房屋钢结构应用的探究

房屋钢结构应用的探究

——台北101大厦

XX

（XX班，,学号XXXXXX）

1 引言

钢结构高层建筑是社会经济和科学技术发展的产物，在国外已有百年的历史。计算机技术的发展和施工技术水平的不断提高，以及城市人口集中、用地紧张以及商业竞争的激烈化，使高层和超高层建筑迅猛发展。自早期的希尔斯大厦起，在世界各地，超高层钢结构建筑相继出现，不仅仅在高度上，也在设计理念和施工技术方面不断进步，如双子塔（马来西亚石油大厦）、上海金茂大厦、台北101大厦、广州新电视塔、自由塔（美国纽约）、紫峰大厦等。下面，就以台北101大厦为例，探究钢结构在超高层建筑中的应用，尤其是在巨型结构——耗能支撑体系中的应用。

2 设计理念

1 0 1 大厦的创作构思溯源深层文化，秉承传统的东方哲学思想，以现代科技的建筑语言加以诠释，取吉祥高升、富贵饱满之含义。设计者追求回归传统，试图以中国传统之木构架重塔楼的建筑形态来塑造现代观念的摩天大厦。塔楼平面呈正方形，符合唐代四方形平面宝塔的型制，并且四隅有小阶角，以免形体过于庞大而显得呆板。平面下小上大，塔身向上收分，墙面散发着琉璃绿光。大厦外观分为九段，暗示着九级浮屠之制，塔楼顶部则接近塔刹的形状。每级分段的分解采用花瓣式对开。主塔形式较接近于山花蕉叶形，是唐宋营造法较为常见的形式，除礼佛之外，又兼有祈圣纳福之义。在本案的造型中，设计师舍弃了传统的习惯于将摩天楼统一大体量化的概念，而是采用多节式的外观，斗呈上大狭小的形状，层层相接形成竹节状，宛如竹子节节升高、柔韧有余，象征生生不息的中国传统的建筑含义。利用透明材料形成视觉的穿透效果。斜立面与多层次的结构犹如花开绽放，富贵饱满，实现一花一世界，一台一如来，台台皆世界，步步是未来的东方哲学理念。同时在细部组件中亦有咬钱龟、祥云、龙头、如意等传统图腾和中国古代建筑装饰意趣。虽然摩天楼是西方文明的产物，但与上海的金贸大厦一样，该方案在建筑形态方面亦有着浓厚的东方意味。可见现代摩天楼概念跨越东西方文化，艺术形式突破本土与国际的界限。

3 结构与构造

3.1 构造特点

结构设计配合建筑立面的变化而有所限制，再加上地基大小和建筑法规的限制，规划之后的建筑高宽比达到了62：1，已经接近纽约世贸大楼的65：1。由于处于地震带、台北受飓风的影响以及911事件带给人们深刻的反思，建筑结构体的坚固性问题成为了重中之重，致使本摩天楼的结构系统方案的选择更加具有挑战性。如采用筒中筒结构，其特点是密柱深梁，由每隔3米的外柱形成外筒，与由核心柱与核心斜撑形成的内筒通过桁架联系成为整体。如果采用巨型桁架结构系统，则由16根巨型SRC边柱，即每隔8层设置一层楼高的巨型梁，与中央斜撑核心筒连接。巨型构架的整体则类似由11个次结构所连接。经计算机模拟计算、比较评估之后，决定采用巨型桁架结构。主要考虑在相同的屋顶水平位移之下，该结构类型较为经济。同时，无论对外开窗，内部空间使用，都较筒中筒容易。巨型桁架系统可以满足强柱弱梁的需求。现场结合的接电焊量较少，不足之处是构件和细部设计较为不易。实施方案中服务核内共有16支箱型柱，每8层构件成一个组，自主构成空间，如一个11层的组合建筑，以8根巨型钢结构圈梁和高性能混凝土强化建筑结构。主楼四周每侧采用两根巨型钢柱延伸至90层，与H形梁组成抗弯构架，提供局部载重的迁移使用并提高结构强度。62层以下的箱形柱内均灌注10000psi自充填高性能混凝土，使结构整体坚固程度远超过

建筑法规之规定，可以承受2500年一遇的10级以上大地震。台北101为大型多功能综合开放项目，主要用途为金融业务。基地面积达3万㎡，是台北市繁华地段中绝无仅有的大规模方整地块。为了给市民提供活动休憩的空间，本开发方案建筑红线退缩35m，创造开放的公共空间共达2.5万㎡，建筑密度仅为49.8%。主体为 101 层摩天楼，平均单层面积为 1403-2393 平方米，皆为金融机构办公使用。为提高抗风能力并保障最佳消防安全及机电供应效率，每 8层设置一机械层，共有 11层机械层。大楼顶部为通讯塔，以顺应信息时代的需求。大楼为 SRC 钢骨加高强度混凝土结构。全栋建筑的外墙采用玻璃帷幕墙，使用双层隔热清水玻璃，仅底部采用石材。大楼地 5 层，全面开挖，单层面积达 2.4 万㎡。筏基内安放储冰槽，以提供高效经济的空调系统。裙楼有5层楼高，单层面积达约1.46万㎡，成为“台北101”购物中心。裙楼上部有高达42m的玻璃采光罩，覆盖2887㎡的室内广场，成为台北市最大规模的室内公共空间。其他楼层则以挑空走道贯穿店面，提供悠闲的逛街购物空间。

