結合高層建筑實例簡述我國高層建筑結構的發展現狀

孫 宇 張澤華 蘇凱凱

(山東省土木工程防災減災重點實驗室 山東科技大學， 山東 青島 266590)

結合高層建筑實例簡述我國高層建筑結構的發展現狀

孫 宇 張澤華 蘇凱凱

(山東省土木工程防災減災重點實驗室 山東科技大學， 山東 青島 266590)

結合高層建筑的設計及建造實例，概括闡述我國高層建筑結構的發展現狀。我國高層建筑發展的特點主要是結構體型日趨復雜，新型結構體系層出不窮，超高層建筑中鋼—混凝土混合結構趨于主導。同時由于我國高層建筑大都興建于東部沿海的經濟發達城市，使得設計時大多要考慮抗震抗風、超高扭轉基礎設計等問題，設計難度大。

高層建筑；發展特點；設計難點

1 引言

隨著我國改革開放，經濟建設取得了重大成果，從80年代開始，我國高層建筑進入了迅速發展的黃金期，近20年來，我國逐漸成為世界高層建筑的發展中心，大量高層建筑如雨后春筍般大量涌現，建筑結構也呈現出越來越復雜的發展趨勢，建筑高度與日俱增，高層建筑在各大中型城市都較為常見。下面結合眾多高層建筑結構和設計實例，闡述我國高層建筑發展特點和現狀。

2 我國高層建筑結構發展特點

2.1 建筑高度不斷增加

據不完全統計，80年代開始到上世紀末，隨著我國經濟建設的發展，興建了100多棟高度超過150m的高層建筑，截止到2006年底，中國大陸150m以上的高層建筑已超過150棟，而截止到2009年底，中國大陸150m以上的高層建筑已經超過了250棟之多，就在剛剛過去的2016年，又有大批的高層建筑建造計劃紛紛上馬。由此可見，我國高層建筑發展之快，興建之多，令世人矚目。

除了數量增多外，超高層建筑的高度近年來也在不斷被刷新， 600m的廣州塔已經投入使用；621m的天津高銀117大廈已經落成；已落成建筑中第二高的上海中心大廈高度達到了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感，而是帶動了整個建筑行業中所涉及到的材料技術、設備制造技術、建筑結構設計等方面的進一步發展。

2.2 結構體型日趨復雜

為迎合大眾的審美，業主的要求，建筑師實現建筑功能及造型方面的創新，越來越多的復雜體型和內部空間復雜多變的高層建筑被設計建造出來，比如中央電視臺總部大樓的“大褲衩”形狀；蘇州東方之門的“大秋褲”造型；湖州喜來登溫泉度假酒店的“O型”建筑等。

隨著國民經濟的發展，高層建筑除了要滿足建筑的使用功能，還越來越重視建筑的個性化體現。而我國絕大部分地區為抗震設防地區，而高層建筑集中的在東南沿海地區又是臺風頻仍的地區。如廣東、福建等地高層建筑的建設，廣州市區就是臺風多發地區，而建筑結構體型的日趨復雜使設計時本就困難重重的抗震、抗風問題面臨著更大的挑戰。

2.3 超高層建筑中鋼—混凝土混合結構為主

據有關數據顯示，截止到2018年底，我國高度250m以上超高層建筑結構中，鋼—混凝土混合結構占98.4%，如上海環球金融中心及金茂大廈內部均為鋼筋混凝土核心筒，外框為型鋼混凝土柱及鋼柱【1-2】；剛剛落成的天津117大廈，外框采用鋼管混凝土柱，核心筒在底部區域采用鋼板混凝土剪力墻結構。

鋼結構的技術優勢和混凝土成本低廉的特點，促成了在我國鋼—混凝土混合結構的較大發展。另一方面，鋼—混凝土混合結構具有結構形式多變，適應性強，穩定性好，結構性能優異等優點，因此預計在將來的高層建筑設計中鋼—混凝土混合結構將得到較大發展。

2.4 新型結構體系涌現

隨著高層建筑的發展，出現了很多新型結構體系。如北京國貿三期主塔樓采用了鋼—混凝土框架—核心筒結構；天津津塔主要抗側力體系由鋼管混凝土柱框架+核心鋼板剪力墻體系+外伸鋼臂抗側力體系組成；廣州西塔采用了外部交叉網格結構體系【3】。除此之外，由巨型柱形成的巨型框架等結構形式也在高層建筑中較多使用。

