300m 以上超高層建筑的結(jié)構(gòu)材料與選型比較分析

瞿佳綺 莊葵 周劼競

1 世界高層建筑與都市人居學會（CTBUH）

2 CCDI 悉地國際

3 SOM 建筑事務(wù)所

1 300m以上超高層建筑全球發(fā)展概覽

截至2021年3月，根據(jù)世界高層建筑與都市人居學會（CTBUH）數(shù)據(jù)庫顯示[1]，全球一共有191座300m以上超高層建筑，其中中國擁有95座，占全球總數(shù)的49.7%，位居世界第一，阿聯(lián)酋擁有31座，美國擁有28座，分別位居世界第二和第三。圖1展示了中國、美國、阿聯(lián)酋在過去30年300m以上超高層建筑的數(shù)量，可以明顯看到，我國自2010年超越了美國成為世界上擁有300m以上超高層建筑最多的國家，呈現(xiàn)明顯增快的趨勢。2010年至今，我國和阿聯(lián)酋每年都有300m以上的超高層建筑完工。相比之下，美國起步最早，但數(shù)量上沒有快速增長。在2010—2020年的10年中，美國總計建成的300m以上超高層建筑數(shù)量與我國在2019年一年建成的數(shù)量一致，均為14座。

1 中國、美國、阿聯(lián)酋擁有的300m 以上高層建筑數(shù)量

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)材料使用情況分析

2.1 300m以上超高層建筑材料使用的發(fā)展歷史

世界上第一座300m以上的超高層建筑是位于美國紐約的克萊斯勒大廈，于1930年完成，高319m，其世界第一的高度于1931年被帝國大廈（Empire State Building）以381m超越?？巳R斯勒大廈與帝國大廈均采用鋼結(jié)構(gòu)，當時美國市場上最常用的結(jié)構(gòu)鋼材屈服強度在270MPa，含有比現(xiàn)今鋼材更多的碳、硫、磷等元素，使得其難于焊接[2]。而目前全球最高的鋼結(jié)構(gòu)建筑是1974年建成于芝加哥的威利斯大廈（Willis Tower），高442m。1990年起，屈服強度為350MPa的鋼材逐漸成為美國市場的主流，這與我國目前市場常用的鋼材Q355強度一致。

混凝土因其自重大、平均強度低、延展性不好等因素，難以單獨成為超高層建筑的結(jié)構(gòu)材料，在300m以上超高層建筑中出現(xiàn)較晚，第一次使用為芝加哥的慎行廣場二號大廈（Two Prudential Plaza）（圖2），于1990年建成。2020年，紐約的中央公園大廈（Central Park Tower）（圖3）以472m刷新了混凝土結(jié)構(gòu)的建筑高度。高層建筑設(shè)計中，我國高層建筑常用混凝土C40，與美國常用的6ksi混凝土強度基本一致。

2 芝加哥慎行廣場二號大廈

3 中央公園大廈

第一座300m以上的復(fù)合結(jié)構(gòu)建筑特拉維斯街600號（600 Travis Street）（圖4），于1982年在美國休斯頓建成。我國與阿聯(lián)酋的第一座300m以上超高層建筑均為復(fù)合結(jié)構(gòu)，分別是位于香港的中國銀行大廈（1990年建成）（圖5）和迪拜的帆船酒店（1999年建成）（圖6）。世界最高的復(fù)合結(jié)構(gòu)建筑為2015年建成的上海中心，高632m。型鋼混凝土的組合結(jié)構(gòu)第一次突破300m便是在世界最高建筑哈利法塔中（2010年建成，高828m），其與2016年建成的廣州周大福金融中心，都使用了C80高強度混凝土。美國2014年完工的世貿(mào)一號樓使用了14ksi（材料強度約為96MPa）混凝土。

