浅谈超高层建筑结构体系的选型与优化

浅谈超高层建筑结构体系的选型与优化

发表时间：2017-11-18T16:07:05.493Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第16期作者：杨振宇

[导读] 随着社会经济的高速发展，人口的迅速增长以及土地资源的日益紧张，建筑也日趋超高层化。

上海 200000

摘要：随着社会经济的高速发展，人口的迅速增长以及土地资源的日益紧张，建筑也日趋超高层化。随着建筑高度的增加，结构自重越来越大，同时水平风荷载也显得尤为突出。因此，超高层结构的优化设计具有十分重要的意义。本文以超高层结构为研究对象，通过结构优化的基本概念，选择合理的结构设计方案。

关键词：超高层；结构优化；体系选型；高宽比；加强层；外框柱选型

1、超高层建筑的现状

现代社会经济与科学技术发展迅速，新型建筑材料的出现，结构体系的不断创新，计算机技术的发展和施工水平的持续提高，使超高层建筑得到了迅猛发展；世界最高建筑的记录不断被刷新，目前的世界第一高楼——迪拜塔（哈利法塔），高达828米，共160层，成为了现代经济与技术发展的有力见证；在超高层建筑设计中，结构体系的选型与优化，影响着建筑的安全性与经济性，对超高层建筑的设计和施工都具有十分重要的意义。

2、超高层结构类型及特点

顾名思义，高层建筑的特征在于“高”。房屋高度是指室外地坪至房屋主要屋面的高度，高层建筑依据房屋高度大致可以分为以下几类：一般高层建筑：24~60米；中高层建筑：60~100米；超高层建筑100米以上；超高层建筑根据所采用的结构材料可分为三类：钢结构、混凝土结构、钢-混凝土混合结构；

其中钢结构的优点是强度高、自重小、抗震性能好、施工速度快，但造价较高、施工精度要求高、防火性能差。混凝土结构优点是可塑性强、用钢量小、取材方便、施工简便、造价低、维护成本低；缺点是自重较大，施工速度慢、构件占用空间大、需要支模施工；混合结构是钢结构、混凝土结构组合而成的结构体系，组合形式多种多样，结合了上述两者的优点，降低了用钢量及自重、施工便利；混合结构综合了成本、性能、施工等方面要求，也是目前应用最多的超高层结构类型。

众所周知，影响高层结构设计尤其是超高层结构设计的主要因素是水平力，既水平风荷载和地震荷载，那么判断一个超高层结构方案的好坏，就要看他的抗侧力体系，是否能高效的抵抗水平力；

在超高层建筑里比较常见的几种抗侧力体系：框架核心筒、巨柱核心筒、筒中筒等，其中框架核心筒使用的最多，其核心筒一般为钢筋混凝土剪力墙，为增加结构延性或控制轴压比可以加设型钢，高度超过一定范围可以设置加强层来控制位移，外框柱也有多种选择：钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱、钢管混凝土柱等等；加强层和外框柱的选型后文详细分析。

3、超高层经济性

评判一个结构体系的经济性，经常采用含钢量作为指标；含钢量，既单位面积钢筋含量，以工程中钢筋总用量除以面积得出，含钢量和工程造价息息相关，其指标更是考核设计水平和成本控制的有效工具；合理选择结构体系和结构布置，可大大降低结构含钢量，如102层的纽约帝国大厦，采用框架剪力墙结构，用钢量206公斤/平米；而110的芝加哥希尔斯大厦，采用筒体结构，用钢量仅161公斤/平米，相差近20%；

影响结构含钢量的主要因素：

①建筑物的体型、平立面规则程度、层高、柱网布置、地下室覆土厚度；

②结构类型、基坑支护类型、桩基类型、底板类型；

③结构计算参数选取、合理的计算模型、材料选用和荷载取值、构造措施等；

4、超高层结构优化

⑴优化思路

①方案阶段、通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内；将结构概念设计贯穿于建筑方案阶段，能逐步引导建筑专业向有利于结构体系更合理的方向发展；

②初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础形式等内容的多方案技术经济比较，选出最优方案；

③计算过程中，通过精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态，进一步降低用钢量；

④施工图阶段，通过精细的配筋设计抠出多余钢筋，将含钢量降至最低；

⑵优化要点

①合理的高宽比：一般内筒高宽比10~12、外筒高宽比6~8较为合理，外筒高宽比超过8会给结构设计带来一定难度，高宽比超过9的超高层结构，设计上会非常困难，当然还要结合项目所在地的自然条件——地震设防烈度和风荷载；例如深圳京基大厦，高439m，高宽比9.5，本身难度就大，深圳又是七度区，风荷载也大，所以采用了三道伸臂桁架、五道腰桁架，还加了斜撑，风荷载下的弹性层间位移角是1/470，仍不能，满足规范1/500的要求，是唯一一个未达到位移要求的100层超高层；再有天津高银大厦，主结构597m，高宽比9.7，天津设防烈度7.5，风荷载也大，自然条件很差，最后采用了矩形框架加斜撑的结构形式；

②加强层的设置

加强层设置的关键是伸臂桁架和腰桁架：腰桁架作用是加强外框柱的联系，使其均匀工作；伸臂桁架是协调内筒与外框柱，减小侧向变形；加强层的布置有利有弊，在满足相关指标的前提下，应该尽量不设或少设；设置位置应通过精细计算、通过敏感性分析选择效果最好的楼层，不能只为算够指标而随便设置；

关于腰桁架与伸臂桁架设置的优先级，一般应先采用腰桁架，从高区到低区，若位移仍不满足，再设置伸臂桁架，伸臂桁架设置在高

度的黄金分割位（0.618）一般效果最好，对位移和刚度的贡献最大。

③外框柱选型

钢筋混凝土柱：最常见的结构柱类型，截面尺寸较大，用在超高层上影响建筑美观和使用功能，好处是施工简单、造价较低；

型钢混凝土柱：截面尺寸有所缩小，技术成熟，应用广泛，梁柱节点施工较复杂，造价略高；

钢管混凝土柱：截面尺寸适中，抗震性能好，混凝土梁与钢柱节点复杂但钢梁与钢柱连接简单，不需要支模拆模但需要防火防腐涂料，造价较高；

外框柱还有钢管叠合柱、钢管约束混凝土柱等多种类型，在具体项目中应综合各方面因素，如建筑使用要求、施工便利性、成本造价等，选取符合项目需求的外框柱类型。

5、结语

合理的结构体系是多方面因素综合考虑的结果，结构优化并非用降低安全度来换取经济效益，而是在满足规范要求、保证结构安全和建筑品质的前提下，通过合理的结构体系选型、科学的计算论证，结合工程实际，达到降低结构造价的目标。

参考文献

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