論復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)和超高層建筑的設(shè)計方法

邱永忠（佛山南方建筑設(shè)計院有限公司）

論復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)和超高層建筑的設(shè)計方法

邱永忠（佛山南方建筑設(shè)計院有限公司）

本文鑒于現(xiàn)如今復(fù)雜的高層和現(xiàn)有的超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計所顯現(xiàn)的問題，敘述了如何確定一套良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，這其中有對于結(jié)構(gòu)方案的確定和結(jié)構(gòu)類型的確定，并且對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要注意的點進(jìn)行了討論，從理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計的實踐經(jīng)驗來看，想要確保復(fù)雜高層和超高層建筑的安全性能，諸多的工作需要完成還等著我們完成。希望能夠給復(fù)雜的高層及超高層建筑建設(shè)提供一些理論依據(jù)。

超高層建筑；復(fù)雜的高層建筑；結(jié)構(gòu)類型；設(shè)計

近幾年隨著我國市場經(jīng)濟的發(fā)展水平的日漸提升，社會對于復(fù)雜高層和超高層建筑的需求量也日益增加。與此同時，復(fù)雜高層和超高層建筑項目的設(shè)計過程也變得越來越復(fù)雜，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，因為結(jié)構(gòu)設(shè)計的良好與否決定著建筑物使用的安全性與經(jīng)濟性。對復(fù)雜的高層建筑或超高層建筑來說，我們需研究它們各自所能承載的不同強度來進(jìn)行單獨的抗震設(shè)防烈度的設(shè)計。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選擇

（1）在進(jìn)行復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)和超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程時的結(jié)構(gòu)方案遴選的合理與否決定著施工質(zhì)量的好壞。在遴選復(fù)雜的高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)方案時，必須按照項目的實際情況進(jìn)行選擇，否則就會很容易導(dǎo)致在項目的后期建設(shè)中的再調(diào)整。因此便對復(fù)雜高層建筑和超高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了新的難題，繼而給建筑的設(shè)計單位帶來的大量的經(jīng)濟損失和修改工作量。所以，在選擇復(fù)雜高層建筑或超高層建筑的結(jié)構(gòu)方案時，應(yīng)將所學(xué)到的建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)專業(yè)知識與實際情況完美的融合，并充分的應(yīng)用在設(shè)計里面。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)類型的選擇時，不光工程建設(shè)巖土工程地質(zhì)條件需要認(rèn)真規(guī)劃，抗震設(shè)防烈度也應(yīng)該在設(shè)計人員的規(guī)劃范圍之內(nèi)，通過這種方式我們可以減低工程施工企業(yè)復(fù)雜高層建筑和超高層建筑的工程造價。從以上論述不難看出，工程造價的多少與施工的合理性在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計類型的選擇時都應(yīng)多加用心。

（2）結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)類型選擇的類型選擇的關(guān)鍵點在于復(fù)雜高層和超高層建筑的概念設(shè)計。通過諸多的實踐經(jīng)驗我們總結(jié)出，在進(jìn)行復(fù)雜高層建筑和超高層建筑設(shè)計時，我們應(yīng)盡力改善施工結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和一致性，確保建筑工程結(jié)構(gòu)的力的傳導(dǎo)途徑能直接明朗的展現(xiàn)出來，特別是結(jié)構(gòu)垂直和橫力抵抗力的傳導(dǎo)途徑。如今建筑業(yè)正在迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)也在不斷更新，研究人員應(yīng)該逐步將目光轉(zhuǎn)移到如何實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)目標(biāo)當(dāng)中。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

