臺北101大廈工程結(jié)構(gòu)淺析

張晨曦

摘要：以臺北101大廈為例，介紹了大廈的工程概況以及其獨特的地理位置對結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的種種困難。臺灣屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏季經(jīng)常面臨臺風(fēng)威脅，同時又地處大陸板塊的交界處的板塊活躍區(qū)，因此臺北101在設(shè)計中不僅要應(yīng)對強烈的風(fēng)荷載影響，抗震設(shè)計也極具挑戰(zhàn)。通過對臺北101大廈基礎(chǔ)工程以及上部結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的介紹與分析，對今后的超高層建筑技術(shù)進行了展望與思考。

關(guān)鍵詞：超高層建筑 基礎(chǔ)工程 抗震 結(jié)構(gòu)設(shè)計 綠色建筑

一、工程概況

臺北101大樓坐落于信義計劃區(qū)，占地面積達30000余m2，建筑面積約為374000m2。主體建筑的塔樓部分高508m，共101層。[1]設(shè)備層在以每八層為一個單元的單元頂層，用于放置空調(diào)等機電設(shè)備，并且可以起到消防隔離的作用。裙樓主要作為底商以及存車場使用。在抗震設(shè)計上，大樓可以承受2500年一遇的地震；在防風(fēng)方面可以抵擋17級以上的強烈臺風(fēng)，采用了先進的阻尼器設(shè)備，確保大樓內(nèi)的人員的舒適性。在空間布局上采用超越單一量體的設(shè)計，以數(shù)字8作為單元，寓意吉祥富貴，外形上像是芝麻開花節(jié)節(jié)高的竹子，象征中國生生不息的傳統(tǒng)。

為了打造一個理想的時空地標(biāo)，大樓在建造過程中始終堅持環(huán)保可持續(xù)理念，將環(huán)保主題列入設(shè)計規(guī)劃。墻面采用斜面處理，有效的減少了光污染帶來的問題，并且使用了高科技的隔熱玻璃，阻止熱量的散失，節(jié)省能源[2]。

二、基礎(chǔ)工程技術(shù)介紹

對于超高層建筑來說，由于其在單位面積上會產(chǎn)生較一般高度建筑更大的荷載，地基的重要性就顯得尤為重要，尤其是臺北101大廈地處臺北斷層附近，雖然經(jīng)確認(rèn)為非活動斷層，不會對基礎(chǔ)工程造成額外的影響，但場地地質(zhì)條件復(fù)雜，不僅地下水位較高，易對筏基產(chǎn)生浮力影響，而且從地表向下有30余米深的軟弱黏土層[1]，這些都對基礎(chǔ)的設(shè)計有著不小的挑戰(zhàn)。

臺北101大廈使用的是樁筏基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)直接作用在整澆到一起的混凝土基礎(chǔ)底板之上，這樣能夠使高度較低的裙房與高度較高的塔樓在豎直方向產(chǎn)生協(xié)調(diào)一致的位移，控制不均勻沉降現(xiàn)象的發(fā)生。由于軟土層無法有效承重，設(shè)計師又設(shè)置了共151根鉆孔灌注樁[1]，利用不同排列密度的樁體將所有的載重傳遞到軟土層下面的持力層上。

三、結(jié)構(gòu)工程介紹

大廈地上部分結(jié)構(gòu)由101層的塔樓和6層的裙樓組成，它們之間以伸縮縫形式完全斷開，以減少溫度等因素產(chǎn)生的超靜定內(nèi)力。地下室共有五層且塔樓裙樓相連以保證整體建筑沉降的一致。塔樓62層以下用鋼-混結(jié)構(gòu)，其余部分都是純鋼骨結(jié)構(gòu)。[2]

