对我国高层建筑结构的认识及未来发展浅析

对我国高层建筑结构的认识及未来发展浅析

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摘要：随着近些年我国经济飞速发展，人们对生产和生活水平的有了的较高的要求。内地高层建筑结构发展愈来愈快，表现为建筑高度不断增加、结构体系日趋复杂，钢—混凝土混合结构占相当大的比例。而我国大部分地区为抗震设防地区，必须考虑这些复杂体型的高层建筑的抗震性能，这对我国高层建筑的结构设计带来很大的挑战，应引起我们的关注。

关键词：高层建筑结构；研究设计；标准规范；展望

1我国高层建筑结构的发展及特点

1.1建筑高度不断增加

20~30年代,上海、广州陆续建造了一些高层建筑,代表性建筑如:1929年建成的22层的上海大厦,1931年建造的24层的上海国际饭店等;解放后,1959年建成了12层、474m高的北京民族饭店,1968年建成了27层的广州宾馆,70年代建成了17层的北京饭店新楼以及114m高的广州白云宾馆;80年代开始到上世纪末,随着我国经济建设的发展,兴建了100多栋高度超过150m的高层建筑。代表性建筑为:1990年建成的208m高的北京京广中心,1992年建成的63层、200m高的广东国际大厦,1996年建成的325m高的深圳地王大厦,以及1998年落成的420m 高的上海金茂大厦。据不完全统计,截至2008年底,150m以上的高层建筑已超过200栋,这些高层、超高层建筑中,300m以上的多分布在东南沿海地区,北方也有一批超高层建筑已经建成或正在设计建造中,如2007年北京建成了高度为330m的北京国贸三期,高度为337m的天津津塔预计2009年底结构封顶,其他如350m高的沈阳恒隆市府广场,383m高的大连裕景,333m高的天津嘉里中心办公楼等,正在设计建造中。据国际高层建筑与城市协会2006年出版的世界上最高的101栋高层建筑统计,落成及在建的最高的101栋高层建筑中,我国大陆有20多栋,中国大陆、中国香港、中国台湾总计33栋,美国也是33栋,数量相当,表明我国超高层建筑的数量居于世界前列。除数量增多外,超高层建筑的高度近年不断刷新,28492m高的上海环球金融中心已正式投入使用;432m高的广州西塔结构已封顶。除上述代表性超高层建筑外,使用高度580m、总高度超过600m的上海中心已经于2008年底动工。全国各地尚有一批正在酝酿兴建的高层建筑,如设计中的深圳平安金融中心塔楼桅杆顶高度将超过600m,天津117大厦总高度也将超过600m。总之,我国高层建筑的高度正在从400m向600m挺进。超高层建筑高度的不断攀高,其意义不仅仅在于高度的突破,而是带动了整个建筑业的发展,包括材料技术、设备制造技术等行业的进一步发展。超高层建筑发展是经济发展的大势所趋。

1.2 结构体型日趋复杂

由于业主和建筑师为实现建筑功能以及在建筑艺术、建筑造型方面体现创新,设计了众多复杂体型和内部空间多变的高层建筑,使得我国高层建筑的复杂程度也处于世界前列。随着国民经济的发展,高层建筑除了要满足建筑使用功能要求,越来越重视建筑个性化的体现,使高层建筑的平面、立面均极其特殊。尤其近几年,各种新的复杂体型及复杂结构体系大量出现,如体型复杂的连体结构,楼板开大洞形成的长短柱,楼板与外框结构仅通过若干节点连接,悬挑、悬

挂,大跨度连体的滑动连接等,这些复杂体型的高层建筑许多超出了现行设计规范的要求,以往的工程经验和震害资料都无法借鉴,需要进行更深入的研究。特别是许多项目采用了国外设计师的作品,但一些境外建筑师来自非地震区,缺乏抗震设计经验,有些建筑方案特别不规则。而在日本神户、中国台湾及2008年的“5.12”汶川地震中,一些特别不规则建筑受到严重破坏。我国绝大部分地区为抗震设防地区,而高层建筑集中的东南沿海地区又是台风频繁的地区,因此我国高层建筑设计绝大部分都要考虑抗震、抗风问题,加之体型日趋复杂,我国的高层建筑结构设计面临更大的挑战。

1.3 超高层建筑中钢—混凝土混合结构为主

国外高层、超高层建筑以纯钢结构为主,而我国以钢—混凝土的混合结构应用居多。据不完全统计,中国已建成的150m以上的高层建筑中,混合、组合结构约占22.3%;200m以上的高层建筑,混合结构约占43.8%;300m以上的高层建筑,混合、组合结构约占66.7%,如上海环球金融中心及金茂大厦均为钢筋混凝土核心筒,外框为型钢混凝土柱及钢柱;北京国际贸易中心三期,为筒中筒结构,外部为型钢混凝土框筒,内部为型钢混凝土巨型柱与斜撑及钢梁组成的筒体,高度330m,为我国8度抗震设防地区最高的高层建筑。正在设计建造中的三栋600m以上的高层建筑(上海中心、深圳平安金融中心、天津117大厦)全部采用混合结构。钢—混凝土混合结构之所以得到了较大发展,一方面因为其可有效地将钢、混凝土以及钢—混凝土组合构件进行组合,既具有钢结构的技术优势又具有混凝土造价相对低廉的特点;另一方面,我国现场施工的人力成本比国外低,采用混合结构比采用纯钢结构经济方面更有优势。因此混合结构是符合我国国情的超高层建筑的结构体系,预计将来混合结构仍将得到较大的发展。

1.4 一批新型结构体系涌现

随着超高层建筑的发展,近期涌现出了一些新型结构体系。已建成的330m高的北京国贸

,内筒采用了型钢、钢板混凝土巨型组合柱及型钢混凝土支撑结构体系;在建的337m高的天津津塔主要抗侧力体系由钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系组成,具有较高的抗侧刚度和延性,是目前世界上应用钢板剪力墙的最高的高层建筑;广州西塔采用了外部交叉网格结构体系,该体系具有较强的抗侧刚度及抗扭刚度,能较好地抵御风荷载和地震作用;巨型结构在超高层结构中被广泛采用,利用外框的带状桁架和巨型柱形成巨型框架,并辅以必要的外立面的斜撑,巨型柱的尺寸往往达到5m以上,有的甚至超过10m,采用型钢混凝土构件或钢管混凝土构件。随着高层建筑结构的发展,会有更多新颖合理的结构体系出现。

2我国高层建筑结构设计研究及标准规范编制

2.1 高层建筑结构设计研究

大量复杂高层建筑的出现,给结构设计带来了挑战。结合复杂高层建筑的设计,进行了大量的相关研究工作,研究内容主要侧重抗震、抗风,研究手段主要是试验研究与计算分析。关于抗震研究工作,针对我国高层建筑体型复杂和混合结构应用广泛的特点,国内相关科研院所、高校等进行了大量试验研究。结合振动台试验及模型静力试验,并利用各种计算机分析软件进行计算分析工作,完成了关于转换层、加强层、体型收进、带悬挑结构、连体结构等复杂高层建筑结构的研究应用,为我国复杂高层建筑设计提供了依据。针对混合结构应用广泛的特点,开展了系列研究工作:进行了整体模型结构拟静力试验研究及模型振动台试验研究,开展了如何增强