（1）確保建筑物能夠安全使用的關(guān)鍵設(shè)計內(nèi)容之一就是抗震設(shè)防烈度設(shè)復(fù)雜高層與超高層建筑抗震設(shè)防烈度的設(shè)計。設(shè)計人員在進(jìn)行復(fù)雜的高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)按照不同建筑承載的強度來進(jìn)行抗震設(shè)防烈度設(shè)計工作。但是，不同的建筑物的高度是不一樣的，這就使說設(shè)計師在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要根據(jù)不同的施工實際情況做出不同的設(shè)計。在正常情況下，復(fù)雜高層建筑和超高層建筑高度均大于300m，所以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，抗震設(shè)防烈度為“Ⅷ”的區(qū)域便不再適合復(fù)雜高層建筑和超高層建筑，它們更適合于在的抗震設(shè)防烈度為“Ⅵ”的地域建設(shè)。這樣不難得出，當(dāng)我們設(shè)計復(fù)雜的高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)時，需全面考察抗震設(shè)防烈度的具體施工情況。在這樣做的時候，既可以很好的地降低施工的誤差，又能給居民的生活財產(chǎn)安全一定的保障。另外，要想提高建筑物的經(jīng)濟性和安全性，便需要提高復(fù)雜高層建筑和超高層建筑結(jié)構(gòu)地震技術(shù)的設(shè)計水平，這樣就能在一定程度上，提升建筑物的安全性和經(jīng)濟性。理論研究和實踐證明，選擇合理的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，能夠有效保證高層及復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的安全性。我在多年的工作實踐中歸結(jié)出一個表格用于高度與橫向力抵抗力的對照（表1）。所以設(shè)計者應(yīng)多注重細(xì)節(jié)問題，貫徹“以人為本”的設(shè)計思想。只有這樣，才能更好地確保人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。

表1 建筑高度與橫向力抵抗力對照表

（2）復(fù)雜高層與超高層建筑水平振動舒適度是建立“以人為本”結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的重要基礎(chǔ)。按照普通的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法來看，復(fù)雜高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)是相對較柔軟的。在大部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案里，不光要達(dá)到建筑物使用人對舒適度的需求，更要確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性。因此便對復(fù)雜高層建筑和超高層建筑的混凝土規(guī)程和高鋼規(guī)程提出了具體的設(shè)計規(guī)范。這樣才能更好的使高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計到達(dá)最大順風(fēng)和橫風(fēng)向頂點的最大加速度。分析結(jié)構(gòu)的舒適度是復(fù)雜高層建筑和超高層建筑的關(guān)鍵設(shè)計內(nèi)容之一，具體組成有以下兩個部分：①在設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物時，其最佳設(shè)計阻尼比為0.05；②在設(shè)計混合結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)時，其最佳阻尼比應(yīng)在0.01～0.02之間，具體應(yīng)根據(jù)實際的施工項目情況決定。另外，不同用途的復(fù)雜高層建筑和超高層建筑的水平振動指標(biāo)限值也不同，例如公共建筑和公寓類建筑的差異便十分明顯，這邊要求設(shè)計師具備根據(jù)建筑的用途不同進(jìn)行針對性的設(shè)計，這里我們可以適當(dāng)改善TMD和TLD技術(shù)，這樣便可以實現(xiàn)針對不同建筑的設(shè)計。這時，即便復(fù)雜高層建筑和超高層建筑的水平振動舒適度不達(dá)標(biāo)，我們也可以做后續(xù)的改善和提高。

（3）工程的可施行性是在設(shè)計復(fù)雜高層和超高層建筑時一定要思考的問題，不然的話，不管你設(shè)計的多么合理，所用的前沿科技多么多，也不能達(dá)到建設(shè)的實際需求。所以，在進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計師要做到將鋼材的傳力效果及復(fù)雜節(jié)點部位的鋼筋可靠度、施工建設(shè)的可操作程度進(jìn)行全方位考慮。同時也成為在進(jìn)行復(fù)雜高層建筑和超高層建筑的設(shè)計時設(shè)計師必須要面臨的問題。若要處理好型鋼和混凝土柱梁節(jié)點處相交的問題，可采取下面四種辦法來進(jìn)行有針對性的設(shè)計：①焊接鋼筋和其表面處的加勁板；②使鋼筋繞過型鋼；③在鋼板上開洞用這樣的方法來穿鋼筋；④通過于型鋼和其混凝土柱梁節(jié)點的表面處焊接連接套筒、鋼筋。

