高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

杜林晉，張鵬飛，肖婷，張春潮

（中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 611731）

1 材料

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，在實(shí)際建設(shè)中，為了提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，減少市政建設(shè)的投資，縮短建設(shè)時(shí)間，高層建筑被作為首選。而新型建筑材料的使用，則滿足了未來高層建筑建設(shè)的高要求及特殊需求。

高層建筑可以節(jié)約城市用地，縮短公共設(shè)施和市政管網(wǎng)的開發(fā)周期，減少市政投資。因此，為了更有效地促進(jìn)高層建筑的發(fā)展，有必要開發(fā)強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐久性好的新型建筑材料[1]。

1.1 新型墻體材料

隨著綠色環(huán)保理念的推廣，在高層建筑中用新型墻體材料取代傳統(tǒng)建材已成為一種必然趨勢(shì)。如活性炭墻體、新型隔墻板、加氣混凝土砌塊等，這類材料能減少環(huán)境污染、節(jié)約生產(chǎn)成本、減輕建筑的重量。同時(shí)復(fù)合墻體材料集防火、防水、防潮、隔音、隔熱等功能于一體，安全環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益高。

1.2 保溫材料

高層建筑的保溫工作也是工程的關(guān)鍵。保溫材料是對(duì)熱流有明顯作用的復(fù)合材料。保溫材料的特點(diǎn)是輕、多孔及纖維狀。更重要的是，無機(jī)保溫材料不僅不易燃而且抗化學(xué)腐蝕的能力也很好[2]。

1.3 新型建材在高層建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

新型建筑材料安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，使其能更好地適應(yīng)現(xiàn)代建筑的發(fā)展。

隨著城市用地矛盾的突出，高層建筑的數(shù)量及規(guī)模也逐漸增加，但高層建筑內(nèi)外部的疏導(dǎo)能力非常有限。因此，為了提升高層建筑的安全性，新材料的使用是非常必要的。新材料的應(yīng)用可以有效改善現(xiàn)代高層建筑的防災(zāi)體系。同時(shí)，在傳統(tǒng)建筑的施工過程中，通常采用黏土實(shí)心磚，但黏土實(shí)心磚本身在生產(chǎn)中能耗高、污染重，影響了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，加之高層建筑本身規(guī)模較大，建筑材料消耗較高，施工使用的黏土實(shí)心磚就會(huì)增多，增加環(huán)境污染，在施工中使用堅(jiān)固耐用的新型材料，不僅可以有效降低建筑的重量和材料消耗，還可以促進(jìn)機(jī)械化施工的發(fā)展，提高施工效率，降低施工成本，促進(jìn)高層建筑的生態(tài)化建設(shè)。

與傳統(tǒng)建筑材料相比，新材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)代化建設(shè)中，高層建筑的建設(shè)是新型建筑材料開發(fā)和使用的動(dòng)力源泉，同時(shí)，新型建筑材料的開發(fā)和研究也為現(xiàn)代高層建筑的發(fā)展提供了基本保障。

2 不同的結(jié)構(gòu)形式

高層建筑要承受巨大的橫向風(fēng)荷載，因此，風(fēng)荷載為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要考慮因素之一，這與低層建筑的情況不同。為了抵抗風(fēng)荷載，需要高性能的建筑材料和高效的抗側(cè)向荷載結(jié)構(gòu)形式。以某超高層建筑為例，該建筑主要有3 種結(jié)構(gòu)形式：混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼混組合結(jié)構(gòu)，如圖1 所示[3]。

圖1 3 種結(jié)構(gòu)形式

混凝土結(jié)構(gòu)的邊柱采用C60 高強(qiáng)度混凝土，梁和樓板采用C30 低強(qiáng)度混凝土；鋼結(jié)構(gòu)由H 形鋼和空心箱形鋼結(jié)構(gòu)組成，使用G50 高強(qiáng)度鋼；鋼混組合結(jié)構(gòu)則采用鋼結(jié)構(gòu)加上鋼管填充混凝土的形式。高層建筑的其他典型結(jié)構(gòu)形式是管中管和支撐管結(jié)構(gòu)。管中管結(jié)構(gòu)包括使用高強(qiáng)度混凝土建造的剪力墻，以及在建筑周邊密布的40 根復(fù)合混凝土填充的鋼管柱（間距為4 m）。支撐管式結(jié)構(gòu)通過利用建筑物外墻的斜撐來抵抗重力和橫向風(fēng)荷載，因此，不需要在建筑物中心設(shè)置剪力墻。荷載導(dǎo)致巨型支撐的4 個(gè)角的柱子受力更重，與中間的周邊柱子相比，四周的柱子需要更大的橫截面積。另一方面，支撐管結(jié)構(gòu)可以利用斜撐有效地加強(qiáng)框架體系。因此，中間圍護(hù)柱主要承擔(dān)重力荷載，并且可以在尺寸上更小，間距更寬，達(dá)到8 m（見圖2）。

