我國高層建筑體系發展綜述

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

由于地區差異，對于高層建筑的劃分，不同的國家有各自的劃分方法。根據我國自然科技與社會經濟的發展特點，在《民用建筑設計通則》(JG37－87)中將住宅建筑層數劃分為:1～3層為低層;4～6層為多層;7～9層為中高層。我國《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3－2002規定:10層及10層以上或高度超過28m的建筑稱為高層建筑，習慣上將超過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的發展可以追溯到封建社會時期的一些高塔等建筑。進入20世紀80年代以后，隨著我國社會主義市場經濟改革的不斷深化，眾多的高層建筑不但出現在北京、上海、廣州這樣的大城市，而且出現在了一些二三線的中小城市，并且建筑高度不斷增長，建筑設計日臻成熟，結構體系豐富多樣，土木工程更加注重科技，使建筑材料和施工技術都得到了發展和提高。

1 高層建筑發展的發展基礎

1.1 社會發展狀況

高層建筑的發展依賴于社會文明的進步，是時代發展的必然產物。進入20世紀80年代，隨著我國改革開放政策的實施，社會發展日新月異，全球經濟進入一體化，越來越多的人們涌入城市，人民的生活品質得到極大提高，促進了高層建筑向著超高化、智能化的方向發展。社會安定、經濟繁榮會促進高層建筑的發展，同時戰爭爆發、經濟危機也會致使高層建筑停滯不前。

1.2 高層建筑價值標準

對于高層建筑價值標準的判斷，按照時間順序主要可以分為以下三個階段:50年代以前，我國高層建筑設計標準主要基于歷史與宗教;50年代以后，隨著新中國的建立，面對國家百廢待興的局面，高層建筑主要注重功效與技術;進入21世紀，隨著我國人民生活質量的不斷提高，人居環境建設受到廣泛的關注，現在人居環境科學已逐步變成改造建筑、改造城市、改造社會的世界性的指導性理論，也將成為高層建筑新的價值標準，為今后高層建筑發展指出方向［2］。

2 我國高層建筑結構類型與結構體系

2.1 高層建筑結構類型

目前，我國高層建筑廣泛使用的結構類型主要有三種，即鋼結構、鋼筋混凝土結構和鋼－鋼筋混凝土混合結構［3］。不同的結構類型都有其各自的優缺點，下面依次對三種結構類型的特點進行分析:

(1)鋼結構

鋼結構的發展極大的帶動了現代高層建筑的發展，輕質高強是其主要特點，同時這也是鋼結構能在高層建筑中得到廣泛應用的最主要原因。鋼結構也存在著耐火性以及耐腐蝕性差的缺點，此外，鋼結構在后期的維護費用也是相當的大。總而言之，鋼結構以其輕質高強的特點得到了廣泛的應用，但其耐火、耐腐蝕性差的缺點也造成了其應用上的瓶頸，應是我們今后需要重點解決的問題。

(2)鋼筋混凝土結構

與鋼結構相比，鋼筋混凝土結構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源豐富，造價比較低。然而，自重大、抗拉強度低等缺點是我們需要重點解決的問題，同時由于混凝土的調配、養護過程要求較為嚴格，使整個施工過程的質量很難得到控制。

(3)鋼－鋼筋混凝土組合結構

隨著我國高層建筑的不斷發展，鋼－鋼筋混凝土組合結構體系已經得到了越來越廣泛的應用，由于這種組合可以將兩種材料的優勢相結合，從而使建筑物的結構性能達到最優。同時，這種材料也存在著許多的缺點，主要缺點便是鋼筋混凝土內部的鋼材維護比較困難。

2.2 高層建筑的結構體系

我國高層建筑應用的結構體系主要包括了框架結構、剪力墻結構、框－剪結構以及筒體結構等幾種類型［3］。

(1)框架結構體系

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

(2)剪力墻結構體系

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，在迅速發展的高層建筑中得到了廣泛應用。在我國的城市中，當高層建筑的層數在30－40層之間時，一般選擇剪力墻結構作為主要的結構體系。