3 超高層建筑實例

3.1 美國獨特貝殼廣場

建于1970年，高217.6m，是一座52層的辦公大樓，是那個年代最高的鋼筋混凝土大樓，它的地基在六百多米內(nèi)大部分為粘性土，要求結(jié)構(gòu)體系必須使整棟建筑最大程度的節(jié)省經(jīng)濟。這座大樓的結(jié)構(gòu)體系大致是這樣的：上面的部分采取鋼筋混凝土筒中筒，用剪力墻內(nèi)墻和間距1.83的外柱混凝土筒框構(gòu)成。這是混凝土與框架一起作用于結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

圖1

3.2 西爾斯大樓

1974年美國芝加哥建成443m高（加上天線達(dá)500m）110層的西爾斯大樓（圖2），當(dāng)時世界最高的建筑，紐約的世界貿(mào)易中心大廈（412m，110層）只能讓位，退居第二。大樓由9個標(biāo)準(zhǔn)方形鋼筒體（22.9m×22.9m）組成。該結(jié)構(gòu)由SOM設(shè)計。

圖2

必須指出：這種逐步減少的單筒結(jié)構(gòu)，最好對稱于建筑物的平面中心，減少偏心。同時，這種把上部結(jié)構(gòu)的某些單筒適當(dāng)減少，可減小高層建筑上部的受風(fēng)面積。并且擾亂大氣氣流.使產(chǎn)生的渦流對高層建筑的搖擺振動減小。從而有效地減小風(fēng)力產(chǎn)生的側(cè)向移動，因此。多筒結(jié)構(gòu)往往采用這種方法。

3.3 金貿(mào)大廈

金貿(mào)大廈 （如圖3）位于上海浦東陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，為“東方明珠（OrientalPear1）電視塔”和正在建造中的上海環(huán)球金融中心（高度492m，101層）相鄰。它是一座88層402.5m高的綜合性大樓，裙房6層。1998年建成后成為中國建筑第一高，世界第四高的超高層建筑。主樓的上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土核心筒與鋼結(jié)構(gòu)外框架結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)體系。主要由核心筒、外框架、巨型鋼桁架和樓板組成。核心筒的平面八角形，外包尺寸27m×27m。53層以下有井字形內(nèi)墻，分隔成九格；53層以上無中間隔墻，為一個空心鋼筋混凝土筒。外框架在主樓四側(cè)各有二根斷面為1.5m×5.Ore巨型勁性鋼筋混凝土柱，由框架鋼柱與鋼梁與其相連，形成環(huán)抱核心筒的外框架。巨型鋼桁架是超高層建筑內(nèi)筒與外框之間傳遞水平力與協(xié)調(diào)變形的重要構(gòu)件，分別設(shè)在24～26層、51～53層和85～87層。

圖3

4 結(jié)束語

總的來說，復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點是在把抗震設(shè)防烈度，結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)類型，結(jié)構(gòu)舒適程度以及施工的具體情況和過程等因素考慮在內(nèi)的同時，還要盡全力提升建筑構(gòu)建的利用率和結(jié)構(gòu)設(shè)計的可施行性。因此，要想對復(fù)雜高層和超高層建筑的各個方面進(jìn)行良好的設(shè)計，必然要求設(shè)計人員對工程有一個全面的了解。

[1]劉軍進(jìn)，肖從真，王翠坤，等.復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011（11）：34～40.

[2]黃鶴.復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點探討[J].才智，2012（04）：24～25.

[3]郝 明.復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點探析[J].河北企業(yè)，2015（09）：109.

建筑師為FazlurKahn。建造到52層減少2個簡體，到67層再減少2個簡體，到92層又再減少3個簡體.到頂部變成2個簡體。這種獨特結(jié)構(gòu)的確引人人勝。它是多筒結(jié)構(gòu)中的巨型結(jié)構(gòu)，每一個筒體都是單獨簡體，本身具有很好的剛度和強度，能夠單獨工作。

TU973.2

A

2095-2066（2016）24-0184-02

2016-8-11