4 特拉維斯街600 號

5 中國銀行大廈

6 帆船酒店

2.2 300m以上超高層建筑材料的使用現(xiàn)狀

根據(jù)CTBUH 數(shù)據(jù)庫，對中國、美國、阿聯(lián)酋300m以上超高層建筑進行基于材料的分類（表1），并結(jié)合 CTBUH2020對建筑材料的統(tǒng)計可以看出（圖7），早期的高層建筑多用鋼結(jié)構(gòu)，并且集中在北美[3]。隨著全球最高的100座建筑的平均高度不斷上升，復(fù)合材料因結(jié)合了混凝土可塑性強、防火性能好和鋼材自重輕、強度高的優(yōu)點，逐漸被廣泛使用。亞洲和中東地區(qū)開始在全球最高的100座建筑中占有一席之地。

表1 不同結(jié)構(gòu)材料在中國、美國、阿聯(lián)酋300m以上超高層建筑中的占比

7 世界最高的100 座建筑的材料與地區(qū)分類統(tǒng)計

在對300m以上超高層結(jié)構(gòu)材料的統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，我國多用復(fù)合材料，阿聯(lián)酋在初期嘗試少量復(fù)合材料，之后建造的大多數(shù)建筑都使用混凝土材料。對比美國在2000年以前和2000年以后完工的300m以上超高層建筑，鋼結(jié)構(gòu)從64%下降至12%，而復(fù)合材料和混凝土材料的占比明顯增加。總體來說，美國300m以上超高層建筑顯示出明顯的多樣性，這和其建造歷史長、市場和規(guī)范的包容度廣有密不可分的關(guān)系。

2.3 300m以上超高層建筑材料的選擇

鋼結(jié)構(gòu)和復(fù)合樓板可實現(xiàn)的跨度更大，其開放空間符合辦公建筑的使用要求，并且開洞更靈活，可以加建內(nèi)部樓梯?；炷两ㄖ粢粜Ч?、震動少，更適用于住宅建筑。在美國300m以上擁有住宅功能的8座超高層建筑中，6座使用混凝土材料。然而建筑功能并不是決定結(jié)構(gòu)材料的全部因素，我國擁有住宅功能的300m以上超高層建筑全部為復(fù)合材料；在阿聯(lián)酋帶有辦公功能的7座300m以上超高層建筑中，5座使用混凝土材料。可見，使用功能并不主導結(jié)構(gòu)材料的選擇。

受晝夜溫差大、沙漠和海洋交接氣流影響，迪拜的鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑位移控制難度增加，同時當?shù)劁摻Y(jié)構(gòu)報批流程比混凝土更復(fù)雜，材料加工人工費用更多，多重因素都使得混凝土成為迪拜超高層建筑的主要材料。

美國規(guī)范所允許的鋼筋混凝土材料強度上限要略高于中國規(guī)范，其混凝土設(shè)計規(guī)范ACI 318-19對混凝土的最高強度等級不做具體限制，只在針對框架柱設(shè)計的條文說明里提到若抗壓強度超過15ksi（約為103 MPa）因?qū)嶒灁?shù)據(jù)匱乏應(yīng)謹慎使用[4]。鋼筋的最大的屈服強度可以采用100ksi（689MPa），此時建筑高度不得超過130m。位于西雅圖的Premiere on the Pine項目就使用了15ksi的混凝土柱和90ksi（620MPa）的鋼筋[5]。中國混凝土規(guī)范列出的混凝土最高等級為C80，鋼筋的最大可用屈服強度為500MPa，略低于美國規(guī)范[6]。使用高強度混凝土與鋼筋可以減少柱的截面尺寸與配筋率，從而使施工更加便捷。因為美國的建造人工成本高于我國，使用強度更高的混凝土材料在造價上比使用復(fù)合材料更有優(yōu)勢，在一定程度上可以減少對復(fù)合材料（如內(nèi)埋型鋼混凝土）的需求。

鋼材作為可回收的建筑材料，在碳排放上有明顯優(yōu)勢，同時鋼材的強度高，可以減少構(gòu)建體積和結(jié)構(gòu)自重，進一步節(jié)約項目成本。我國關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的要求就是為了減少對環(huán)境的影響、提高工程質(zhì)量。但是抗火性能及造價是純鋼結(jié)構(gòu)在超高層建筑使用中的重要限制，在2001年美國世貿(mào)大廈倒塌事件后，美國純鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑明顯減少，鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)、爆炸等極端情況下都遠不如混凝土結(jié)構(gòu)。

