談高層建筑的發(fā)展

武 濤 段曉旭 許相宜

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

談高層建筑的發(fā)展

武 濤 段曉旭 許相宜

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

簡述了高層建筑古代與現(xiàn)代的發(fā)展歷程，對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)及筒體結(jié)構(gòu)兩種常用的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了研究，并探討了高層建筑的施工技術(shù)，對(duì)促進(jìn)高層建筑新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料的產(chǎn)生具有深遠(yuǎn)的意義。

高層建筑，結(jié)構(gòu)體系，施工技術(shù)，發(fā)展

多高的建筑才可以稱為高層建筑，世界各國根據(jù)本國自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的差異而有自己的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。例如，在英國，把高度不小于24.3 m的建筑視為高層建筑；在日本，規(guī)定31 m或8層及以上的建筑視為高層建筑；在美國，把24.6 m或7層以上的建筑視為高層建筑；在我國，根據(jù)JGJ 3—2010高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定10層及10層以上或房屋高度大于28 m的住宅建筑以及房屋高度大于24 m的其他高層民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)視為高層建筑。于1972年在美國賓夕法尼亞州伯克利市舉行的國際高層建筑會(huì)議上則第一次對(duì)高層建筑給出了較為一致的定義。在此次會(huì)議上認(rèn)定高層建筑應(yīng)分為四類：

第一類高層建筑：9層～16層(最高到50 m)；第二類高層建筑：17層～25層(最高到75 m)；第三類高層建筑：26層～40層(最高到100 m)；第四類高層建筑：40層以上(高度在100 m以上)。

1 高層建筑的發(fā)展歷史

1.1 古代高層建筑的發(fā)展

高層建筑的發(fā)展具有悠久的歷史，在我國古代就已經(jīng)開始出現(xiàn)高層建筑。例如：建于公元523年的河南登封縣嵩岳寺塔，共10層，塔高40 m，采用磚砌單筒體結(jié)構(gòu)；又如：于公元1055年建于河北定縣的料敵塔，采用十分罕見的磚砌雙筒體結(jié)構(gòu)，總高度達(dá)到82 m，11層。國外高層建筑在古代也已經(jīng)出現(xiàn)，例如：在古羅馬帝國時(shí)期，部分城市就開始使用磚石承重結(jié)構(gòu)修建了10層左右的建筑。更有甚者，在公元1100—1109年間，意大利的Bologna古城先后修建了41座采用磚石承重的塔樓。其中最高的塔樓已達(dá)到98 m。以上有關(guān)高層建筑的例子無一不體現(xiàn)了我國古代勞動(dòng)人民以及世界人民的聰明才智、對(duì)于高層建筑設(shè)計(jì)深入的認(rèn)識(shí)以及高超的施工技術(shù)。

1.2 現(xiàn)代高層建筑的發(fā)展

現(xiàn)代高層建筑的萌芽真正起源于1883年在美國芝加哥修建的11層保險(xiǎn)公司大廈，此建筑的結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，第一次采用鋼筋和鐵柱的組合體系來承受全部荷載，外墻只承受自重，它開辟了現(xiàn)代高層建筑設(shè)計(jì)手法的先例，是現(xiàn)代高層建筑的始端。這是高層建筑發(fā)展的第一階段，又稱之為萌芽階段。在此之后，高層建筑的發(fā)展又歷經(jīng)了兩個(gè)階段。

第一階段自19世紀(jì)末至20世紀(jì)50年代，此階段為現(xiàn)代高層建筑發(fā)展的初始階段。在此階段中，首次在高層建筑中采用鋼、鋼筋混凝土框架，并且首次出現(xiàn)了剪力墻承重結(jié)構(gòu)和鋼支撐結(jié)構(gòu)，使建筑的使用空間得到了大幅提升。在此階段中，受到建筑材料單一(多為混凝土)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論不完善的影響，建筑往往自身重量過大，且以框架結(jié)構(gòu)為主，形式上缺乏創(chuàng)新。

第二階段為20世紀(jì)50年代至今，此階段為近代高層建筑的快速發(fā)展階段。由于第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束，世界經(jīng)濟(jì)迅速恢復(fù)和發(fā)展，大量人口涌入城市，使得建筑用地日益緊張，高層建筑又一次回到人們視線當(dāng)中。在此階段中，世界上很多國家都對(duì)高層建筑技術(shù)進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性研究使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論日趨完善。例如：著名的美國結(jié)構(gòu)專家弗茨勒·漢提出了對(duì)鋼筋混凝土及鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展都有促進(jìn)作用的筒體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念。同時(shí)，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用、材料科學(xué)的迅速發(fā)展以及新的施工技術(shù)的出現(xiàn)，都為高層建筑的進(jìn)一步發(fā)展提供了可能，同時(shí)也促進(jìn)了超高層建筑的產(chǎn)生。現(xiàn)今世界最高的10棟摩天大樓見表1。

表1 現(xiàn)今世界最高的10棟摩天大樓

2 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

限制高層建筑發(fā)展的一個(gè)重要因素就是建筑的結(jié)構(gòu)體系，為了使結(jié)構(gòu)體系適應(yīng)高層建筑的發(fā)展趨勢，國內(nèi)外專家、學(xué)者先后提出了一系列結(jié)構(gòu)體系。由最初的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)到筒體結(jié)構(gòu)再到多筒體結(jié)構(gòu)、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)。這一系列結(jié)構(gòu)體系的革新為高層建筑突破新高度提供了保障，為超高層建筑的發(fā)展創(chuàng)造了條件。現(xiàn)僅對(duì)國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的兩種結(jié)構(gòu)體系：框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)做簡要介紹。