3 高層建筑結構設計難點

3.1 高層建筑結構的規則性

高層建筑結構由于在高度上有獨特特性，這種特性帶來了建筑結構規則性上的很多限制，尤其是高寬比的控制和日益突出的外立面體型復雜多變等問題。

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剛度的核心筒尺寸的話，則塔樓高寬比更大，而核心筒為矩形，Y方向側向剛度偏弱，會導致在地震作用下結構失穩。參照此項案例，國內很多高層建筑都存在此項問題，針對這種情況一般采取加強框架梁與核心筒連接的方式增強其側向剛度，并在核心筒設置型鋼暗柱、暗梁，在核心筒范圍內形成隱形型鋼框架，這樣可以通過提高結構延性的方式提高相應的承載能力，保證結構在地震作用下的可靠性。

外立面體型復雜多變，為幕墻的設計帶來諸多不便，且在現有規范中往往難以為幕墻設計進行取值計算。為解決此項問題，可酌情進行風洞試驗，通過試驗獲得風壓峰值和風荷載局部體型系數，進而由實驗數據觀測分析得出風振作用對高層建筑結構的影響情況。

3.2 高層建筑扭轉問題

高層建筑結構設計的三個核心問題分別是：剛度的中心、整體結構的重心和幾何形心。高層建筑的扭轉問題就是沒有將三者進行高度的重合，在水平壓力作用下，建筑物出現扭轉現象。在高層建筑設計時，應注重建筑平面布局的合理性，盡量保持高層建筑剛度中心、整體結構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計和建設過程本來就是一個不斷挑戰，不斷刷新新紀錄的過程，因而很多工程實踐中，存在超高情況。針對這一情況設計人員多以風洞試驗和振動臺試驗來試驗設計的合理性和可靠性，要經過對試驗數據的多次分析處理，反復討論修改設計方案和施工方案，才能最終使工程抗震設計和抗風設計達到理想的效果。

針對超高問題，在新的規范中，把原來限制的高度規定為A級高度，并為適應新的客觀情況，增加了B級高度。規定的進一步細化，使得高層建筑結構處理設計方法和措施上都有了不小的改進。實際工程設計中，對于建筑結構類型的改變對高層超高問題應予以足夠的重視，如果相關技術人員忽略此類問題，在施工審圖時將不予通過，并且應該重新進行設計或者進行專家會議的論證等。在這種情況下，整個建筑工程的造價和工期都將受到極大影響。

3.4 高層建筑的基礎設計

高層建筑設計中最重要的就是基礎設計。高層建筑層數多，自重大，荷載集中，對基礎的要求高，因此基礎類型的選擇和埋置深度必須符合設計要求。在進行基礎設計時要保證其埋深深度必須滿足基底穩定和變形的具體要求，以避免日后建筑物出現傾斜的狀況。高層建筑基礎通常采用樁形、筏形或復合基礎，其選型設計應該根據工程地質條件、施工條件、上部結構情況、抗震設防和周圍環境條件等因素綜合考慮[4]。

4 結語

我國的高層和超高層建筑越來越向著超高超大，結構多樣化，造型奇特的方向發展，就其規模和復雜程度不但在國際上罕見，而且很多建筑也突破了我國現行的相關技術規范要求。如何保證我國的高層以及超高層建筑符合抗震，抗風，防意外事件（爆炸，火災，撞擊）的要求，是亟待解決的大事。

我們應該在高層結構抗震設計理論和方法方面開展進一步研究，目前我國關于高層建筑結構的倒塌過程的理論和試驗研究才剛剛起步，仍沒有進一步出臺相關的設計文件和標準。加強對高層結構隔震減振控制技術的研究，這是抗震、抗風設計的一條重要途徑。同時，加強對高層混合結構的研究也同樣重要，面對這個大部分高層建筑都在使用的結構形式，我們對它的了解還是有限的。

[1]汪大綏，周建龍，袁興方.上海環球金融中心結構設計[J]建筑結構，2007，37（5）：8-12

[2]李國強，陳素文，李杰，等.上海金茂大廈結構動力特性測試[J].土木工程學報，2000,33（2）：35-39.

[3]徐培福，傅學怡，王翠坤，等.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[4]徐春卯.超高層建筑結構設計的關鍵性問題思考[J].四川，建筑科學，2015,13（2）

[5]中國建筑學會建筑結構分會高層建筑結構委員會.我國大陸 2004年底已建成150m以上高層建筑統計[J].土木工程學報，2008.

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1007-6344（2017）09-0276-01