超高层建筑结构体系方案优选

182第40卷增刊建筑结构2010年6月超高层建筑结构体系方案优选陈孝堂（深圳市科之谷投资有限公司，深圳518035）[摘要]分析了结构材料、结构体系适用范围、经济性、施工方法、抗震性能目标、建筑美观、科研创新等方面对超高层结构体系选型的影响，指出超高层结构体系方案不能仅依靠上述1个或几个方面的因素进行选型，而应通盘考虑上述各方面的因素后进行综合优选。[关键词]混合结构；用钢量；施工方法；建筑美观；抗震性能水准；创新Optimizationprogramofultra-high-risebuildingstructuralsystemChenXiaotang(ShenzhenKezhiguInvestmentCo.,Ltd.,Shenzhen518035,China)Abstract:Fromthestructuralmaterial,structuralsystem,thescopeofapplication,economy,constructionmethods,seismicperformanceobjectives,researchandinnovationinhigh-risestructuralsystemanalysisoftheimpactofselection,pointedoutthatthesuperhigh-risestructuresystemprogramscannotjustrelyonasingleorafewaspectsoftheabove-mentionedfactorsthatselection，butshouldtakeintoconsiderationallaspectsoftheabove-mentionedfactorsandmakeacomprehensiveoptimization.Keywords:hybridstructure;steelcapacity;constructionmethod;architecturalaesthetics;seismicperformancelevel;innovation0前言梁思成先生表达建筑的内涵是文化艺术、科学技术和工业经济互相交集的综合产品。众所周知，近现代高层建筑的迅速发展是与经济与科学技术的发展密切相关，同时还反映出时代艺术的鲜明特色。当代高层建筑的发展出现了两个趋势：一是世界高层建筑数量在持续增加，世界最高建筑记录被迅速竞相突破；二是在亚洲，中国已成为世界上高层建筑发展的主要区域，目前世界上最高建筑的前10名大多集中在亚洲。例如高度达828m、160层的世界第一高楼——迪拜塔（现已更名为哈利法塔）更成了阿联酋经济和当代技术成就的见证，见图1。只要有值得建设的需要和足够的经济实力，当前的建筑结构技术已完全能建造1000m高的摩天大楼梦想成真。在超高层建筑设计中，结构体系不仅对超高层建筑结构的安全性与经济性影响巨大，而且对开拓建筑空间形式和使用功能的帮助最大，是超高层建筑结构设计及建造中最关键的核心技术体现，因此结构体系方案优选显得十分重要。1结构材料顾名思义，高层建筑的特征在于“高”。房屋高度是指室外地坪至房屋主要屋面的高度。高层建筑依房屋高度大致可以划分为以下几个种类：一般高层建筑：24～60m；中高层建筑：60～100m；超高层建筑：100～200m；200m以上的超高层建筑：200～300m；300m以上的超高层建筑：300～400m；特级超高层建筑：400～500m；超级超高层建筑：500m以上。尽管对于200m以上的超高层建筑划分目前没有定论，但本文所指的超高层建筑是指房屋高度超过100m的高层建筑。超高层建筑依所采用的结构材料可分为三种类型：钢结构、混凝土结构和钢-混凝土混合结构。钢结构的优点是强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快，但由于国产大型钢供应困难，加上造价较高、施工精度要求高、防火性能差、舒适度较差等问题，限制了钢结构的普遍使用。