超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析,一、前言二、結(jié)構(gòu)材料三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)四、結(jié)構(gòu)體系五、建筑經(jīng)濟(jì)性分析六、結(jié)論及展望,目錄,一、前言梁思成先生表達(dá)建筑的內(nèi)涵是文化藝術(shù)、科學(xué)技術(shù)和工業(yè)經(jīng)濟(jì)互相交集的綜合產(chǎn)品。眾所周知，近現(xiàn)代高層建筑的迅速發(fā)展是與經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，同時(shí)還反映出時(shí)代藝術(shù)的鮮明特色。當(dāng)代高層建筑的發(fā)展出現(xiàn)了兩個(gè)趨勢(shì)：一是世界高層建筑數(shù)量在持續(xù)增加，世界最高建筑記錄被迅速競(jìng)相突破；二是在亞洲，中國(guó)已成為世界上高層建筑發(fā)展的主要區(qū)域，目前世界上最高建筑的前10名大多集中在亞洲。例如高度達(dá)828m、160層的世界第一高樓哈利法塔（原名迪拜塔）更成了阿聯(lián)酋經(jīng)濟(jì)和當(dāng)代技術(shù)成就的見(jiàn)證，只要有值得建設(shè)的需要和足夠的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)已完全能建造1000m高的摩天大樓夢(mèng)想成真。,在超高層建筑設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)體系不僅對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性影響巨大，而且對(duì)開(kāi)拓建筑空間形式和使用功能的幫助最大，是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建造中最關(guān)鍵的核心技術(shù)體現(xiàn)，因此結(jié)構(gòu)體系方案優(yōu)選顯得十分重要。（本文所指的超高層建筑是指房屋高度超過(guò)100m的高層建筑。）,二、結(jié)構(gòu)材料超高層建筑依所采用的結(jié)構(gòu)材料可分為三種類(lèi)型：鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。2.1鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快，但由于國(guó)產(chǎn)大型鋼供應(yīng)困難，加上造價(jià)較高、施工精度要求高、防火性能差、舒適度較差等問(wèn)題，限制了鋼結(jié)構(gòu)的普遍使用。2.2混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可塑性強(qiáng)、用鋼量小、取材方便、施工簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、維護(hù)成本低，加上有抗震墻組合的各種高效結(jié)構(gòu)抗力體系的應(yīng)用，混凝土和鋼筋強(qiáng)度等級(jí)不斷提高，促使混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑建造中得到迅速應(yīng)用?；炷两Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是自重大、結(jié)構(gòu)的延性較差、施工速度較慢、結(jié)構(gòu)構(gòu)件占用的面積與空間較大。,2.3鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)是指鋼構(gòu)件、鋼與混凝土組合構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件相結(jié)合而成的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，由于鋼與混凝土組合構(gòu)件形式較多，從而可形成多種多樣的混合結(jié)構(gòu)體系，這一結(jié)構(gòu)類(lèi)型能夠有效發(fā)揮鋼構(gòu)件、鋼與混凝土組合構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件的各自特長(zhǎng)?；旌辖Y(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向剛度顯著增大、用鋼量減小、造價(jià)較低、防火性能較好?；旌辖Y(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)構(gòu)件占用的面積與空間較小、施工速度快?；旌辖Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：鋼構(gòu)件、鋼與混凝土組合構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件之間協(xié)同工作的性能有待深入研究，相應(yīng)的規(guī)范控制指標(biāo)還需進(jìn)一步補(bǔ)充與完善。,高度250m以上超高層建筑的材料使用情況(截至2016年底，共258幢)圖1,三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機(jī)電管道的設(shè)置、施工技術(shù)的要求、施工工期長(zhǎng)短和投資造價(jià)的高低等。,3.1水平力是設(shè)計(jì)主要因素在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在超高層建筑中，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。,3.2側(cè)移成為控指標(biāo)與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大，與建筑高度H的4次方成正比（qH4/8EI）。3.3抗震設(shè)計(jì)要求更高有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。,四、結(jié)構(gòu)體系對(duì)于超高層建筑結(jié)構(gòu)，水平風(fēng)力與地震力將成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素。一般來(lái)講，豎向荷載所需結(jié)構(gòu)材料的數(shù)量與層數(shù)成線性關(guān)系增加；而抵抗水平荷載所需結(jié)構(gòu)材料的數(shù)量與高度成指數(shù)關(guān)系增加，需要使用更多的結(jié)構(gòu)材料來(lái)抵抗水平荷載。