塔樓整體為內(nèi)外框架筒結(jié)構(gòu)體系。內(nèi)外框架的柱位可簡單的分為內(nèi)柱和外柱。內(nèi)柱共16根，每根內(nèi)柱外側(cè)由鋼板焊接成一箱體，并以此為模板向內(nèi)澆筑高強度混凝土使之形成鋼管混凝土受力構(gòu)件，大大提升內(nèi)柱的承重性能；外柱尺寸隨樓層高度不斷變化：在26層以下均為平行于帷幕墻的斜柱，大廈每側(cè)都有都配有兩支巨柱和兩支次巨柱，都是由混凝土澆灌而成的方形鋼柱；而26層以上，為增加大廈側(cè)向剛度，結(jié)構(gòu)上每側(cè)不僅設(shè)置有兩根豎直巨柱，還增加了6根H型斜柱，H型斜柱和外筒的框架結(jié)構(gòu)組合為一體，每八層劃分為一個獨立單元。[1]因91層到101層面積變小，每側(cè)配置的方形鋼柱直接將荷載傳遞到91層以下的核心鋼柱。

復(fù)合型構(gòu)件的應(yīng)用也是101大廈的一大特色。施工時混凝土直接澆筑在具有模板及結(jié)構(gòu)承重用途的鋼承板上，養(yǎng)護干燥后與鋼承板協(xié)同受力形成復(fù)合樓板。同時剪力釘又將鋼梁及混凝土組合成復(fù)合梁，這樣荷載就可以由復(fù)合樓板過渡到復(fù)合梁而后通過各個框架柱最終傳遞到基礎(chǔ)了。

（一）抗風(fēng)設(shè)計介紹

超高層建筑的設(shè)計往往由水平荷載起控制作用，海拔高的位置風(fēng)力大，因此抗風(fēng)設(shè)計是臺北101大廈的重點而臺灣每年夏季又會面臨臺風(fēng)的侵?jǐn)_，對于臺北101大廈來說，抗風(fēng)設(shè)計在滿足安全適用性中的地位就顯得尤為突出了。

在抗風(fēng)的設(shè)計中，設(shè)計師參考了大量的氣候資料，經(jīng)風(fēng)洞實驗后，確定了一系列設(shè)計參數(shù)，為滿足人們的舒適性要求，需要降低大樓在風(fēng)荷載作用下的加速度響應(yīng)，為此設(shè)置了巨型質(zhì)量塊阻尼器降低大廈在水平荷載下的震動反應(yīng)。阻尼器的質(zhì)量塊設(shè)置于87到92層之間，阻尼器類似于單擺結(jié)構(gòu)，由八根超高強度的鋼索通過支架拖住質(zhì)量塊下部。為了將660噸的阻尼器懸掛于92層[4]，支架周圍還設(shè)置了八組油壓式阻尼器，以達到削能減震的目的。為了避免大風(fēng)或強震導(dǎo)致阻尼器擺動幅度過大而破壞結(jié)構(gòu)，在阻尼器與質(zhì)量塊之間設(shè)置了緩沖鋼環(huán)，一旦擺動幅度超過1米，質(zhì)量塊下方的鋼筒就會撞擊鋼環(huán)以減緩質(zhì)量塊的運動。

（二）抗震設(shè)計介紹

臺灣處在亞歐大陸和菲律賓板塊的交界地帶，板塊運動異?；钴S，經(jīng)常受到地震作用的侵?jǐn)_，所以臺北101大廈的抗震設(shè)計至關(guān)重要。

大廈的抗震措施基于基本的“大震不倒，中震可修，小震彈性”和“強柱弱梁、強節(jié)點弱構(gòu)件”理念進行設(shè)計，使用回歸期為100年的地震數(shù)據(jù)進行模擬分析，對部分結(jié)構(gòu)節(jié)點進行了加固。在滿足抗風(fēng)設(shè)計的前提下，絕大多數(shù)節(jié)點都能夠滿足要求，但除了要考慮強度的要求，還要使節(jié)點在大震中能夠吸收足夠多的能量來為主體結(jié)構(gòu)耗散多余的地震能量。設(shè)計采用國科會專利的高韌性接頭[4]，這種接頭大幅度提升了節(jié)點處的韌性，通過延性破壞時形成的塑性變形消耗能量，同時又能保證不會發(fā)生脆性的突然破壞發(fā)生危險。經(jīng)最后的檢測，臺北101大樓已經(jīng)可以達到臺灣震度分級中最高的第七級標(biāo)準(zhǔn)[4]。

