《高层结构设计》+-+01引言.pdf

引言
城市中的高层建筑是反映这个城市经济繁荣和社会进步的重要标志，当人们谈起举世闻名的摩天大楼时，往往和芝加哥、纽约、上海这样的国际大都市联系在一起，足以说明高层建筑对城市社会形象的贡献。

进入20世纪90年代以来，随着社会与经济的蓬勃发展，特别是城市建设的发展，要求建筑物所能达到的高度和规模不断增加，例如目前世界上高度超过300m的建筑已达到几十栋，国际上正在筹划的100～300层的巨型建筑其高度均超过400m，中国目前已建成并投入使用的上海金茂大厦高度为420.5m，已建成并投入使用的位于马来西亚首都的石油大厦高度达451.9m，已经超过了美国芝加哥443m高的西尔斯大厦。

高层建筑在全球范围内突飞猛进的建设，从科学技术方面看，得益于力学分析方法的发展、结构设计和施工技术的进步以及现代机械和电子技术的贡献。

上海环球金融中心复工可行性分析停工5年之久的世界第一高楼——上海环球金融中心于本月13日重新启动，且楼高从原先设计的466米提高到492米。

停工多年的高楼终于复工，但自筹建以来的七八年时间里，与这座摩天大楼如影随形的诸多争议和疑问却并没有消除。

不少专家、学者及业内人士提出自己的疑惑：在摩天大楼不经济已成为共识的今天，建世界第一高楼是否有必要？大楼的安全、赢利是否有保证？大楼顶端原圆形孔设计类似日本太阳旗，造型是否妥当等？
1. 必要性
上海要建摩天大楼群的决心由来已久。

10年前浦东开发规划刚刚完成时，上海市政府就在陆家嘴黄金地带预留出3块空地，准备建设3座摩天大楼，其中金茂大厦就是第一座顺利启动建设的。

几乎在金茂大厦开建的同时，日本森大厦株式会社就提出在金茂东侧的空地上建设世界第一高楼环球金融中心，后经过审批立项，除去这两幢外，现在在金茂大厦西侧还有一块空地在等待开发。

如果若干年后，浦东出现3座比邻而居的摩天大厦，再加上四周林立的高楼，浦东将成为中国摩天大楼最集中的地区。

而这10年里，世界上关于超高层建筑的种种争议也在进行，尤其在西方，建设摩天大楼的热潮已经逐渐消退。

尤其是发生在2001年9月11日的那场世界噩梦，让许多人提出了疑问：我们真的需要摩天大楼吗？
超高层建筑的开发往往存在不少问题，由于电梯所占空间太大，造成成本增加有效利用面积减少，在建筑界、经济界，摩天大楼的不经济已经成为共识。

而且超高建筑往往建在发达城市的市中心，地价昂贵，有的专家将摩天大楼称为“资本黑洞”，不仅启动资金庞大，开发资金也高得惊人。

开发商顺利收回投资的风险很大。

2. 安全
除经济因素外，摩天大楼过于密集造成的光污染、气旋等问题都引发争议，如果3幢摩天大楼比肩而立，附近马路上的行人走过，会不会因为形成风洞而发生危险？此外，2001年的“9.11”事件也让人担心，一旦浦东崛起两座甚至3
座摩天大楼，会不会成为恐怖分子的目标？一旦发生飞机撞击以及火灾等意外，在大楼上的人是否能够安全撤离？
但这些，似乎都挡不住上海从高层领导到普通市民建造世界第一高的决心。

主管浦东开发的上海副市长表示它的重新启动将是浦东新的起点，新的希望。

3. 赢利
周围高楼林立，世界第一高楼能够赢利吗？从环球金融中心的复工，人们自然地联想到了它的邻居金茂大厦。

金茂大厦今天的生存状况，无疑会对环球世界金融中心的明天有着不小的借鉴意义。

去年8月，金茂大厦曾传出消息，因为运营成本过高，每天一开门，就要花掉100万人民币，金茂陷入困境，14家股东人人想卖。

环球世界金融中心建成后，能不能赢利？这是一个未知数。

环球金融中心工程停顿5年，缺乏资金固然是主要原因，投资方对上海房地产市场存在担心而迟迟不敢贸然动工也是一个原因。

尤其是金茂大厦开业初期的经营状况不佳，也让日本投资方一直处于观望状态，这两年上海经济发展势头不错，房地产市场回暖，又加上世博会等好消息，才坚定了投资方的信心。

4. 造型
原顶端设计类似日本太阳旗，造型是否妥当？
2月13日，最终出现在众人面前的环球世界金融中心的模型，比起1997年开工时竖在工地外墙上的效果图除了高度不同外，外形上还有一个细节上的变化，就是在顶部的圆形孔下部，多了一座观光天桥。

