巨型结构体系分析

1．巨型结构的概念

巨型结构的概念产生于二十世纪六十年代末，是指在一座建筑中，由几个大型结构单元所组成的主结构与其它结构单元组成的次结构共同工作，从而获得更大的整体稳定性和更高的效能的高层建筑结构。巨型结构由两级结构组成,打破了传统的以单独楼层作为基本结构单元的格局,有着其它结构无法达到的很多优点[1]。

随着建筑功能趋向于多样化和综合化发展，世界高层建筑发展的趋势是竟相推出高度超过500m的超高层建筑和满足一些特殊功能的高层建筑的巨型结构。对于建造500m以上的超高层建筑，是最合适的结构体系。巨型结构中，主结构承担了绝大部分外力，次结构只是协助主框架抵抗外载。由于次结构的柱距小、荷载小，因而其梁、柱断面可以做得很小，有利于楼面的合理使用。

2．巨型结构的优越性

1) 巨型结构传力明确

巨型结构是一种新型结构体系,主结构为主要的抗侧力体系，承受自身和次结构传来的各种荷载，次结构只起辅助作用和大震下的耗能作用，并负责将竖向荷载传给主结构，传力路线非常明确。

2) 巨型结构体系整体性能好

在高层建筑结构中,抗侧力体系的抗侧能力强弱是衡量结构体系是否经济有效的尺度。巨型结构的大梁作为刚臂,使得整个结构具有极其良好的整体性,可有效地控制侧移。同时也可在不规则的建筑中采取适当的结构单元组成规则的巨型结构。抗震巨型梁具有强大的竖向刚度，能充分协调各外柱的轴向变形。

3) 巨型结构能满足建筑功能的要

巨型结构体系的出现使得建筑需要与结构布置不再矛盾,沿竖向每个大层中的次结构可以自由布置,同时并不会造成结构上的不利,也易做到节能和减少风力。

4) 巨型结构可将多种结构形式及不同材料进行组合

由于巨型结构体系的主结构和次结构可以采用不同的材料和体系,因此体系可以有不同的变化和组合。例如,主体结构可采用高强材料,次结构采用普通材料等。

5) 巨型结构体系施工速度快

巨型结构体系可先施工主结构,待主结构完成后分开各个工作面同时施工次结构,这样可大大加快施工进度。

6) 巨型结构体系可节约材料,降低造价

巨型结构体系中,虽然主结构的截面尺寸大,材料用量也大,但量大面广的次结构只承受有限几层竖向荷载的作用,故其截面尺寸比一般超高层建筑小得多,对材料性能要求也较低，从总体上说可节约材料和降低造价[2]。

综上可知,巨型结构体系的出现是必然的,它给建筑设计带来了新的灵活性。

3 . 巨型建筑结构体系形式

巨型结构体系一般可按其主要抗侧力体系的不同而分类[3]。

3.1 巨型桁架体系

高层建筑为加强抗扭刚度,抗推构件正在从中心布置转向沿房屋周边布置;为提高抗侧力体系的效率,立体构件取代了平面构件;同时为防止竖向构件出现过大拉力,应使抗侧力构件与承重构件合而为一。框筒体系既是这样的结构,但是外圈框筒由于

使用要求,立面开洞率又不可能太小,这将导致强烈的剪力滞后效应,使它不可能成为有效的立体构件而充分发挥空间作用。为减少剪力滞后效应,借鉴桁架内力特点,沿外框筒的4个面设置大型支撑。当结构在水平力作用下发生弯曲时,本由腹板和翼缘框架中的窗裙梁承受的竖向剪力改由支撑来承担,而支撑又具有几何不变性,所以基本上消除了剪力滞后现象。这样就可以将外框筒做成稀柱浅梁型,实际上这就是巨型桁架体系。巨型桁架通常由角柱及巨型斜支撑组成。暴露在立面上的巨型桁架既是主要受力结构，同时又有很强的装饰效果。巨型桁架结构出于传力明确、施工方便及美观等要求，斜支撑大都采用钢构件，因此该结构类型建筑大多为纯钢结构或钢一混凝土混合结构[4]。

3.2 巨型框架结构体系

巨型框架是将框架体系设计为主结构和次结构,主框架可以形象地比喻为按比例放大的框架,其中巨型柱的尺寸很大,有时可超过一个普通框架的柱距,形式上可以是巨大的实腹钢筋混凝土柱。钢骨混凝土柱、空间格构式桁架或是筒体,大柱一般是布置在房屋的四角和周边;巨型梁采用高度在一层左右的预应力混凝土大梁或平面(空间) 格构式桁架,一般每隔3～15个楼层设置一道大梁。主结构的大梁实际上可充当刚臂,把两边的大柱连在一起组成一个整体巨型框架,共同抵抗水平荷载作用,故也叫主框架。因其抗力力臂很大,所以抗侧刚度很大,使得整个结构具有极其良好的整体性,可有效地控制结构侧移。同时,巨型框架结构是一种大体系,可以在不规则的建筑中采取适当的结构单元组成规则的巨型结构,有利于抗震。这样,主次结构组成一种超常规的具有巨大抗侧力刚度及整体工作性能的大型结构巨型框架结构体系的出现使得建筑需要与结构布置不再矛盾,隔若干层设置的大梁自然地充当转换层的作用,使得沿竖向大小不一的空间得以自由布置。巨型结构的次结构样式可以千变万化,不仅美观,而且人们不必再担心由于结构转换而造成的对结构不利的影响。由于巨型框架结构中沿竖向可以设置数道大梁,小柱不再是主要的抗力构件,故两大层之间的小柱在竖向没必要一定连续,紧贴大梁底下的一层可不设小柱做成大空间,布置成商店、会议室、娱乐场所等公用空间,这种大空间沿竖向可做若干个,以方便人们的各种需要[5]。

3.3 巨型悬挂结构体系

巨型悬挂结构次框架不是由下部大梁来承担，而是通过钢吊杆悬挂在上部主框架大梁上。钢吊杆由于只受拉力。杆件稳定要求容易满足，因此强度可以充分用。悬挂体系通常只有主构件落地，可以实现底部全开敞空

间。

3.4 巨型分离式结构体系[6]

日本拟建的动力智能大厦(DIB一200)，高800m，地

上200层，地下7层，总建筑面积150万rn2，由12个巨型

单元体组成。每个单元体是一个直径50m、高50层(200m)

的框筒柱，1～100层设4个柱，101～15p层设3个柱，151～

200层设1个柱，每50层设置一道巨型梁。结构上设有主

动控制系统，进一步削弱地震反应。

4. 巨型结构体系存在的问题[7]图4 DIB-200智能大厦