超高层建筑的结构体系

1 回顾

我们对超高层的定义进行了总结，根据CTBUH的定义，将300米以上的建筑定位为超高层建筑（Supertall），将600m以上的建筑定位超级高层建筑（M egatall）。

我们将超高层建筑结构体系主要划分为筒体结构、束筒结构、筒中筒结构、框架-核心筒结构、巨型结构、连体结构和其它一些新型结构体系等。

图1 超高层结构的体系分类

我们在上一篇中着重分享了筒体（框筒、支撑筒以及斜交网格筒体）结构体系

的特点及案例，在本篇中主要着重分享关于束筒和筒中筒（框筒-核心筒、支撑筒-核心筒以及斜交网格筒-核心筒）结构体系的受力特点及案例。

2束筒结构(Bundled Tube)

束筒可以认为是由一组筒体组成的结构，这些筒体由共用的内筒壁相互连接以

形成一个多孔的多格筒体。在这个筒体中，水平剪力主要由平行于水平荷载方

向的腹板框架来承担，而倾覆力矩则主要由垂直于水平荷载方向的翼缘框架来

承担。并且，筒体的各个筒格可在不同的高度任意截断而不削弱结构的整体性。各个筒格所形成的封闭筒体在建筑体型收进后，仍具有较好的抗扭性能。

图2 由半圆筒体和矩形筒体组成的束筒结构

束筒是在框筒的基础上发展而来。对于框筒结构，由于剪力滞后的负面影响，

较大的平面尺寸中间位置的结构不能充分参与到结构抗侧中去，这也是限制框

筒结构适用高度的一个主要原因。如果利用框筒结构来设计更高的超高层建筑，可能需要采用更小的柱距来减小剪力滞后的不利影响，例如410m高的纽约世贸中心双子塔的柱距达到了惊人的1m左右，即使这么小的柱距依然呈现出明显的剪力滞后效应。

图3 世贸中心双子塔框筒的剪力滞后效应

提出筒体结构体系的Fazlur博士在指导学生的论文时发现，如果利用通长的剪力墙将框筒长边一分为三时，由于隔板剪力墙的协同作用，大尺寸筒体的剪力

滞后效应明显降低了，其抗侧刚度也可以得到大幅提升。

图4 束筒结构的原型

如果横隔剪力墙可以有效降低长边的剪力滞后效应，那么对于大尺寸的框筒结构，在两个方向都引入横隔剪力墙，必然可以提高大尺寸框筒的整体空间作用。但是连续的剪力墙会对建筑室内空间产生较大影响，Fazlur便利用连续的抗弯

框架代替剪力墙，这便是束筒结构的由来。引入横隔剪力墙后的剪力滞后效应

如下图所示，可以看出，翼缘框架处的剪力滞后效应得到了明显改善。

图5 引入横隔剪力墙后的剪力滞后效应明显改善

从下图中可以看出，在束筒结构中，内外腹板相交处形成了多个角柱。在侧向

荷载作用下，由于楼板的平面内刚度很大，其水平隔板作用使得束筒的内侧腹

板框架与外侧腹板框架协同变形。而内腹板的角柱是由腹板直接使其受力，在

单筒结构中，这些角柱是通过外侧翼缘框架的裙梁间接受力的，在束筒结构中，这些角柱的内力要远大于单筒结构。因此，内腹板框架的存在大大降低了由剪

力滞后所产生的各柱受力的不均匀性。正交筒壁束筒的竖向应力更接近与均匀，其结构的性能比框架筒体更接近于真正的筒体。束筒内部的横向框架（内侧翼

缘框架）的受力则与外部的翼缘框架类似，受力也比较均匀。因此，由于内部

腹板框架的存在，束筒结构的剪力滞后效应大大降低，其空间作用得到进一步

发挥，抗侧效率远远高于单一的框筒结构。

图6 束筒结构的剪力滞后效应

与单一的框筒结构相比，由于束筒的抗侧效率更高，因此束筒可以容许较大柱

距和较小的裙梁。例如，410m的世贸双子塔采用钢结构框筒，柱距为1.02m，

而442m高的西尔斯大厦采用束筒结构，其柱距达到了4.6m，经济型及建筑效

果大大提高。

因为束筒的设计是将多个单筒布置在一起演绎而来，这就可能用简单地在任何

高度处终止一个筒体的办法来达到建筑体型的收进效果。相邻的筒体不一定需

要有相似的形状。一个由方形和三角形筒格组成的束筒，在概念上与两个方形

或两个三角形筒格相似。组成束筒结构的单筒可以是框筒，也可以是支撑筒、

斜交网格筒。如下图所示。

图7 多格筒体组成的束筒

束筒的一个显著优点是可以由几个单筒组合成任何图形，而且可以在任何标高

处终止而对结构的整体性没有明显影响。这一特点使得有可能形成各种形状与

尺寸变化的收进。然而，其缺点是楼面被一系列内部腹板框架划分为多个筒格。

隐藏在这种模块设计概念后面的结构原理是：内部柱列与裙梁在抵抗剪力时如

同一个巨型悬臂筒体的内腹板一样受力，这样就最大限度地减小了剪力滞后效应。如果没有内隔板的约束作用，则框筒的大部分靠近建筑平面中部的外柱在

抵抗倾覆力矩时所起的作用很难发挥出来。这种体系可以看作是在两个方向都

有着加劲内部框架的周边筒体结构体系的一种扩展。内部隔板最大限度地减小

了筒体的剪力滞后效应，使柱的轴向应力沿翼缘框架的分布更加均匀。

2.1 案例

西尔斯大厦（Sears Tower）

结构设计：SOM

结构体系：束筒结构

西尔斯大厦（Sears Tower，现称为威利斯大厦，Willis Tower），地上108层，建筑高442.1m，用钢量仅为161kg/m2，是世界上第一个采用束筒的超高层建筑。于1970年施工，1974年竣工，建成后占据世界上最高的高层建筑的头衔长达2

0年。西尔斯大厦采用3x3的束筒结构体系，每个筒体的尺寸均为22.86x22. 86m（75英尺），筒体的柱距为4.57m（15英尺）。

图8 西尔斯大厦各区的平面

底部3x3的筒体延伸到第50层，然后左上和右下两个角部的筒体被消去。到了第66层，另外两个角部的筒体到了终点，形成一个十字形的筒体形状。到了9 0层，又有三个筒体被削去，最终顶部剩下两个筒体。

图9 西尔斯大厦筒体收分示意图