我國高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展

段本碩, 楊 科 程光福

（山東科技大學 土木工程與建筑學院， 山東 青島 266590）

0 引言

各國對高層建筑的定義不盡相同，例如，美國將建筑高度達24.6米以上或7層以上的建筑物定為高層建筑，日本則是在8層以上或達31米，法國則規(guī)定為超過50米的住宅和超過28米的其他建筑物。在我國的規(guī)范中，《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB50045-1995）和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-1998）中規(guī)定10層及10層以上的居住建筑和24m以上的其它民用建筑稱為高層建筑；而《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）規(guī)定：10層及10層以上或者高度超過28 m 的建筑稱為高層建筑[1]。

當今社會，城市不斷發(fā)展，建設用地短缺已經(jīng)成為了嚴峻的問題。為了改善這種局面，人們把建筑物從廣度發(fā)展開始往高度進行發(fā)展，高層建筑便應運而生，它不僅在很大程度上滿足了使用要求、審美要求，同時更是成為了經(jīng)濟技術(shù)水平的標志。現(xiàn)今，我國的高層、超高層建筑正處于發(fā)展的上升期，并有著越來越復雜、適用、新穎、完美的趨勢。

1 關(guān)于我國高層、超高層建筑的現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展進程

在我國，高層建筑并不是這個時代僅，已經(jīng)歷經(jīng)數(shù)百年發(fā)展，最早可追溯到西安大雁塔、大理千尋塔、應縣木塔等建筑；自新中國建立至七十年代，我國現(xiàn)代高層建筑步入了新時期，發(fā)展相對比較緩慢，代表建筑主要有北京民族飯店（12層，高 47.4m，1959年）、廣州人民大廈（18層，高63m，1966年）廣州白云賓館(33層、高114.05m，首棟百米高層，1976年）；到了80年代初期，社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，香港、上海等各大城市大力發(fā)展建筑，北京京廣中心大廈、廣州國際大廈等建筑相繼建成；進入九十年代，高層建筑突飛猛進，層數(shù)及高度不斷有所突破，進入快速發(fā)展時期。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

社會不斷進步，高層建筑逐漸成為城市的標志。2016建造的深圳平安國際金融中心（600m）、2015年建造的天津117大廈(596.5m)、蘇州中南中心(729m)、2010年建成的位于廣州的國際金融中心(441.75m)等都是我國超高層建筑的代表之作，其設計之復雜、建造程度之難、工藝之精都達到相當高的地步，具有一定的挑戰(zhàn)性，這些挑戰(zhàn)在建造的過程中也不斷推進我國建筑業(yè)技術(shù)逐漸革新，快速發(fā)展。現(xiàn)在，這些建筑一方面都成為當?shù)氐臉酥拘越ㄖ蔀橹^光景點，另一方面這些建筑也直觀反映出高層建筑的發(fā)展特點，即更高、更復雜。

2 高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)體系

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，高層建筑投資規(guī)模以及高度不斷增大，高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展受到了人們的普遍關(guān)注。受力分析表明，高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)的彎矩和水平位移均與高度相關(guān)，水平風力與地震力是結(jié)構(gòu)設計的最重要的環(huán)節(jié)。這同時表明高層建筑能夠高效的抵抗側(cè)力至關(guān)重要[2]。高層、超高層建筑根據(jù)其結(jié)構(gòu)體系可作如下劃分：

2.1 框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)是梁和柱組成的框架所形成的結(jié)構(gòu)體系，該體系可以同時承擔豎向以及水平荷載，是最基本的結(jié)構(gòu)單元。框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部比較空曠而且建筑平面布置靈活，可以做成具有較大空間使用，滿足各種不同用途的建筑的需求。剪力墻結(jié)構(gòu)是由墻體承受全部水平和豎向荷載的體系。整體性好，結(jié)構(gòu)頂點水平位移和層間位移通常較小，具有良好的抗震性能。框架剪力墻結(jié)構(gòu)是以上二者的組合，框架和剪力墻根據(jù)各自優(yōu)勢協(xié)同受力，空間更加靈活，側(cè)向剛度和抗震能力也得到保證。

2.2 筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)是在框剪結(jié)構(gòu)與全剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合的基礎上，將剪力墻或密柱布置到結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外圍所形成的封閉筒體。其結(jié)構(gòu)較為集中，具有較大自由空間。

2.3 伸臂結(jié)構(gòu)體系

伸臂結(jié)構(gòu)是每隔一定樓層，通過中央核心筒伸出剛臂與外側(cè)柱相連所形成的體系。此類體系有時會在外圈構(gòu)造相當于一層樓高度的框架或深梁。此類體系能夠有效的增強抗側(cè)剛度。

2.4 巨型結(jié)構(gòu)體系

巨型結(jié)構(gòu)是由巨型柱、梁、支撐等組合形成的空間桁架，相鄰立面支撐在角柱交匯，構(gòu)成巨型的空間桁架。桁架依靠斜桿的軸向力抵抗來自各個方向水平力帶來的層剪力，充分利用材料性；樓板和圍護墻產(chǎn)生的荷載由次構(gòu)件傳遞給巨型梁，最終經(jīng)由柱子和斜撐傳遞至基礎。由此可知，巨型桁結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)是一種具有高效、經(jīng)濟特點的結(jié)構(gòu)體系。