在发布会上，日方解释这个变化的理由时说：“加上这座天桥，是因为考虑让金融大厦的观光功能更佳，而且这样也更加美观。

”但是很多对这座大厦的筹建了解内情的人都知道，这里面有个牵涉到民族感情的争议。

当1995年环球世界金融中心的造型设计出来时，就曾经引起业内人士一片哗然：下午的时候，阳光恰好可以通过这个圆洞折射进来，血红血红的，很多人都觉得像日本太阳旗；不光是顶部的圆洞，就连整个造型也引起了争议，大厦上面是削尖的，中部有点椭圆，底部10层又是垂直的，非常像刀柄，不少人都感觉整个大厦像一把日本军刀。

大厦的设计方是大名鼎鼎的美国KPF公司，据介绍，环球世界金融中心的设计灵感，来自于中国传统文化中对于“天地”的理解，正是天圆地方的意思，此外50米的“圆洞”直径就是不远处“东方明珠”第二个球的大小。

虽然是美
国公司设计的，但是因为日本公司是投资方，投资方完全有可能提出造型要求，而且森大厦株式会社本身就参与了这项工程的造型设计。

据说，上海的有关部门也注意到了这次造型之争，当时的有关领导曾经就造型问题与日方交流过。

后来，在设计方案上，在圆洞下部出现了一座天桥，争议在一定范围内变小了，但是还是有不少人觉得，造型并没有实质上的改变。

在网上，这座大厦的模型照片刊登后，也引起了许多网友的不满。

讨论题1：
在纽约世界贸易中心双子星大楼遭飞机撞击后，许多人都没有想到大楼会倒塌，更没想到两楼很快便夷为平地。

为此，人们不禁要问：钢筋铁骨铸就的大厦，为何禁不起一撞？许多人不理解，恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？
很多专家通过观看大楼倒塌的录像认为，虽然飞机冲撞对大楼确实造成了一定的破坏，但随后燃起的大火才是造成楼房倒塌的直接原因。

清华大学教授吴焕加在接受记者采访时说，冉冉烈火使大楼的钢铁支架几近熔化，最终导致大楼失去支撑而轰然倒塌。

他说：“即便是飞机猛撞向大楼，它也不至于倒塌。

不过，飞机上载有数量巨大的汽油，燃起的大火使楼墙中的部分钢筋熔化了。

”
超高层建筑无法回避的固有缺陷，使纽约世界贸易中心这样高水平的大楼还是未能躲过彻底毁灭的命运。

超高层建筑必须使用钢材建造，而钢材有一个致命的缺点，就是遇高温变软，丧失原有强度。

为避免因此引发灾难，建筑钢材上都涂有防火涂料等防护物，然而这样低水平的防护，对付一般的小灾小火还可以应付，可遇到如此猛烈的灾难，钢材防火涂层根本不可能应付。

据专家介绍，这两座大楼当初设计时考虑到耐冲击的因素，但它却对大火和爆炸无能为力，如果飞机撞在大楼的底层，消防部门完全可以控制火势的蔓延，阻止悲剧的进一步发展。

清华大学土木工程系教授钱稼茹向记者介绍说，世贸中心钢结构的钢柱非常密集，结构设计在当时是世界上很先进的。

为什么1943年美国的一架军用飞机撞击帝国大厦时没有造成大楼倒塌，而且帝国大厦建成年代比世贸中心早40年？一方面是因为该飞机引发大火；另一方面帝国大厦结构的防火性能比世贸中心好。

帝国大厦为钢筋混凝土结构，在钢的外面包了一层混凝土，其防火性能比世贸中心在钢结构表面涂防火涂料的效果好。

这次撞击大楼的波音757飞机可载35吨燃油，波音767飞机可载51吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油，在起飞后这些飞机很快改变航线撞击纽约世界贸易中心大楼，机上燃油消耗很少，几乎将它们满满一飞机的优质航空汽油都撒到了大楼里，燃起了熊熊大火。

