層建筑結(jié)構(gòu)處理設(shè)計(jì)方法和措施上都有了不小的改進(jìn)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型的改變對(duì)高層超高問(wèn)題應(yīng)予以足夠的重視，如果相關(guān)技術(shù)人員忽略此類(lèi)問(wèn)題，在施工審圖時(shí)將不予通過(guò)，并且應(yīng)該重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或者進(jìn)行專(zhuān)家會(huì)議的論證等。在這種情況下，整個(gè)建筑工程的造價(jià)和工期都將受到極大影響。

3.4 高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

高層建筑設(shè)計(jì)中最重要的就是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。高層建筑層數(shù)多，自重大，荷載集中，對(duì)基礎(chǔ)的要求高，因此基礎(chǔ)類(lèi)型的選擇和埋置深度必須符合設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)要保證其埋深深度必須滿(mǎn)足基底穩(wěn)定和變形的具體要求，以避免日后建筑物出現(xiàn)傾斜的狀況。高層建筑基礎(chǔ)通常采用樁形、筏形或復(fù)合基礎(chǔ)，其選型設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)工程地質(zhì)條件、施工條件、上部結(jié)構(gòu)情況、抗震設(shè)防和周?chē)h(huán)境條件等因素綜合考慮[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的高層和超高層建筑越來(lái)越向著超高超大，結(jié)構(gòu)多樣化，造型奇特的方向發(fā)展，就其規(guī)模和復(fù)雜程度不但在國(guó)際上罕見(jiàn)，而且很多建筑也突破了我國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。如何保證我國(guó)的高層以及超高層建筑符合抗震，抗風(fēng)，防意外事件（爆炸，火災(zāi)，撞擊）的要求，是亟待解決的大事。

我們應(yīng)該在高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論和方法方面開(kāi)展進(jìn)一步研究，目前我國(guó)關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)的倒塌過(guò)程的理論和試驗(yàn)研究才剛剛起步，仍沒(méi)有進(jìn)一步出臺(tái)相關(guān)的設(shè)計(jì)文件和標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)對(duì)高層結(jié)構(gòu)隔震減振控制技術(shù)的研究，這是抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)的一條重要途徑。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)高層混合結(jié)構(gòu)的研究也同樣重要，面對(duì)這個(gè)大部分高層建筑都在使用的結(jié)構(gòu)形式，我們對(duì)它的了解還是有限的。

[1]汪大綏，周建龍，袁興方.上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]建筑結(jié)構(gòu)，2007，37（5）：8-12

[2]李國(guó)強(qiáng)，陳素文，李杰，等.上海金茂大廈結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000,33（2）：35-39.

[3]徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤，等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[4]徐春卯.超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題思考[J].四川，建筑科學(xué)，2015,13（2）

[5]中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑結(jié)構(gòu)分會(huì)高層建筑結(jié)構(gòu)委員會(huì).我國(guó)大陸 2004年底已建成150m以上高層建筑統(tǒng)計(jì)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008.

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