3 發(fā)展趨勢

分析目前我國建成和在建中的高層、超高層建筑，可以發(fā)現(xiàn)以下特點：

3.1 層數(shù)更多，高度更高。

城市建設速度大幅度加快，建設用地越來越緊張，推廣層數(shù)更多、高度更高的建筑成為建筑業(yè)的必然選擇。

3.2 平面布置和豎向體型更加復雜。

國民生活質(zhì)量在逐步提升，對于建筑結(jié)構(gòu)使用功能、個性體驗等方面的期望也隨之提高，因此在滿足基本使用條件的基礎上，建筑物的外觀個性化和內(nèi)部的舒適程度逐漸成為建筑師考慮的方面，建筑結(jié)構(gòu)的布置會越來越朝著復雜化的方向發(fā)展。

3.3 新型材料的研究與應用。

隨著建筑高度越來越高、結(jié)構(gòu)越來越復雜，對建筑結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性能等的規(guī)定越來越嚴格，傳統(tǒng)的建筑材料漸漸難以滿足復雜建筑物的需求，因此型鋼混凝土和鋼管混凝土等新型組合材料迅速進入市場，新材料的使用在確保結(jié)構(gòu)整體性能的同時確保了有效使用空間。

3.4 耗能減震技術(shù)的應用與發(fā)展。

地震等自然災害具有突發(fā)性，對建筑結(jié)構(gòu)危害極大，對高層建筑來說更是如此。傳統(tǒng)設計方法中，一般是通過增強建筑物自身的強度、剛度、延性，來實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計，以此使建筑滿足要求[3]。隨著技術(shù)革新和建筑高度的增大，利用建筑結(jié)構(gòu)自身來抵抗地震的弊端逐漸凸顯，采用阻尼器等耗能設備進行抗震開始受到青睞。

3.5 施工技術(shù)和工藝的不斷推陳出新

隨著我國高層建筑快速的發(fā)展，占主導地位的慢慢變成了混凝土結(jié)構(gòu)[4]。其中的模架、鋼筋混凝土技術(shù)得到了充分的改進，取得巨大發(fā)展；由于高層建筑對現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)各方面的大力推廣，混凝土的機械化施工水平不斷攀升，并在拌制、泵送、高性能、機械化等方面多向推進；與此同時，在防水技術(shù)方面，針對相對應的防水部位、功能等技術(shù)特點選用了防水構(gòu)造、防水材料和防水工藝，比如設置在屋頂?shù)幕▓@、采光屋頂、室內(nèi)桑拿浴房和游泳池以及地下室深度為幾十米以下等結(jié)構(gòu)設施慢慢出現(xiàn)，與之同步發(fā)展的是不斷出現(xiàn)的各種先進的工法技術(shù)。

3.6 計算機技術(shù)和理論在建筑中的推廣應用

計算機技術(shù)在日新月異的發(fā)展，在高層、超高層建筑中也展現(xiàn)了強大的優(yōu)勢，設計和施工越來越離不開計算機技術(shù)；不斷完善的計算理論和模擬，在 BIM、數(shù)據(jù)分析等軟件的應用更加普遍和方便的同時，也給高層、超高層提供更為安全可靠、適用經(jīng)濟的建設方案。

3.7 建筑節(jié)能技術(shù)的不斷研發(fā)。

據(jù)不完全統(tǒng)計，建筑運行能耗已經(jīng)占據(jù)了全社會總能耗的1/3，因此建筑節(jié)能問題的解決關(guān)系到人們生活的可持續(xù)發(fā)展。譬如建筑材料學要著眼于節(jié)能回收，再生骨料混凝土的廣泛應用，既解決了建筑垃圾的處理問題，又節(jié)約了自然資源，實現(xiàn)了節(jié)能可持續(xù)的理念；再如建筑玻璃幕墻也不斷向著雙層玻璃構(gòu)造、智能通風、智能遮陽、智能照明等方向發(fā)展。隨著更多的人意識到資源的匱乏，更加注重綠色生活，綠色建筑以及建筑節(jié)能技術(shù)、材料將日益廣泛的出現(xiàn)生活中。

4 結(jié)語

（1）本文論述了我國高層建筑的發(fā)展歷程，介紹了我國高層、超高層建筑的發(fā)展狀況，總結(jié)了我國高層建筑高度更高、結(jié)構(gòu)體型更復雜等建筑特點。

（2）論述了我國高層、超高層建筑的結(jié)構(gòu)分類，提出了高層建筑結(jié)構(gòu)設計的有效依據(jù)。

（3）我國高層、超高層建筑向著更高、更復雜、更智能發(fā)展，新材料、新工法、新技術(shù)的使用使得我國高層、超高層發(fā)展前景更加廣闊。

[1] 高層建筑施工手冊 [M]. 第2 版 . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[2] 曹瓏芳. 超高層建筑結(jié)構(gòu)體系及選型[J].低溫建筑技術(shù).2011(12)

[3] 建筑抗震設計規(guī)范（GB50011-2002）.中國建筑工業(yè)出版社，北京2002.

[4]肖從真,王翠坤,黃小坤.中國建筑科學研究院高層建筑結(jié)構(gòu)研究發(fā)展與展望.建筑科學.2013.