混凝土结构的优点是可塑性强、用钢量小、取材方便、施工简便、价格便宜、维护成本低，加上有抗震墙组合的各种高效结构抗力体系的应用，混凝土和钢筋强度等级不断提高，促使混凝土结构在超高层建筑建造中得到迅速应用。混凝土结构的缺点是自重大、183结构的延性较差、施工速度较慢、结构构件占用的面积与空间较大。钢-混凝土混合结构是指钢构件、钢与混凝土组合构件和钢筋混凝土构件相结合而成的结构类型，由于钢与混凝土组合构件形式较多，从而可形成多种多样的混合结构体系，这一结构类型能够有效发挥钢构件、钢与混凝土组合构件和钢筋混凝土构件的各自特长。混合结构与钢结构相比具有下列优点：结构的整体侧向刚度显著增大、用钢量减小、造价较低、防火性能较好。混合结构与混凝土结构相比具有下列优点：结构构件占用的面积与空间较小、施工速度快。混合结构的缺点是：钢构件、钢与混凝土组合构件和钢筋混凝土构件之间协同工作的性能有待深入研究，相应的规范控制指标还需进一步补充与完善。总部位于美国芝加哥的国际知名建筑研究机构“高层建筑和城市住宅委员会（CTBUH）”分别在1986、1995、2002年发布了世界上最高的100栋建筑的情况，这些超高层建筑的房屋高度都超过200m。根据此发布并按建造年代、结构材料及建筑数量等可得世界100栋最高建筑结构材料统计见表1。中国建筑师学会建筑结构分会高层建筑结构委员会也于1998年发布了中国（未包括中国港台地区）最高100栋建筑的情况，依此也可得中国100栋最高建筑结构材料统计表2。世界100栋最高建筑结构材料统计表1结构材料截至1990年截至2002年钢结构5137混凝土结构1923钢-混凝土混合结构2532不确定58中国100栋最高建筑结构材料统计表2结构材料截至1987年截至1998年钢结构53混凝土结构9179钢-混凝土混合结构418从由表1、2可知，结构材料的发展情况如下：20世纪90年代以前是世界超高层建筑采用钢结构建造的鼎盛时期；20世纪90年代至21世纪初，混凝土结构、钢-混凝土混合结构在超高层建筑中的应用得到迅速发展趋势，它们在超高层建筑中的总量已超过钢结构，混凝土结构、钢-混凝土混合结构已成为当代超高层建筑的主要结构材料，尤其是钢—混凝土混合结构有增速的发展趋势。另外，文[7]也指出90年代上海超高层建筑采用的结构材料已从采用钢结构、混凝土结构转向采用钢-混凝土混合结构的发展趋势，这种发展趋势是适合中国国情的。钢-混凝土混合结构另一大优点可以发挥钢管混凝土柱的强度高、刚度大与塑性变形大的优势。此外，图1迪拜塔（哈利法塔）照片还可以采用钢管混凝土叠合柱（简称叠合柱）与组合柱。叠合柱与组合柱是指截面中部的钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土叠合而成的柱，两者的区别在于前者是先浇筑中部的钢管混凝土后浇筑钢管外的钢筋混凝土的，而后者是同步浇筑钢管内外混凝土的。叠合柱与组合柱除了具备钢管混凝土柱的优点外，还具备更好的抗火、抗爆、抗冲撞性能以及方便施工等优点。钢管混凝土结构体系是指采用了钢管混凝土柱的结构。目前为止在广州和深圳两地的超高层建筑中应用钢管混凝土结构的工程较多，如广州中华广场（H=239m）、广州合银广场（H=213m）、深圳地王大厦（H=384m）和深圳赛格广场（H=292m）等都采用了钢管混凝土柱，其中地王大厦、赛格广场分别采用了矩形截面和圆形截面的钢管混凝土柱。2结构体系适用范围高层建筑结构有如下的主要受力特点：随着房屋高度的增加，除结构承受的竖向力与高度成正比外，结构承受的弯矩与高度的二次方呈指数曲线上升，结构的水平位移与高度的四次方呈指数曲线上升。对于高层建筑结构尤其是超高层建筑结构，水平风力与地震力将成为控制结构设计的主要因素。一般来讲，竖向荷载所需结构材料的数量与层数成线性关系增加；而抵抗水平荷载所需结构材料的数量与高度成指数关系增加，需要使用更多的结构材料来抵抗水平荷载。因此，一个好的结构体系方案其实质是一个比较高效的抗侧力结构体系方案，选择最高效的抗侧力结构体系方案成为了超高层建筑结构设计中首要的核心环节。