专家指出，装满油的757客机，简直就是一颗超级大“飞弹”。

根据换算，
一架757客机，载重20吨，加上35吨的飞机总重量和油料，再加上900公里的飞行速度等于49.5万吨，总共相当于2万公斤的黄色炸药。

如果想要摧毁50层的大楼，只要800公斤的黄色炸药，就已足够，因此，2万公斤的炸弹威力，再加上高速冲击，所造成的损失更是难以估计。

因此，双子星大楼被撞击后，结构已经严重受损，又身陷近2000度高温的火海，使得支撑的钢架被熔化，上面楼层一层接一层坍塌，在钢铁与水泥重量压挤下，整栋大楼就此夷为平地。

专家们普遍认为，虽然飞机冲撞向大楼确实造成了一定的破坏，但随后燃起的大火则是造成楼房倒塌的直接原因。

讨论题2：
摩天大厦曾代表了工业文明和科学技术的骄人成就，因而在20世纪，许多国家和地区热情地投入对摩天大楼高度的竞争。

2001年发生的纽约恐怖主义袭击事件，凸显了现代社会的安全问题，摩天大楼自身的安全也成为人们反思的热点，然而，我国的建筑界却不为所动，摩天大楼的竞赛仍然十分激烈。

最近，北京市在朝阳区建设“中央商务区”的规划已定，要建造一批高300米左右的超高层建筑，其中国贸中心三期工程高330米，财富中心高257米，银泰大厦高248米，而这一地区原先的控制高度是60至100米；并准备在北京奥运村中心地带建造的世贸大厦（俗称“双塔”），规划高度500米，建筑面积60万平方米，总投资70亿元，如果建成，其高度将超过452米高的吉隆坡“双塔”，成为“世界第一”。

上海传来的最新消息，将在2005年在浦东陆家嘴建成高度为466米的上海环球金融中心，夺取“世界第一”的桂冠。

全国各地争创本地“最高”的攀比更是层出不穷。

和半个世纪以前不同，以今天的科学和工程技术，建筑更高的大厦已经没有什么困难，不再是什么了不起的奇迹或挑战。

随着知识经济、网络经济时代的到来，摩天大楼作为传统工业文明和资本权力的“地标”，它的文化象征意义也已陈旧。

对于一个理性的建设者和投资者，今天不应该主要去为满足自豪感，而应将建筑的实际功用放在首位。

正是在这方面，摩天大楼是不能令人满意的。

一座500米高的超高层建筑相当于把一条大街竖起来，各种困难远远超过一般建筑。

它昂贵的造价和维护费用、经济实用性，尤其是防火、防震等安全性能，都一直令人担忧。

高420.5米、位居中国第一和世界第三的浦东金茂大厦，一直是国人的骄傲，但它的困惑和问题却鲜为人知：每平方米造价为2万元，建设总投资50亿元，其中24亿元为贷款，还贷的压力十分沉重；而管理经费比建造投资要大得多，如果大厦使用寿命以65年计，管理费用大约是建设投资的3倍。

目前，金茂大厦仅日常的管理维护费用每天就需100万元人民币。

两架擦窗机一天到晚不停地
擦，擦完一遍窗需要一年。

因而，建筑界人士认为，高度超过300米，在庞大的维护管理费用面前，摩天大楼已经失去了节约用地的经济意义。

马来西亚的“双塔”也给我们启示。

1996年马来西亚“双塔”落成之后不久，亚洲金融风暴无情袭来，“世界最高”未能挽回经济颓势。

如今，双塔之一为产权人马来西亚国营石油公司使用，另一塔供出租，但出租率并不理想。

它甚至也未成为旅游景点，因为旅游者大多只是为了观赏历史和宗教文化而来。

中国需要为摩天大厦降温，且需要大大降温。

在社会经济和建筑潮流正在转向的新世纪，我们不应该如此盲目地去模仿、追捧这一陈旧的时尚！更重要的是，作为一个发展中国家，我们既不应这么奢侈，也冒不起这个险。

火灾、地震、大风、雷击……都是高楼的安全隐患，火灾更是其中最大的隐患。

因此，住高楼要进行防火、防震、防风和防雷。

防火：在我国，有不少高楼存在着火灾隐患，高楼大火时有发生。

1985年4月19日，哈尔滨市天鹅饭店第11层着火，死亡10人，受伤7人；1990年1月10日，新疆奎屯市商贸大厦起火，大火足足烧了6个小时，整幢大楼的商品全部付之一炬；1992年3月21日，沈阳市21层的金三角大厦起火，经济损失高达43万多元……
防震：我国高楼的抗震能力总体良好，但也有缺陷，比方说，发达国家一般要在高楼中安装隔震、减震措施，以减少地震对高楼的破坏，这些措施大概能减少地震烈度1度左右。