因此，一個(gè)好的結(jié)構(gòu)體系方案其實(shí)質(zhì)是一個(gè)比較高效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系方案，選擇最高效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系方案成為了超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中首要的核心環(huán)節(jié)。,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外更廣泛的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐或研究新舊成果的總結(jié)，分別列舉鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)各類(lèi)結(jié)構(gòu)體系的適用高度。在利用這些成果的基礎(chǔ)上，將超高層建筑結(jié)構(gòu)體系分為共同作用、部分整體作用、整體作用等三大類(lèi)別，并結(jié)合其它的參考文獻(xiàn)，提供鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)各種體系類(lèi)型的建議適用高度分別見(jiàn)表1和表2。,超高層鋼結(jié)構(gòu)體系適用高度表1,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系適用高度與高寬比表2,超高層結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展歷程應(yīng)為由初始低效能的共同作用體系邁步到中途中等效能的部分整體作用體系，再進(jìn)步到最終高效能的整體作用體系。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)各種體系類(lèi)型的適用高度，見(jiàn)表3。表13可供超出現(xiàn)有國(guó)家規(guī)范或高度的超高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型時(shí)參考。不過(guò)值得提醒的是，根據(jù)廣州、深圳等地使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)有可靠依據(jù)時(shí)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)房屋的最大適用高度可以突破表3的相關(guān)規(guī)定。,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)房屋最大適用高度與高寬比表3,五、建筑經(jīng)濟(jì)性分析超高層建筑結(jié)構(gòu)工程造價(jià)的影響因素主要包括:建筑造型與平面布置建筑物所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度和風(fēng)荷載結(jié)構(gòu)體系選型和材料等方面圖2統(tǒng)計(jì)了上海(抗震設(shè)防烈度7度)、鄭州(抗震設(shè)防烈度7度，0.15g)及蘭州(抗震設(shè)防烈度8度)地區(qū)7座超高層建筑單位面積所需的建安造價(jià)和土建造價(jià)，以分析建筑高度結(jié)構(gòu)材料抗震設(shè)防烈度對(duì)工程造價(jià)的影響所涉及的工程實(shí)例有：海國(guó)金中心(高度250m)，鄭州綠地廣場(chǎng)(高度283m)，蘭州鴻運(yùn)金茂(高度250m)，上海嘉里中心(高度260m)、上海會(huì)德豐(高度280m)、上海恒隆廣場(chǎng)(高度280m)和上海中心大廈(高度632m)，其中，上海嘉里中心、上海會(huì)德豐及上海恒隆廣場(chǎng)為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其余為SC外框-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，圖3以上海中心大廈為例，給出其土建工程各部分造價(jià)及其占土建工程總造價(jià)的百分比。,超高層建筑實(shí)際工程造價(jià)統(tǒng)計(jì)圖2,上海中心大廈土建工程各部分單位面積造價(jià)圖3,圖2和圖3表明:1、超高層建筑高度增加，工程造價(jià)隨之增加；2、混合結(jié)構(gòu)造價(jià)高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；3、抗震設(shè)防烈度增加，工程造價(jià)隨之增加；4、高度250300m的超高層建筑，土建工程造價(jià)約占建安造價(jià)的30%35%，當(dāng)高度超過(guò)600m時(shí)，土建工程造價(jià)將超過(guò)建安造價(jià)的35%；5、超高層建筑地下部分與地上部分土建造價(jià)之比約46。,六、結(jié)論及展望6.1混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)代超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)材料。超過(guò)高規(guī)B級(jí)高度的超高層建筑宜優(yōu)先選用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)或采用高強(qiáng)輕質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土柱及鋼管混凝土疊合柱與組合柱除具備高強(qiáng)度和大剛度的優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的抗火、抗爆、抗沖撞性能等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中宜加以利用。6.2超高層結(jié)構(gòu)體系宜按共同作用、部分整體作用、整體作用等三大類(lèi)別進(jìn)行劃分，這樣更易于理解和把握各種超高層結(jié)構(gòu)體系的實(shí)質(zhì)作用。這三大類(lèi)別結(jié)構(gòu)體系抵抗水平力的效能是由低到高。結(jié)構(gòu)體系方案優(yōu)選順序宜按效能由高到低的順序進(jìn)行，即先選擇整體作用體系，再選擇部分整體作用體系，最后才選擇共同作用體系。6.3超高層建筑土建工程造價(jià)約占建安造價(jià)30%40%，隨著塔樓高度的增加，土建造價(jià)將有所提高。,