兩國規(guī)范對鋼材強度要求較為一致。根據(jù)美國第15版鋼設(shè)計手冊，熱軋工字型鋼普遍運用的是ASTM A992 屈服強度為50ksi（345 MPa）的鋼材，與中國鋼設(shè)計標準所列出Q355鋼材對標[7-8]。美國ASTM A572鋼材可以達到的最大屈服強度為65ksi（448 MPa），與Q460鋼材對標。

混凝土和鋼材在目前建造技術(shù)方面均可以達到高度和功能的設(shè)計要求，但是由于各地區(qū)實際環(huán)境不同，出于對規(guī)范、施工以及實際構(gòu)建尺寸的考量，不同地區(qū)的項目選擇了不同材料。綜合考慮，混凝土與鋼的混合結(jié)構(gòu)成為我國超高層建筑最主要的結(jié)構(gòu)材料，同時也成為近20年全球超高層建筑使用最多的材料。

3 超高層建筑結(jié)構(gòu)體系分析

3.1 超高層建筑結(jié)構(gòu)體系現(xiàn)狀分析

超高層建筑中最常采用核心筒+抗彎框架的結(jié)構(gòu)體系，主要目的是使外圍柱以其力臂優(yōu)勢參與抵抗側(cè)向力，從而減少低區(qū)核心筒的彎矩。在對全球最高的50座建筑的統(tǒng)計中，超過一半的項目使用了伸臂梁結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)外圍抗彎框架，少量超高層建筑采用了其他結(jié)構(gòu)形式。例如，哈利法塔（圖8，9）因為其超高的高度使用了Buttress Core（支撐核心筒），以減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和平面進深，優(yōu)化使用體驗。另一個例子是位于紐約的中央公園大廈，使用了核心筒+剪力墻結(jié)構(gòu)，該項目因平面過窄，高寬比過大，外框架不能實現(xiàn)足夠的力矩，所以部分外墻被作為剪力墻納入結(jié)構(gòu)體系。Moon在對100層純鋼結(jié)構(gòu)的建模比較中發(fā)現(xiàn)，相同情況下，伸臂梁結(jié)構(gòu)比支撐筒和斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)多近兩倍的鋼用量。盡管在材料用量上沒有節(jié)省，但伸臂梁結(jié)構(gòu)卻因其對立面設(shè)計沒有限制而被更廣泛地應(yīng)用[9]。

8 哈利法塔標準層結(jié)構(gòu)平面圖

9 哈利法塔

我國與美國在結(jié)構(gòu)體系的選擇上有一定差異。我國多采用核心筒+一定形式的巨型框架結(jié)構(gòu)體系，上海中心大廈（632m）（圖10，11）與深圳平安金融中心（599m）均在外框布置了型鋼混凝土巨柱，同時采用了帶狀桁架、伸臂桁架與頂層阻尼器等多重結(jié)構(gòu)措施，深圳平安金融中心（圖12，13）還在此基礎(chǔ)上在外筒增設(shè)了斜撐[10]。在美國，盡管大多數(shù)建筑也采用了核心筒+外框的結(jié)構(gòu)體系，但是外框形式相對傳統(tǒng)簡單，位于紐約的世界貿(mào)易中心一號樓（541m）（圖14，15）僅采用了鋼筋混凝土核心筒+外部鋼結(jié)構(gòu)框架及頂部鋼伸臂桁架；位于舊金山的Salesforce Tower（326m）（圖16，17）盡管處于地震烈度較高的區(qū)域，也只采用了混凝土核心筒+鋼重力柱體系。