2.1 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)又稱框剪結(jié)構(gòu)，它是在框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上通過布置一定數(shù)量的剪力墻來承受由于風(fēng)荷載和水平地震力作用而產(chǎn)生的水平荷載，豎向荷載則由框架承受。這種組合下，剪力墻位置不固定，可以靈活的分割使用空間，滿足不同的使用功能。同時(shí)由于剪力墻的存在，使體系的剛度和承載力比純框架高很多，減小了側(cè)向變形。剪力墻的布置應(yīng)遵循一定的規(guī)則。首先，剪力墻應(yīng)該均勻?qū)ΨQ的在建筑中布置；其次，剪力墻應(yīng)該盡量與框架柱緊鄰，特別是在轉(zhuǎn)角處以擴(kuò)大剪力墻的剛度和抗扭能力；再者，剪力墻宜沿建筑通高布置且墻厚可逐漸減薄。

2.2 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)是為了適應(yīng)超高層建筑的發(fā)展在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)與全剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。它將剪力墻及框架柱分別集中布置于建筑結(jié)構(gòu)的外圍或內(nèi)部而形成筒體。按照外筒及內(nèi)筒承重形式的不同又可分為筒中筒、框筒、筒體—框架、束筒四種形式。其中，筒中筒結(jié)構(gòu)中內(nèi)筒為剪力墻結(jié)構(gòu)，外筒則為柱距小于3 m的密柱，兩者間用樓板連為一體，抗側(cè)移剛度大并具有良好的抗扭剛度，內(nèi)部空間布置靈活。但因?yàn)橥馔矠槊苤?，使底層入口布置較難，為解決這一問題常在底層部分設(shè)承托大梁，將底層密柱轉(zhuǎn)化為稀柱，費(fèi)用相對(duì)較高。

3 高層建筑的施工技術(shù)

高層建筑的迅速發(fā)展也促進(jìn)了高層建筑施工技術(shù)的進(jìn)步，并使其成為一門獨(dú)立的學(xué)科而引起了人們高度的重視。高層建筑施工技術(shù)主要包括基礎(chǔ)工程施工技術(shù)、混凝土施工技術(shù)、模板工程施工技術(shù)、鋼筋連接技術(shù)等內(nèi)容。在基礎(chǔ)工程方面，高層建筑多以樁基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)為主。其中樁基礎(chǔ)近年來發(fā)展迅猛，長110 m，直徑2.5 m的灌注樁已變成現(xiàn)實(shí)，與之相匹配的支護(hù)結(jié)構(gòu)、深層降水問題也得到了妥善解決。地下連續(xù)墻是常用的支護(hù)技術(shù)，輕型井點(diǎn)則是常用深層降水方法。在混凝土施工方面，高強(qiáng)混凝土的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)剛度上升。近年來隨著緩凝劑等一批外加劑的使用，使得混凝土的性能得到改進(jìn)。同時(shí)，保溫防裂措施的引入使混凝土裂縫得到了有效控制。混凝土輸送泵的出現(xiàn)使混凝土施工機(jī)械化水平得到提高。在模板工程方面，國內(nèi)的支模形式主要有中、小模板，大模板，滑模，爬模四種。中、小模板成本低、靈活方便，但是需要大量人力；大模板整體剛度好、墻面平整但自重大；滑模主要用于剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)施工；爬模則將大模板和滑模優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，墻面光滑、整體性好。在鋼筋連接方面，連接方式已從傳統(tǒng)的焊接、搭接發(fā)展為各種形式的接頭連接。不僅可以提高接點(diǎn)強(qiáng)度還可以節(jié)約鋼材，減少施工時(shí)間。

4 結(jié)語

隨著全球人口的不斷上漲，特別是在發(fā)展中國家。用地日趨緊張，發(fā)展高層建筑用以解決這一問題勢在必行。隨著全球各國對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的不斷深入研究，以及與高層建筑相關(guān)的領(lǐng)域——材料科學(xué)、施工技術(shù)不斷完善與發(fā)展，為高層建筑的進(jìn)一步發(fā)展插上了翅膀，相信高層建筑在未來的發(fā)展必將更加地繁榮。

[1] 黃 白.高層、超高層建筑發(fā)展綜述[J].華中建筑,1988(4):18-23.

[2] 霍昌盛，曾智勇.高層建筑綜述[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2007(36):118.

[3] 趙西安.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最近的一些進(jìn)展——第九屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)部分資料綜述[J].建筑科學(xué),1986(4):38- 43.

Discussion on high-rise building development

Wu Tao Duan Xiaoxu Xu Xiangyi

(CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040,China)

The paper discusses ancient and contemporary high-rise building development history, studies two common structural systems of frame-shearing wall structure and frame tube structure, and explores high-rise building construction technologies, which has significant meaning for producing high-rise building with new structure, new technology and new materials.

high-rise building, structural system, construction technology, development

1009-6825(2015)07- 0021- 02

2014-12-26

武 濤(1994- )，男，在讀本科生； 段曉旭(1994- )，男，在讀本科生； 許相宜(1994- )，女，在讀本科生

TU971

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