结构体系选型应根据建筑高度、基本风压、抗震设防类别、抗震设防烈度、抗震性能目标、建筑平面形状与体型、地基条件、结构材料和施工方法等因素，经过技术经济和使用条件综合比较后确定。超高层建筑结构体系应符合下列三方面的基本要求：1）应具有明确的计算简图和合理的风荷载及地震作用传递途径；2）应具备必要的承载力、刚度、稳定性、良好的184变形和耗能能力、良好的屈服机制；3）对可能出现的薄弱部位，应采取有效加强措施,避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构体系丧失承受重力荷载、地震作用或风荷载的能力。到目前为止，论述高层建筑结构体系方面的国内外文献众多，其中有不少文献具有重要的参考价值。文[9]提供了乙类、丙类高层建筑钢筋混凝土结构A,B级高度常用结构体系的房屋适用高度和高宽比，文[10]提供了乙类、丙类高层建筑钢结构、有混凝土剪力墙的钢结构常用结构体系的房屋适用高度，这些规定都是我国历年大量工程设计实践与研究成果的成熟经验总结，常规高层建筑结构工程设计应遵守。通过对国内外更广泛的工程设计实践或研究新旧成果的总结，文[4]，[2]分别列举钢结构、混凝土结构各类结构体系的适用高度。在利用这些成果的基础上，将超高层建筑结构体系分为共同作用、部分整体作用、整体作用等三大类别，并结合其它的参考文献，提供钢结构、混凝土结构各种体系类型的建议适用高度分别见表3和表4。超高层结构体系的发展历程应为由初始低效能的共同作用体系迈步到中途中等效能的部分整体作用体系，再进步到最终高效能的整体作用体系。文[8]提供钢管混凝土结构各种体系类型的适用高度，见表5。表3～5可供超出现有国家规范[9,10]或高度的超高层建筑结构体系选型时参考。不过值得提醒的是，根据广州、深圳等地使用钢管混凝土结构的实践经验，当有可靠依据时，钢管混凝土结构房屋的最大适用高度可以突破表5的相关规定。3经济性与施工方法在评判一个结构体系的优劣时，人们会习惯采取每平米的用钢量作为结构技术经济指标进行直观判定。工程用钢量大小直接体现工程投资的节约程度，因此，把工程用钢量作为结构技术经济指标进行分析是一项必不可少的工作。影响结构技术经济指标的因素众多，单从建筑的几何方面考虑就有层高、结构跨度、高宽比、平面形状及其规则程度、竖向体型及其规则程度等因素，只要其中任何一项建筑造型或尺度变化都会影响着技术超高层钢结构体系适用高度表3体系大类体系类型适用范围框架-支撑30～45层共同作用结构体系带伸臂桁架框架-支撑30～60层框筒-内柱40～80层对角支撑筒体-内柱40～90层部分整体作用结构体系脊骨-框架40～90层巨形支撑外筒、无内柱50～150层成束筒50～110层空间桁架50～150层整体作用结构体系脊骨-桁架50～150层钢筋混凝土结构体系适用高度与高宽比表4体系大类体系类型适用高度高宽比框架-剪力墙30层以下120m以下≤6共同作用结构体系剪力墙30～40层120m≤6框架-核心筒30～50层200m≤6框架-核心筒-伸臂50～100层400m≤8框筒-内柱40～80层300m≤7部分整体作用结构体系填墙桁架外筒-内柱50～100层400m≤7脊骨-框架结构30～80层300m≤7筒中筒50～100层400m≤7成束筒50～110层450m≤8巨型框架30～150层500m≤10整体作用结构体系巨型柱-核心筒-伸臂50～150层600m≤10钢管混凝土结构房屋最大适用高度与高宽比表5体系大类体系类型适用高度/m高宽比框架-钢支撑（嵌式剪力墙）220（200）6（6）共同作用结构体系框架-钢筋混凝土剪力墙190(150)7（6）部分整体作用结构体系框架-钢筋混凝土核心筒190(150)7（6）框筒300(260)7（6）整体作用结构体系筒中筒300(260)7（6）注：括号外内的数值分别适用于7度、8度区。经济指标的高低。现举结构跨度的例子来说，在体育馆建筑结构力学上讲，结构用钢量与跨度呈指数关系，100m跨度，用钢量为