淺談我國高層建筑結構的現狀及發展

王雅超 高 聞

（山東科技大學土木工程與建筑學院 山東青島 266590）

1 我國高層建筑及其結構

1.1 高層建筑概述

房屋的高度是指建筑物室外地面到屋面或屋面板的高度，不包括電梯房、水箱、框架等高度。在我國，高層建筑的邊界規則并不完全統一。根據《高層建筑混凝土結構技術規范》，高層建筑是指10層以上、28m以上的鋼筋混凝土民用建筑。根據《高層民用建筑設計》（GB50045-1995），高層建筑是指10層以上的住宅建筑（包括一樓有商業服務點的住宅）和24m以上的公共建筑。根據使用的結構材料，高層建筑可分為三種類型：鋼結構、混凝土結構和鋼-混凝土混合結構。鋼結構具有強度高、重量輕、抗震性能好、施工速度快等優點。但由于國內鋼材供應量大、造價高、施工精度高、防火性能差、舒適性差等原因，鋼結構的廣泛應用受到限制?；炷两Y構具有可塑性強、鋼材消耗量小、材料使用方便、施工簡單、造價低、維護成本低等優點。隨著各種高效抗震墻組合結構的應用，混凝土和鋼筋的強度等級不斷提高，促進了混凝土結構在超高層建筑施工中的快速響應?；炷两Y構的缺點是自重、延性差、施工速度慢、構件占地面積大、占地面積大。鋼-混凝土組合結構是指由鋼-混凝土組合構件和鋼筋混凝土構件組成的結構類型。由于鋼-混凝土組合構件形式多樣，可形成混合結構體系。該結構能有效發揮鋼構件的作用。鋼-混凝土組合構件和鋼筋混凝土構件是它們各自的特點。與鋼結構相比，混合結構具有以下優點：結構整體側剛度明顯提高，鋼用量減少，成本低，耐火性能好。與混凝土結構相比，混合結構具有占地面積小、占地面積小、施工速度快等優點?；旌辖Y構的缺點是鋼結構構件的協同性能。規范的控制指標需要進一步補充和完善。不同結構體系的結構占用面積如表1所示。

1.2 高層建筑結構特點及體系

建筑結構必須承受水平和垂直載荷。低層建筑結構通常要抵抗豎向荷載，水平荷載（如風荷載）或效應（如地震效應）對低層建筑的影響較小。由于低層建筑產生的內力和位移相對較小，一般可以忽略不計。因此，豎向荷載往往是低層建筑結構中設計的控制因素，材料消耗、成本和結構方案的確定主要由豎向荷載控制。但在高層建筑結構中，水平荷載對結構的影響較大，橫向位移已成為結構設計的主要控制目標之一。建筑高度導致完全不同的應力條件，水平荷載和垂直荷載共同作用，兩者都是設計中需要考慮因素。

表1 不同結構體系的結構占有面積對比

高層建筑構件也會受到多種變形的影響。在一般情況下，通常只考慮構件彎曲變形的影響，由于構件軸向和剪切變形的影響比較小，可以忽略不計。在高層建筑中，變形的原因是地基不均勻沉降，主要表現在墻體開裂。

由于結構特性的限制，橫向阻力系統的選擇和組成是高層建筑結構設計的首要考慮和決策重點。高層建筑的選型在結構抗震概念設計中起著極其重要的作用，結構選擇主要包括以下內容：合適的基礎以及豎向和水平承重結構。影響高層建筑結構選擇的主要因素是環境、功能要求、結構材料、施工水平和結構設計理論的發展。建筑位置的環境條件是選擇基礎結構、豎向和水平承重結構的基本依據。地震設防烈度的設防標準難以確定的原因是地質條件的復雜性、地震運動的隨機性和結構損傷規律的不確定性，這樣結構選型也就不容易。為了解決上述問題，提出三個設防水準和兩階段設計，并考慮到建筑的重要性。

2 我國高層建筑的產生與發展歷程

自古以來，人類就有越來越高的愿望和需求。從心理需求的角度來看，人工創造可以表達一種崇拜感，人們需要人工創造的物體來表達他們對人類的崇敬，超越普通的水平，比如對神和強大的統治者的崇敬。高人工創造可以象征權力，表現為金錢、權力和地位。從物質需要的角度來看，高度就是高度。從高處看，視野可以非常開闊和遙遠，讓人感覺神清氣爽。從東漢到清末，中國建造了數以萬計的木結構、砌體結構、石結構和木石結構的混合塔，現存約25000座。毫不夸張地說，中華民族有著建造高樓大廈的悠久歷史。新中國成立后，我國高層建筑的發展主要分為三個階段。第一階段：從新中國成立到60年代末，這個階段的建筑主要在20層以下，建筑結構主要以框架的形式。第二階段：70～80年代，北京飯店于1974年在北京建成，20層，874m，1976年在廣州建成33層的白云飯店。20世紀80年代，中國高層建筑開始蓬勃發展。從1980～1983年的三年中，所有的高層建筑都在1949年之后竣工。第三階段：從20世紀90年代初開始，中國的高層建筑進入了發展的跳躍階段。

