談芯筒—框架體系在高層建筑設計中的應用

吳 迪 賈國亭

(1.內蒙古工業大學建筑學院，內蒙古呼和浩特 010051; 2.內蒙古第三建筑有限公司房建公司，內蒙古呼和浩特 010051)

隨著工農業的迅速發展和城市化進程的不斷加快，從20世紀50年代起，人類結束了局限于土、木、磚石等原始材料的簡單砌筑方式，高層建筑在我國的大多數城市如雨后春筍般迅速發展起來。隨著建筑層數的增多，擺在建筑師面前的首要問題是如何在堅固、適用的前提下在單位面積的土地上設計出更多的建筑面積，同時，在設計中，如何降低單位面積造價成為高樓設計中迫切需要解決的問題。多年來，經過建筑師們的設計實踐，將豎向交通、衛生間、管道系統以及其他服務性用房集中布置在樓層平面核心部位，將辦公用房布置在外圈的核心式平面布局在建筑設計中被廣泛采用。經國內外多年的實踐經驗證明，核心平面布置方式可以在多方面取得良好的效果:可以增大使用面積，減少外墻的長度從而達到節能的效果，同時可以大大縮短最遠房間到達核心的距離。

在建筑設計中，結構與造型應該追求完美結合。沿著建筑物交通、衛生間、管道系統等服務性空間形成的垂直豎井周圍，集中設置由鋼筋混凝土墻體組成抗剪力結構構件即芯筒。芯筒在平面當中通常作為交通的核心，因此大多數情況被布置在建筑物的中心，形成剪力核心，作為高樓結構的主要抗側力構件承擔絕大部分的水平荷載;而建筑當中的重力荷載則由布置在外圈的框架結構來承擔，芯筒和框架共同組成了芯筒—框架體系，水平荷載和垂直荷載由芯筒和框架分別承擔，結構體系明確。和一般在建筑設計當中常用的框架結構相比，芯筒—框架體系作為高層建筑的結構體系，由于充分利用了芯筒結構和框架結構的結構優點，可以建造高達55層以內的高層建筑，而框架結構最多限于15層以內(一般10層)，框架—剪力墻結構也僅限于25層以內。更高層數的建筑就須采用筒中筒、桁架筒等結構體系了，而它們的平面布置效果卻也與芯筒—框架體系相仿。

芯筒—框架體系適用于平面形狀比較簡單，且采用核心式平面布置的高樓。芯筒在設計中其高寬比一般在4以上，若在非地震區不宜大于10，在地震區不宜大于8，以充分發揮其抗彎性能。芯筒的位置應盡量位于結構平面中心，以減弱扭轉振動。另外，芯筒—框架體系一個重要的特點是80%以上的水平地震作用由筒體承擔，框架柱承擔的水平地震作用之和不到總水平地震作用的20%，且筒體的抗推剛度遠大于框架，整體結構在發生地震時的層間位移遠小于框架體系。

芯筒—框架體系按照柱梁布置分類，分為芯筒—稀柱框架、芯筒—密柱框架和芯筒—雙柱框架。稀柱框架的柱間距一般大于7 m，這樣可以在較大的樓層面積中取消柱子，增加了房間使用的靈活性。密柱框架的柱間距則在4 m左右，密排柱與每層樓板處較高的窗裙梁拉接組成一體結構，這樣可以建造較高層的建筑物(可以高達55層)。芯筒—框架體系應用在各種形狀的建筑平面中，常見的有矩形、六邊形、三角形、圓形等。其典型的平面布置方式是將角柱的面積增大或變形為L形。有時為了進一步提高結構的抗推剛度和抗扭剛度，除芯筒外，另在樓層平面角部，沿外圈框架每邊增加一片抗震墻。有的則采用帶翼墻的鋼筋混凝土芯筒—框架體系，可以進一步提高主體結構的抗推剛度和水平承載力。

采用芯筒—框架體系的建筑實例有很多，具代表性的有上海聯誼大廈(見圖1)、南京金陵飯店(見圖2)、青島保險公司營業辦公樓等。

建成于1984年的上海聯誼大廈是高層辦公大樓，樓高107 m，地上28層，地下2層，總建筑面積2.8萬m2。1985年5月交付使用，是上海市對外開放后的第一幢現代化寫字樓。芯筒的墻體厚度為250 mm～400 mm;一般矩形柱的斷面尺寸為1.2 m×1.2 m，角柱設計為外側邊長2.0 m、厚1.0 m的L形截面。各層樓蓋均采用現澆鋼筋混凝土梁式板，板厚100 mm;一般梁的截面尺寸為400 mm×500 mm，最大梁的截面尺寸為300 mm×1 500 mm。

建成于1982年的南京金陵飯店是一幢高層旅館建筑，樓高108 m，地上36層，地下3層，總建筑面積 3.8萬 m2。1983年10月開業，是中國十佳飯店及南京第一家五星級酒店。典型樓層采用31.5 m×31.5 m方形平面，內圈芯筒亦采用12.8 m ×12.8 m方形平面;芯筒周邊的墻體厚度為250 mm～500 mm;內圈矩形柱的斷面尺寸為650×650～750×750，外圈框架柱截面尺寸為550 mm×600 mm，是典型的芯筒—框架體系。

興建于1988年的青島保險公司營業辦公樓，標準層的平面形狀為等邊三角形切角后所得的六邊形。樓高66 m，地上19層，地下2層，總建筑面積0.99萬m2。芯筒周邊墻體的厚度，頂層為200 mm，底層為350 mm;一般矩形柱的斷面尺寸為700 mm×700 mm，最大矩形柱的斷面尺寸為800 mm×800 mm;各層樓蓋均采用現澆鋼筋混凝土梁式板，板厚120 mm～130 mm;一般梁的截面尺寸為350 mm×550 mm，最大梁的截面尺寸為400 mm×1 200 mm。

高層建筑是社會發展到一定程度出現用地緊張的產物，是現代社會工業化、商業化和城市化的必然結果。科學技術的進步為高層建筑發展提供了堅實的物質基礎，對于建筑結構和材料認識的不斷加深必然會催生新的建筑結構形式。高層建筑結構的選擇在努力貫徹落實科學發展觀的進程中將會為我們作出最好的詮釋。

[1] 劉大海，楊翠如.高層建筑結構方案優選[M].北京:中國建筑工業出版社，1996.

[2] 劉建榮.建筑構造(下冊)[M].北京:中國建筑工業出版社，2006.