質(zhì)量塊阻尼器同樣也能減輕大廈主體結(jié)構(gòu)在地震作用下的震動反映。雖然在風(fēng)荷載作用和地震作用下，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)不同，風(fēng)荷載使結(jié)構(gòu)發(fā)生擺動頻率較低，加速度較小，產(chǎn)生的慣性水平作用力也較??；而地震作用劇烈，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)大，產(chǎn)生的慣性力大，但質(zhì)量塊阻尼器可以通過其非常大的慣性來抵消地震作用產(chǎn)生的不利水平荷載，大大減小建筑物頂部的擺動幅度。正是由于臺北101大廈的大膽嘗試，設(shè)計師們在看到這種阻尼器的優(yōu)勢及可行性后紛紛效仿、改良，在包括上海中心大廈在內(nèi)的新時代超高層建筑中，這種可以減弱結(jié)構(gòu)水平震動的阻尼器得以推廣使用?，F(xiàn)有的最新技術(shù)是使用電磁力來代替重力產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，這樣不僅減輕了設(shè)備自重，還能使這種反力的作用更及時的反饋到主體結(jié)構(gòu)上。

四、總結(jié)與展望

臺北101大廈建成約15年，在經(jīng)濟、環(huán)境、社會等方面都取得了一定的成績，向亞洲、向世界展示了臺灣都市的風(fēng)貌與氣質(zhì)。2010年以前，臺北101大廈是世界上最高的建筑，是超高層建筑的先例和典范。然而我們很清楚，世界上沒有不會被超越的建筑，不可能有永遠的第一。繼2010年以來，國內(nèi)外諸多超高層建筑，如迪拜哈迪法塔、上海中心大廈等等均在高度上超越了臺北101，但臺北101大廈的獨特仍然是不可被取代的。它獨具特色的藝術(shù)造型、巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計、質(zhì)量塊阻尼器的大膽嘗試無一不是在向世界證明著我們中國的經(jīng)濟實力和技術(shù)水平都在不斷攀升。如今，越來越多的超高層建筑拔地而起，臺北101大廈作為超高層建筑的代表，影響著世界的建筑設(shè)計，為在其它地震區(qū)的超高層建筑提供了理論指導(dǎo)。

隨著施工技術(shù)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，我國的超高層建筑越來越普及，在追求高度的同時，我們越來越關(guān)注環(huán)保與節(jié)能方面，為與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，一些綠色節(jié)能技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到了超高層建筑的中，如上海中心大廈的雨水收集系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)和頂層風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。希望今后“綠色建筑”的概念能夠有所普及，改善傳統(tǒng)超高層建筑高耗能的情況，降低整棟建筑的人均碳排放量，讓我們的綠水長流，青山常在。

參考文獻：

[1]張紹松，張敬昌，鐘俊宏.世界第一樓——臺北101大樓之結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].建筑施工，2002，27（10）：1-4.

[2]林鴻明，林鈺芳.臺北101：一座永續(xù)發(fā)展的超高層建筑[A].世界高層都市建筑學(xué)會第九屆全球會議論文集[C].上海：中國土木工程學(xué)會，2012：66-72.

[3]李祖原.臺北101大樓[J].建筑學(xué)報，2005，（05）：32-36.

[4]謝紹松，張敬昌，鐘俊宏.臺北101大樓的抗震及抗風(fēng)設(shè)計[J].建筑施工，2002，27（10）：7-9.

[5]鐘俊宏，謝紹松，甘錫瀅.臺北101大樓鋼結(jié)構(gòu)工程之施工監(jiān)造[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2005，7（05）：1-10.

（作者單位：洛陽理工學(xué)院附中）