高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

王朝陽

（莒縣建設(shè)科技推廣培訓(xùn)中心， 山東 日照 276500）

0 引言

高層建筑發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷了一百多年，隨著發(fā)展的深入，人們對建筑高度的要求越來越高，建筑物的高度已然成為一個國家或城市的標(biāo)志，例如上海的環(huán)球金融中心，高度達(dá)到492米。隨著社會的進(jìn)一步發(fā)展，建筑物的高度越來越高，也反映出人們勇于拼搏，敢于創(chuàng)新，艱苦奮斗的偉大精神。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來,隨著建筑技術(shù)的發(fā)展,越來越多的新型建筑材料被應(yīng)用到高層建筑中, 全球范圍內(nèi)的高層建筑日益增多，為以后高層建筑的發(fā)展起到了重要的推動作用，超高層建筑的建筑高度也越來越高。遠(yuǎn)大集團(tuán)的"天空之城"計劃,更是將建造高度定到了1000米。容積率超過10的情況也越來越常見[1]。目前世界范圍內(nèi)正在設(shè)計的超高層建筑大部分位于亞洲，其中超過200米的建筑多達(dá)300多棟，超過400米的更是有數(shù)十棟[2]。

1.1 建筑高度的不斷增加

到目前為止，我國超過150米的高層建筑已經(jīng)超過了200棟，許多新建的超高層建筑的高度更是超過了600米。近幾年來，我國超高層建筑的數(shù)量顯著增加，建筑高度也正不斷的突破極限，由此可見，這并不僅僅是對建筑高度的突破，更是帶動了建筑行業(yè)的發(fā)展，代表我國的建筑業(yè)發(fā)展水平已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，更是表明我國的經(jīng)濟(jì)水平正在飛速發(fā)展。

1.2 結(jié)構(gòu)體型日趨復(fù)雜

隨著社會的進(jìn)步，人們越來越看重建筑的外觀，這對建筑師的要求也越來越高，為了實現(xiàn)建筑的美觀，建筑師需要不斷創(chuàng)新，為此建筑師設(shè)計了許多體型復(fù)雜，功能多變的高層建筑，造成我國高層建筑越來越復(fù)雜，其困難程度絕不亞于其他各國。尤其近幾年，為了更好的體現(xiàn)地標(biāo)性建筑的獨特性，高層建筑的平立面越來越特殊，出現(xiàn)了大量的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，比如樓板開大洞形成的長短柱結(jié)構(gòu)，懸挑及懸掛結(jié)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)體系往往都超出了現(xiàn)行規(guī)范的要求，這就說明不能借鑒以往的工程資料，需要設(shè)計者進(jìn)行更深入的探討，多方合作。如果單純的借鑒國外的成功案例，在我國往往會發(fā)生嚴(yán)重的工程事故，例如一些國外地區(qū)并不需要考慮抗震設(shè)防，因此設(shè)計的建筑方案極其不規(guī)則，而我國在2008年發(fā)生的"5.12"汶川地震中，那些特別不規(guī)則的建筑遭到了嚴(yán)重的破壞。由于我國的絕大部分地區(qū)均為抗震設(shè)防區(qū)，并且沿海地區(qū)又經(jīng)常會受到臺風(fēng)的影響，因此建筑師在設(shè)計我國的高層建筑時，需要結(jié)合我國實際的工程條件，將地震及風(fēng)荷載充分考慮在內(nèi)，同時由于建筑的體形越來越復(fù)雜，受力分析更加困難，在高層建筑的設(shè)計過程中，仍有許多問題需要解決。

1.3 一批新型結(jié)構(gòu)體系涌現(xiàn)

隨著超高層建筑的發(fā)展,新型結(jié)構(gòu)體系日益增多。例如，北京的國貿(mào)中心，高度最高的主塔樓部分高達(dá) 330米，采用框架及核心筒結(jié)構(gòu)體系，框架部分主要采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，并且核心筒的內(nèi)筒部分的柱子采用的是型鋼以及鋼板混凝土的巨型組合柱，支撐部分采用型鋼混凝土作為支撐；再如天津環(huán)球金融中心，高度最高的津塔部分高達(dá) 337米，其結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，由三種結(jié)構(gòu)體系組成，包括鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，核心鋼板剪力墻體系以及外伸臂桁架抗側(cè)力體系，這三種結(jié)構(gòu)體系合而為一，不僅抗側(cè)剛度高、延性好，同時具有較好的變形能力,抗震性能較好。天津津塔為目前天津最高的建筑,其采用的結(jié)構(gòu)體系也是世界上高度最高的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)[3]。