3.2 结构系统

本工程的地上结构包含一栋101层的塔楼及一栋6层的裙楼，两栋结构于地上部分以伸缩缝完全断开，地下室共有五层，且塔、裙楼相连。地上结构除了塔楼钢柱大部分皆以高强度混凝土灌注之外，其余为纯钢骨结构；地下室中B1层为SRC梁柱构造，B2至B4层为RC无梁板构造。

101层塔楼的结构系统以井字形的巨型构架(Mega Frame)为主，巨型构架在每八层楼设置一或二层楼高的巨型桁架梁，并与巨型外柱及核心斜撑构架组成近似11层楼高的巨型结构（Mega Structure）。

垂直系统：楼层中混凝土直接承载于兼具模板及结构用途的钢承板上，并与钢承板结合成复合楼板，剪力钉则将钢梁及混凝土连结成合成梁（Composite Beam），荷重传递路径则经由复合楼板、合成梁、柱及基础。柱位之规划简单归纳为内柱与外柱，服务核心内共有16支箱型内柱，箱型内柱由4片钢板经由电焊组合而成，中低层部分并以内灌注混凝土增加劲度和强度；外柱则随着楼层高度而有不同的配置，在26层以下均为与帷幕墙平行的斜柱，其每侧各配置两支巨柱及两支次巨柱，其中巨柱及次巨柱皆为内灌混凝土的长方形钢柱，另外每层配置4支双斜角柱。角柱为内灌混凝土的方形钢柱。而26层以上则在每侧配置二支铅直巨柱及6支H形斜柱，其中H形斜柱与外围边梁组成的构架配合每8层建筑立面形成一独立单元，并在建筑“斗底”处经由巨型桁架梁传递垂直力给巨柱。另外因91层至101层楼地板面积明显减下，每侧配置方形钢柱并将载重直接传递至91层以下的服务核心钢柱。

侧力系统：侧力由服务核心内的斜撑构架、内外柱之间的巨型桁架梁、外柱及外围平行帷幕墙面的抗

弯矩构架共同承担，其中巨柱、斜撑构架及巨型桁架梁提供主要的侧向劲度。服务核心内的梁柱则大部分均以斜撑相连结以提供劲度，其中外侧的正中间跨度设置一倒V形同心斜撑，边跨则配置单一斜撑，另外部分边跨的斜撑为了配合建筑楼梯或电梯开门的需求而有些微偏心，另外在八楼以下，服务核心内的斜撑构架外则设计包覆60cm厚的RC剪力墙。服务核心与巨柱及次巨柱之间，则配合建筑规划的11处机械层设置巨型桁架梁。结构系统在设计过程中被视为是以抗弯构架及同心斜撑构架组成的二元系统。

斜撑在本案中可以增强结构的整体刚度，由抗弯刚度公式可知，建筑截面刚度与截面高度的三次方成正比，而带斜撑的建筑巨型结构其截面尺寸较传统梁柱要大很多，加之斜撑的引入使得其刚度强，是常规钢架结构所不能比拟的。同时，斜撑也能增强结构的抗侧移刚度，且沿高度而上均匀分布，使传力简单，是一种较完善的抗侧力结构。根据水平地震作用的大小，斜撑建筑能调整组合，主次结构可运用不同的架构方式组合，进而能使不规则的高层建筑单元结构规则化，有利于抵抗强风及地震。除此以外，斜撑体系也具有工期短且稳定性强的优势，能很大程度上降低工程造价。

抵抗因倾覆力矩引起的拉力的是建筑物的自重。对于利用建筑物自重而抵抗倾覆力矩而言，最有效的是将建筑物的自重传递到建筑的角隅。故在建筑物角隅设置巨型柱的结构方式，可以有效地利用柱子抵抗弯矩，其效率甚至可达100%，和一般的筒体结构相比，是更为合理的结构形式。但由于柱的间距变大，其间竖向荷载向柱的传递、以及剪力的传递，都要有必须的桁架。

减震抗风系统：防震措施方面，台北101采用新式的「巨型结构」（Mega Structure），在大楼的四个外侧分别各有两支巨柱，共八支巨柱，每支截面长3公尺、宽2.4公尺，自地下5楼贯通至地上90楼，柱内灌入高密度混凝土，外以钢板包覆。