(3)框架－剪力墻結構組合體系

為了使我們的建筑物在具有良好的抗側移的基礎上還能滿足我們對空間靈活的要求，結合前面的介紹，我們很自然的想到可以將框架結構和剪力墻結構組合起來，讓他們的優點結合，于是便誕生了框架－剪力墻結構體系，這種組合的結構體系經驗證是具有良好的可靠性，因而也得到了廣泛的應用。

(4)筒體結構

筒體結構的概念最早是美國在20世紀60年代初的時候被出來的，并建造了很多標志性的筒體結構的高層建筑物。筒體結構的優點［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、抗風能力很好。該結構在我國的發展較為緩慢，在今后的高層建筑中應大力推廣。

3 我國高層建筑的分析方法、設計研究與規范編制的發展

3.1 分析方法的演進

(1)以手算為基礎的各種算法

從新中國成立至70年代后期，由于我國高層建筑結構體型較為簡單，而且受到當時計算機使用條件的限制，因此這個時期的高層建筑結構分析方法基本上是靠手算的。當時的主要結構形式是三大常規結構，計算方法也因其形式而各異［4］。

(2)高層建筑結構空間協同工作分析法

高層建筑結構空間協同工作分析法最早于1974年提出，適應當時國內計算機內存小、速度低的狀況，該法適用于一般框架、剪力墻和框架－剪力墻結構，極大地促進了80年代我國高層建筑的高速發展。但該法也有著不可回避的缺點，由于并沒有考慮變形協調問題，因此僅適用于平面布置較為規則的框架、剪力墻和框架－剪力墻結構，其抗側力結構為正交或接近正交布置。

(3)多種單元組合的有限元法

為了對高層建筑進行更細致、更精確的結構分析，可以將高層建筑結構離散為彈性力學平面單元、墻元、板元和桿元的組合結構，但方該法涉及更大量的未知量，對計算方法提出了新的挑戰，對計算機的存儲和處理器硬件也有更高的要求。進入21世紀后，隨著科學技術特別是信息技術的跨越式發展，使得我國計算機技術有了很大的飛躍，甚至躋身世界前列，為我們提供了強有力的計算工具，并促使有限元方法的使用得到推廣并進一步完善。

3.2 我國高層建筑的設計研究進展

隨著人們需求的多樣化，高層建筑的結構和功能越來越復雜，給設計工作者帶來了巨大挑戰。針對現代復雜高層建筑的特點，對我國高層建筑的抗震、抗風方面展開了大量的研究工作。除試驗研究外，隨著科學技術的日新月異，高層建筑結構的計算分析手段有了很大改善與提高。

近年來，彈塑性分析理論在我國高層建筑的結構設計領域中得到了很好的發展，在對一些新建復雜高層建筑除進行傳統的彈性計算分析外，還要進行彈塑性的分析和計算，以期找出結構的薄弱部位并對其進行加固措施。

4 展望

高層建筑是社會經濟與科學技術發展的結晶，還是國家或地區財富與權勢的象征。我國高層建筑正朝著多功能、智能方向發展，同時，新高度的突破，將進一步使城市規劃由二維向三維過渡。由于電子計算機技術的高速發展，其在高層建筑的設計、施工乃至運行方面都將顯得日益重要，計算機輔助設計可以在方案優化和決策中發揮越來越重要的作用。同時應當使我們建成物與周圍生態環境融為一體，使我們的高層建筑在發揮既有功能的基礎上實現可持續發展。

［1］陳穎輝，黃明.淺談高層建筑的發展.昆明大學學報(綜合版)［J］.2005，(1):48－51.

［2］李閻魁.高層建筑的發展研究與展望——兼論現代高層建筑在上海的發展.同濟大學學報(社會科學版)［J］.2000，7(增):48－51.

［3］方思.高層建筑結構淺析.中華民居［J］.2014，4∶125.

［4］李淮.我國高層建筑結構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.中國高層建筑結構發展與展望［J］.建筑結構，2009，39(9):28－32.