10 上海中心辦公樓層結(jié)構(gòu)平面圖

11 上海中心

12 深圳平安金融中心標準層結(jié)構(gòu)平面圖

13 深圳平安金融中心

14 世界貿(mào)易中心一號樓標準層結(jié)構(gòu)平面圖

15 世界貿(mào)易中心

16 Salesforce Tower 標準層結(jié)構(gòu)平面圖

17 Salesforce Tower

3.2 中美超高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范比較

中美兩國的規(guī)范差異，成為中美超高層建筑結(jié)構(gòu)體系不同的重要依據(jù)。我國2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程限定了在非抗震設(shè)計下，剪力墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度為180m[11]，超過此高度則需選擇框架+核心筒或筒中筒的雙重結(jié)構(gòu)體系，且最大適用高度為300m。在抗震設(shè)計下，最大適用高度會根據(jù)震烈度而降低，并且框架部分需承擔的最大樓層剪力應(yīng)大于10%的基底剪力，這些要求在超過規(guī)范適用高度的超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計（超限審查）中同樣適用。因此，為了使外部框架的剛度與強度達到要求，外筒的豎向構(gòu)件尺寸普遍偏大，甚至需要額外布置斜撐。

美國ASCE 7-16規(guī)范在非抗震設(shè)計與烈度較低區(qū)域的抗震設(shè)計中對常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的適用高度幾乎不做限制[12]，對滿足特殊構(gòu)造要求的剪力墻或斜撐體系、框架體系，以及剪力墻+框架結(jié)構(gòu)體系均不做高度限制。在烈度較高的抗震設(shè)計中，剪力墻與斜撐結(jié)構(gòu)的最大適用高度僅為49m，而框架與剪力墻+框架結(jié)構(gòu)則不受限制。在規(guī)范中，剪力墻+框架體系中的框架特指滿足特殊構(gòu)造要求的鋼結(jié)構(gòu)框架或混凝土框架，并且框架部分可以獨立承擔25%的地震荷載，否則需按剪力墻體系確定設(shè)計參數(shù)。因此，在主要由風荷載控制的區(qū)域（如紐約市），由于結(jié)構(gòu)體系不受高度限制，如果采用了核心筒作為主要抗側(cè)體系，外框的主要功能可以僅用于承受重力，從而尺寸普遍偏小。在需要控制地震荷載的區(qū)域（如舊金山市），由于剪力墻核心筒體系的適用高度較低，以及核心筒體系+框架體系的造價大于核心筒+重力柱體系，不少高層與超高層項目選擇了核心筒+重力柱體系并進行超限同行審查。PEER與LATBSDC分別發(fā)表的抗震超限設(shè)計指導性文件，為超過高度限制的核心筒體系提供了設(shè)計依據(jù)[13-14]。

綜上所述，我國規(guī)范對結(jié)構(gòu)外框（筒）作為第二道防線的要求比美國規(guī)范更加嚴格，因此外框的結(jié)構(gòu)形態(tài)更加復(fù)雜，尺寸也普遍偏大。但是這種差異在未來有減小的趨勢。例如，在2021年6月1日起實施的廣東省《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》中將重力柱+核心筒體系作為高層建筑的體系之一，對框架承擔一定比例基底剪力的要求也進行了刪減[15]；迪拜也在2020年10月發(fā)布了更新的建筑規(guī)范以減少建造成本。

4 結(jié)語

近10年，我國有大量300m以上超高層建筑建成，在結(jié)構(gòu)體系上呈現(xiàn)非常明顯的一致性，復(fù)合材料的核心筒+巨型框架（筒）結(jié)構(gòu)體系成為主流。與之相比，美國超高層建筑受其建造歷史的影響，材料使用和結(jié)構(gòu)選型更多元化；阿聯(lián)酋的建筑規(guī)范多借鑒于歐美，結(jié)合自身氣候和社會因素，形成以混凝土為主的結(jié)構(gòu)?？偠灾?，復(fù)合材料因結(jié)合了鋼材和混凝土的優(yōu)勢，成為了現(xiàn)今在全球300m以上超高層建筑中最多使用的材料，核心筒+伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系是300m以上超高層建筑最常用的結(jié)構(gòu)體系。但是在外框形式上各地區(qū)有明顯不同，我國規(guī)范對外框所需要承擔的荷載比例要求更高。隨著我國超高層建筑設(shè)計實踐，以及與全球的交流日趨增多，或許未來我們將看到超高層建筑更多樣的結(jié)構(gòu)造型與材料運用。