談芯筒—框架體系在高層建筑設(shè)計中的應(yīng)用

吳 迪 賈國亭

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051; 2.內(nèi)蒙古第三建筑有限公司房建公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，從20世紀50年代起，人類結(jié)束了局限于土、木、磚石等原始材料的簡單砌筑方式，高層建筑在我國的大多數(shù)城市如雨后春筍般迅速發(fā)展起來。隨著建筑層數(shù)的增多，擺在建筑師面前的首要問題是如何在堅固、適用的前提下在單位面積的土地上設(shè)計出更多的建筑面積，同時，在設(shè)計中，如何降低單位面積造價成為高樓設(shè)計中迫切需要解決的問題。多年來，經(jīng)過建筑師們的設(shè)計實踐，將豎向交通、衛(wèi)生間、管道系統(tǒng)以及其他服務(wù)性用房集中布置在樓層平面核心部位，將辦公用房布置在外圈的核心式平面布局在建筑設(shè)計中被廣泛采用。經(jīng)國內(nèi)外多年的實踐經(jīng)驗證明，核心平面布置方式可以在多方面取得良好的效果:可以增大使用面積，減少外墻的長度從而達到節(jié)能的效果，同時可以大大縮短最遠房間到達核心的距離。

在建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)與造型應(yīng)該追求完美結(jié)合。沿著建筑物交通、衛(wèi)生間、管道系統(tǒng)等服務(wù)性空間形成的垂直豎井周圍，集中設(shè)置由鋼筋混凝土墻體組成抗剪力結(jié)構(gòu)構(gòu)件即芯筒。芯筒在平面當中通常作為交通的核心，因此大多數(shù)情況被布置在建筑物的中心，形成剪力核心，作為高樓結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)絕大部分的水平荷載;而建筑當中的重力荷載則由布置在外圈的框架結(jié)構(gòu)來承擔(dān)，芯筒和框架共同組成了芯筒—框架體系，水平荷載和垂直荷載由芯筒和框架分別承擔(dān)，結(jié)構(gòu)體系明確。和一般在建筑設(shè)計當中常用的框架結(jié)構(gòu)相比，芯筒—框架體系作為高層建筑的結(jié)構(gòu)體系，由于充分利用了芯筒結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點，可以建造高達55層以內(nèi)的高層建筑，而框架結(jié)構(gòu)最多限于15層以內(nèi)(一般10層)，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)也僅限于25層以內(nèi)。更高層數(shù)的建筑就須采用筒中筒、桁架筒等結(jié)構(gòu)體系了，而它們的平面布置效果卻也與芯筒—框架體系相仿。

芯筒—框架體系適用于平面形狀比較簡單，且采用核心式平面布置的高樓。芯筒在設(shè)計中其高寬比一般在4以上，若在非地震區(qū)不宜大于10，在地震區(qū)不宜大于8，以充分發(fā)揮其抗彎性能。芯筒的位置應(yīng)盡量位于結(jié)構(gòu)平面中心，以減弱扭轉(zhuǎn)振動。另外，芯筒—框架體系一個重要的特點是80%以上的水平地震作用由筒體承擔(dān)，框架柱承擔(dān)的水平地震作用之和不到總水平地震作用的20%，且筒體的抗推剛度遠大于框架，整體結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時的層間位移遠小于框架體系。

芯筒—框架體系按照柱梁布置分類，分為芯筒—稀柱框架、芯筒—密柱框架和芯筒—雙柱框架。稀柱框架的柱間距一般大于7 m，這樣可以在較大的樓層面積中取消柱子，增加了房間使用的靈活性。密柱框架的柱間距則在4 m左右，密排柱與每層樓板處較高的窗裙梁拉接組成一體結(jié)構(gòu)，這樣可以建造較高層的建筑物(可以高達55層)。芯筒—框架體系應(yīng)用在各種形狀的建筑平面中，常見的有矩形、六邊形、三角形、圓形等。其典型的平面布置方式是將角柱的面積增大或變形為L形。有時為了進一步提高結(jié)構(gòu)的抗推剛度和抗扭剛度，除芯筒外，另在樓層平面角部，沿外圈框架每邊增加一片抗震墻。有的則采用帶翼墻的鋼筋混凝土芯筒—框架體系，可以進一步提高主體結(jié)構(gòu)的抗推剛度和水平承載力。

采用芯筒—框架體系的建筑實例有很多，具代表性的有上海聯(lián)誼大廈(見圖1)、南京金陵飯店(見圖2)、青島保險公司營業(yè)辦公樓等。

建成于1984年的上海聯(lián)誼大廈是高層辦公大樓，樓高107 m，地上28層，地下2層，總建筑面積2.8萬m2。1985年5月交付使用，是上海市對外開放后的第一幢現(xiàn)代化寫字樓。芯筒的墻體厚度為250 mm～400 mm;一般矩形柱的斷面尺寸為1.2 m×1.2 m，角柱設(shè)計為外側(cè)邊長2.0 m、厚1.0 m的L形截面。各層樓蓋均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁式板，板厚100 mm;一般梁的截面尺寸為400 mm×500 mm，最大梁的截面尺寸為300 mm×1 500 mm。

建成于1982年的南京金陵飯店是一幢高層旅館建筑，樓高108 m，地上36層，地下3層，總建筑面積 3.8萬 m2。1983年10月開業(yè)，是中國十佳飯店及南京第一家五星級酒店。典型樓層采用31.5 m×31.5 m方形平面，內(nèi)圈芯筒亦采用12.8 m ×12.8 m方形平面;芯筒周邊的墻體厚度為250 mm～500 mm;內(nèi)圈矩形柱的斷面尺寸為650×650～750×750，外圈框架柱截面尺寸為550 mm×600 mm，是典型的芯筒—框架體系。

興建于1988年的青島保險公司營業(yè)辦公樓，標準層的平面形狀為等邊三角形切角后所得的六邊形。樓高66 m，地上19層，地下2層，總建筑面積0.99萬m2。芯筒周邊墻體的厚度，頂層為200 mm，底層為350 mm;一般矩形柱的斷面尺寸為700 mm×700 mm，最大矩形柱的斷面尺寸為800 mm×800 mm;各層樓蓋均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁式板，板厚120 mm～130 mm;一般梁的截面尺寸為350 mm×550 mm，最大梁的截面尺寸為400 mm×1 200 mm。

高層建筑是社會發(fā)展到一定程度出現(xiàn)用地緊張的產(chǎn)物，是現(xiàn)代社會工業(yè)化、商業(yè)化和城市化的必然結(jié)果?？茖W(xué)技術(shù)的進步為高層建筑發(fā)展提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)，對于建筑結(jié)構(gòu)和材料認識的不斷加深必然會催生新的建筑結(jié)構(gòu)形式。高層建筑結(jié)構(gòu)的選擇在努力貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀的進程中將會為我們作出最好的詮釋。

[1] 劉大海，楊翠如.高層建筑結(jié)構(gòu)方案優(yōu)選[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1996.

[2] 劉建榮.建筑構(gòu)造(下冊)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.