圖2 其他結(jié)構(gòu)形式

每種結(jié)構(gòu)的建筑成本中材料成本（包括混凝土、鋼筋和結(jié)構(gòu)鋼的成本）占比較高。鋼結(jié)構(gòu)的成本最高，其次是混凝土結(jié)構(gòu)和復(fù)核結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)建筑需要大量的型鋼、鋼管和板材，而鋼材比鋼筋和混凝土要貴。與鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，混凝土建筑需要更復(fù)雜的施工程序，包括鋼筋彎曲和固定、模板安裝、預(yù)拌混凝土澆筑、模板拆除和硬化混凝土養(yǎng)護(hù)。由于鋼筋混凝土建筑需要許多工人和機(jī)械以及輔助材料（如模板），鋼筋混凝土建筑所需的人工和設(shè)備成本會(huì)變得非常大，占總建筑成本的68%。相比之下，與混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，組合結(jié)構(gòu)建筑的成本效益更高。

圖3 為某高層建筑中建筑材料和結(jié)構(gòu)形式對(duì)高層建筑的建筑成本的影響。從圖3 可知，鋼結(jié)構(gòu)建筑的建筑成本最高，為4 575 港元/m2（約3 952 元/m2），其次是混凝土建筑（約3 623 元/m2）和組合結(jié)構(gòu)建筑（約3 230 元/m2）。如果結(jié)構(gòu)形式確定，建筑成本就會(huì)隨著建筑高度的增加而線性增加。理解不同結(jié)構(gòu)形式與高層建筑的建筑成本之間的關(guān)系，可改善建筑設(shè)計(jì)的可持續(xù)性，并推動(dòng)建筑業(yè)的快速發(fā)展。

圖3 成本分析

3 地基

深基礎(chǔ)對(duì)于高層建筑非常重要。因?yàn)榈鼗诔休d建筑物的豎向和橫向荷載方面起著重要作用。本文對(duì)地基建設(shè)中方形樁的應(yīng)用進(jìn)行討論。

在復(fù)雜的土層和不理想的地下水條件下，方形樁的使用深度已經(jīng)超過80 m。一根方形樁基可以取代一組傳統(tǒng)的鉆孔樁或打入式樁基，因此，可以形成一個(gè)更緊湊、更可靠的地基系統(tǒng)，具有節(jié)省時(shí)間和成本的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)需要將很大荷載傳遞到更深的持力層時(shí)，傳統(tǒng)的樁基往往變得不切實(shí)際和不經(jīng)濟(jì)。在高地下水位條件和涉及沙子、淤泥和黏土的可變土壤中，問題變得更加困難。地基系統(tǒng)除了承載豎向荷載外，還需要抵抗側(cè)向荷載和巨大的彎矩。在這種情況下，樁基使用矩形截面而不是圓形截面會(huì)更有利。通過采用方形樁，工程師能夠在橫向增加荷載和彎矩的抵抗力，而不必增加樁基截面積。圖4 為方形樁示意圖。

圖4 方形樁

方形樁的突出點(diǎn)在于能承載巨大豎向荷載，因此，一根方形樁可以取代幾根傳統(tǒng)的圓形樁，從而節(jié)省了施工時(shí)間、混凝土和鋼材的數(shù)量、樁帽的量等。圖5 所示為某工程中方形樁的應(yīng)用。

圖5 某工程中方形樁的應(yīng)用

應(yīng)用方形樁已被認(rèn)為是支撐重型結(jié)構(gòu)和地下室墻壁的有效和高度可靠的方法。它在歐洲和其他地區(qū)的國(guó)家中已得到了廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)語

當(dāng)代高層建筑依然面臨許多挑戰(zhàn)，但也吸引著工程師不斷創(chuàng)新。材料將更加完美，結(jié)合所有的優(yōu)點(diǎn)，也許在未來，可以在不需要鋼筋混凝土和鋼筋的情況下建造高樓，材料將更輕，更堅(jiān)固。隨著技術(shù)的發(fā)展，高層建筑不再需要挖很深的地基，就像許多民房一樣，可以在更短的時(shí)間內(nèi)建成，而且可以更容易移動(dòng)。傳統(tǒng)的技術(shù)和工藝最終會(huì)被淘汰，高層建筑突破地理因素，環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的限制也指日可待。