3 我國高層建筑結構發展的特點

我國高層建筑結構的發展可以概括為：結構越來越復雜，層高越來越高，以混合結構為主，出現了一些新的結構體系。隨著國民經濟的發展，高層建筑不僅要滿足建筑物的功能要求，而且要越來越重視建筑物的個性化，這使得高層建筑的平面和高程具有特殊性。特別是近年來，出現了各種新的復雜形狀和復雜結構體系。許多復雜形狀的高層建筑超過了現行設計規范的要求。借鑒以往的工程經驗和震害資料，需要進行進一步的研究。尤其是許多工程采用了國外的設計師的作品，但一些來自非地震地區的外國建筑師缺乏抗震設計經驗，一些建筑方案尤其不規范。據不完全統計，截至2008年底，我國有150多米的高層建筑有200多棟，其中300多米主要分布在東南部沿海地區，許多高層建筑已經在北方建成或正在設計。主要是鋼-混凝土混合結構。在中國，最常用的是鋼與混凝土的混合結構。據不完全統計，在我國150多座高層建筑中，混合結構和組合結構占1/5左右。200m以上高層建筑中混合結構占2/5左右，300m以上高層建筑中混合結構占3/5左右。例如，上海環球金融中心和金茂大廈都是以鋼筋混凝土柱和鋼柱為外框的鋼筋混凝土核心管，再如北京國際貿易中心三期工程為鋼筋混凝土框架管外中管結構，內管高330m，由鋼筋混凝土巨型柱和斜撐鋼梁組成，是中國高層建筑的最高層。鋼-混凝土混合結構由于能夠將鋼和混凝土組合構件有效地結合在一起，具有鋼結構的技術優勢和混凝土造價相對較低的優點，得到了很大的發展。另一方面，我國現場施工的人工成本低于國外，采用混合結構比采用純鋼結構具有更多的經濟優勢。因此，鋼混結構是符合中國國情的超高層建筑體系。隨著超高層建筑的發展，近來出現了一些新建筑。北京國際貿易三期330m高主樓采用鋼-混凝土框架-核心筒結構，內層采用鋼板混凝土巨型組合柱和鋼-混凝土支撐結構體系。正在施工中的337m高的天津金塔主要由鋼管混凝土柱框架、核心鋼板剪力墻體系和懸臂剛臂側阻力體系組成。它具有較高的側向剛度和延性，是世界上最高的鋼板剪力墻高層建筑。廣州西塔采用外跨網架結構體系，具有較強的側向剛度和扭轉剛度，能夠抵抗風荷載和地震。巨型結構廣泛應用于超高層結構中。它們由必要的外部立面和對角線支撐，并由桁架和巨型柱的外部框架形成。

4 我國高層建筑的展望

4.1 減震和隔震技術

結構消能減震技術是達到減震控制目的重要手段。在過去的兩年中，它已經在中國的新建設項目中得到應用。然而，我國的研究工作與世界先進水平還有很大差距。隔震技術已在高層建筑中得到應用，但仍存在隔震支座張力等技術問題，需要進一步研究。主要研究內容包括：調整隔震設計的適用范圍、橡膠隔震墊以外滑動平移旋轉軸承的應用設計方法和措施、消能減振的細化和改進。設計方法、各種速度和位移阻尼器的適用范圍、基本設計原則和控制指標。在結構控制方面，除了必要的理論研究外，還應加強產品研發，提高產品性能和質量。我國迫切需要一種高性能、高質量的新型結構振動控制裝置。

4.2 抗風技術研究

隨著高層建筑高度的增加，結構對風荷載的敏感性越來越高。在許多領域，風阻研究和設計已經成為控制結構安全性和性能的關鍵因素。高層建筑水平風響應、等效靜風荷載、干擾效應、行人風環境、居民舒適度等方面的研究有待進一步加強。

4.3 綠色建筑

我國綠色建筑的范圍應包括節能建筑、環保建筑和生態建筑。節能建筑通過提高圍護結構的保溫性能，利用自然能源，將建筑能耗降低到規定水平。環保建筑首先要具備自然采光墻和保溫的功能，選用環保材料和環保涂料。生態建筑應充分利用環境。其特點及相關自然因素（如陽光、空氣、水等）使其適合人類居住，減少各種不利因素，保證當地生態系統的健康運行。

5 結論

在現代社會，高樓大廈正在蓬勃發展，高層建筑的發展引起了專家們的關注并對規劃、設計、施工和使用都有很大的影響。今后的建設將加強高層建筑隔震減振控制技術，強化抗風技術，發展綠色建筑。