但在国内已经建成的高楼中，有隔震、减震措施的连1％都不到，即使是刚颁布的《防震减灾法》，也没有明确规定要对高楼采取特殊的抗震措施。

防风：楼越高，经受的风力就越大。

纽约世贸中心在大风飞扬时甚至会偏离中心1.2至1.5米！时下，国内高楼的静态设计已经过关，加上气象预报的成功率很高，万一风暴来临，人们有时间早做准备，因此国内高楼在防风方面做得比较出色。

防雷：目前我国高楼多采用笼式避雷系统，这种系统对于建筑本身的防护较好，却难以防护房内的电子设备。

受力特点
整体工作特性：
在低层结构的设计中，常采用将整个结构划分为若干平面结构，按间距分配荷载，然后，逐片按平面结构进行力学分析和设计。

然而，这种分析和设计方法对高层建筑并不适用。

高层建筑在水平荷载作用下，各楼层总水平力是已知的，但这水平力如何分配到各榀框架、各片剪力墙上却是未知的。

由于各抗侧结构的刚度、型式不同，变形特征亦不同，故不能简单的按受荷面积分配，否则会使抗侧刚度大的结构分
配到的水平力过小，偏于不安全。

高层建筑的整体工作特性，主要是由各层楼板作用的结果。

楼板在自身平面内的刚度是很大的，几乎不产生变形，故在高层建筑中，一般都假定楼板在自身平面内只有刚体位移，不改变形状，并不考虑平面外的刚度，因而，在高层建筑中的任一楼层高度处，各抗侧结构都要受到楼板刚度移动的制约，即所谓的位移协调，此时，对于抗侧刚度大的竖向平面结构，必然要分担较多的水平力。

水平荷载影响大：
结构要同时承受垂直荷载和水平还要抵抗地震作用。

在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；在多层结构中，水平荷载的效应（内力和位移）逐渐增大；而到高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。

下图是建筑物高度与荷载效应的关系。

从图中可以看出，随着高度增大，位移增加最快，弯矩次之。

高层建筑设计不仅需要较大的承载能力，而且需要较大的刚度，使水平荷载产生的侧向变形限制在一定范围内，这是因为：
1. 过大的侧向变形会使人不舒服，影响使用。

这主要是指在风荷载作用下，必须保证人在建筑物内正常工作和生活。

2. 过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形。

变形限制的大小与装修的材料、构造做法有关。

在地震作用下，虽然可以比风荷载作用下适当放宽变形限制，但由于这些非结构性的损坏会使修复费用很高，且填充墙等倒塌也会威胁人的生命和安全，因此，对地震作用下产生的侧向变形也要加以限制。

3. 过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至破坏。

限制侧向变形也就是限制结构的裂缝宽度及破坏程度。

4. 过大的侧向变形会使结构产生附加内力，甚至引起倒塌。

这是因为建筑物上的垂直荷载在侧向变形下将产生附加弯矩。

构件需考虑多种变形的影响：
结构构件在外力作用下产生的位移，包括弯曲变形、轴向变形和剪切变形三部分。

通常在多层结构的分析中，可只考虑弯曲项，轴向和剪切项的影响较小，一般可不考虑，而高层建筑由于层数多，轴力大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会对高层结构的内力产生很大的影响；此外，高层建筑中的柱和剪力墙的截面也往往很大，此时，剪切变形的影响也不可忽略。

高层建筑新的结构体系
悬挂结构：
以核心筒、刚架、拱等作为主要承重结构，全部楼面均通过钢丝束、吊索挂在上述承重结构上面，形成一种新型的结构体系。

巨型框架结构：
巨型框架结构是一种大框架和小框架的组合体。

大框架即巨型框架利用筒体作柱子，大框架的梁即为巨型梁（巨型梁的间距为几个楼层或十多个楼层，巨型梁的截面高度一般为一个楼层或几个楼层高），筒体和巨型梁组成巨型框架结构，亦即大框架；在大框架内再套有小框架，所谓小框架，即由普通尺寸的梁、柱构成普通层高的次框架，小框架不抵抗侧向力，只承受竖向荷载并将它传递给巨型框架梁。

深圳37层亚洲大酒店即为此种结构体系。

巨型桁架结构：
由巨型斜杆组成巨型桁架，作为高层建筑的主体结构。

香港中国银行大楼即为巨型桁架结构。

刚性横梁或刚性桁架结构：略。