2 存在的問題

2.1 建造和運行過程中消耗大量的能源

高層建筑作為地標(biāo)性建筑雖然節(jié)約了用地，但是其耗能也明顯高于一般的大型公用建筑。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，超高層建筑的單位面積的能耗比一般的大型公用建筑要高出1～3倍，更是普通公用建筑的4～10倍[4]。

2.2 在實際工程中出現(xiàn)了很多規(guī)則性很差,體型復(fù)雜不利于抗震的高層建筑

首先，造成結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，為了滿足建筑效果，建筑平面往往存在較大的凹入口，并且隨著高度的增加，造成樓板平面狹長，并且樓板開洞面積經(jīng)常超過樓面面積的 30%，這樣會造成樓板削弱較大，樓板水平地震力的傳遞也會因此產(chǎn)生影響，不利于結(jié)構(gòu)的安全。其次，造成結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，豎向范圍內(nèi)容易形成較大范圍的錯層，剪力墻也會因此產(chǎn)生錯層，這樣就會造成結(jié)構(gòu)的豎向剛度不規(guī)則，不利于結(jié)構(gòu)的抗震。因此，為了盡量避免這種情況，應(yīng)盡量采用規(guī)則的結(jié)構(gòu)，同時采取必要的措施來加強(qiáng)建筑物的抗震能力。

3 高層建筑物的發(fā)展趨勢

3.1 高強(qiáng)度新材料的開發(fā)運用

對于高層建筑來說，為了解決實際使用面積與建筑面積的比例差距懸殊的問題，新型的建筑材料得到發(fā)展。例如高強(qiáng)度混凝土材料，這種新型材料的強(qiáng)度和韌性都較高，具有減小建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及建筑物自重的優(yōu)點，使建筑物真正的達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)，隨著高強(qiáng)度混凝土材料的開發(fā)和使用，將會度對以后超高層建筑的發(fā)展產(chǎn)生巨大作用；其次，高強(qiáng)度的厚鋼板也是一種極佳的建筑材料，它具有可焊性高，造價低等優(yōu)點，目前這種材料在國內(nèi)外已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)的開始應(yīng)用，隨著厚鋼板的使用，對防火材料的使用將極大的降低，因為厚鋼板雖然保護(hù)層面的厚度不大，但卻具有抗火的功能。另外復(fù)合材料也是一種新型建筑材料，以后將逐漸用于超高層建筑的開發(fā)過程中。

3.2 施工技術(shù)的迅速發(fā)展

高層建筑對地震與風(fēng)的作用極其敏感，由于長細(xì)比較大，在水平荷載的作用下，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，因此度對建筑的抗風(fēng)和抗震要求也越來越高，對施工的要求也越來越高。為了滿足超高層建筑的施工要求，施工方法必須標(biāo)準(zhǔn)，有理可依，必須朝著標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。

3.3 建筑高度出現(xiàn)新的突破

在做到以上兩點之后，超高層建筑將不僅僅局限于現(xiàn)在的建筑高度，在高度上會有進(jìn)一步的突破。到目前為止，高層建筑在質(zhì)量方面和高度方面已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，相信隨著時代的進(jìn)一步發(fā)展，超高層建筑將會得到進(jìn)一步的發(fā)展。

3.4 高層建筑生態(tài)化

美國建筑師鮑羅索勒里在上世紀(jì)七十年代提出了建筑生態(tài)學(xué)的概念[5]。所謂"建筑生態(tài)學(xué)"，顧名思義,就是建筑學(xué)和生態(tài)學(xué)的結(jié)合，從人與自然這一出發(fā)點出發(fā)，結(jié)合生態(tài)學(xué)原理，在建筑設(shè)計領(lǐng)域努力尋求解決在建筑物建造及使用過程中的環(huán)境問題，盡量減少對環(huán)境的破壞，改善自然環(huán)境及居住環(huán)境，真正做到人與自然和諧發(fā)展。因此，建筑生態(tài)學(xué)的產(chǎn)生具有其歷史必然性。紐約帝國大廈通過實施窗扇翻修、散熱器改造、照明系統(tǒng)及控制更新、空調(diào)更換、制冷系統(tǒng)變頻驅(qū)動、控制系統(tǒng)優(yōu)化升級、通風(fēng)系統(tǒng)二氧化碳控制、租戶能源管理系統(tǒng)引入等技術(shù)改造后實現(xiàn)節(jié)能38%以上[6]，獲得LEED-EB金級認(rèn)證。

4 結(jié)語

我國幅員遼闊，人口眾多，但是人均土地占有量少，為了充分利用土地，必須充分發(fā)展高層建筑。隨著建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)所需承擔(dān)的荷載及抗傾覆力矩也越來越大。在保證高層建筑結(jié)構(gòu)可靠度的前提下，為了進(jìn)一步的節(jié)約造價，這就需要設(shè)計人員進(jìn)一步的探索，在研究新材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步保證經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。