發布時間：2021-12-16所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要] 隨著改革開放 40 年國內經濟快速發展以及城鎮化進程的加速，我國高層建筑和超高層建筑呈現出雨后春筍般的發展，我國已成為全球超高層建筑發展的中心，在該領域總體上已達到國際先進水平。首先以時間為維度，概括回顧了我國高層建筑從 20 世紀二三十年代起源，七
[摘要] 隨著改革開放 40 年國內經濟快速發展以及城鎮化進程的加速，我國高層建筑和超高層建筑呈現出雨后春筍般的發展，我國已成為全球超高層建筑發展的中心，在該領域總體上已達到國際先進水平。首先以時間為維度，概括回顧了我國高層建筑從 20 世紀二三十年代起源，七八十年代局部發展，到改革開放之后飛躍發展的歷程。其次重點介紹 21 世紀以來近 20 年我國超高層建筑結構的新發展: 不斷攀升的建筑高度和綜合建筑功能衍生出的結構效率、延性和可建性更佳的結構體系，所采用的抗風設計手段和各種減振措施，基于性能的抗震設計方法和消能減震技術的廣泛應用。精確的計算分析手段和方法驗證了超高層建筑結構設計的可行性，部分影響結構經濟性的整體結構控制指標需要進一步探討。大量的試驗研究和專項技術研究為結構設計的創新提供了依據，同時也提升了其關鍵技術。最后，基于目前超高層建筑發展現狀、存在的問題和面臨的挑戰，對今后超高層建筑結構的發展，包括若干重點技術的研發和突破等方面進行展望，也期待我國早日從超高層建筑的大國成為超高層建筑的強國。
[關鍵詞] 超高層建筑結構; 結構抗側力體系; 結構抗風; 性能化抗震設計; 消能減震; 結構分析與試驗
0 概述
1949 年 10 月 1 日中華人民共和國的成立，是 20 世紀世界上最為重大的歷史事件之一。偉大的中華民族從此粉碎三座大山的桎梏，走上民族振興之路。70 年滄桑巨變，中國發生了翻天覆地的變化，尤其是改革開放 40 年，中國插上了騰飛的翅膀，一舉發展壯大成為世界第二大經濟體。這個過程中，建設行業做出了巨大的貢獻，同時建設行業自身也上升到了一個新的水平，總體實力和科技水平進入了世界前列。城鄉面貌和人民生活發生了巨大的變化，而其中令人印象深刻的成就之一，是全國各地聳立的大量高層和超高層建筑。
中國是世界第一人口大國，雖然疆域遼闊，但可供建設的土地面積有限。在城市化進程中，上億農村人口涌入城市，更加重了建設用地的緊缺性。因此，在我國適度發展高層與超高層建筑，是一種不可替代的選擇。而改革開放帶來的經濟高速發展，以及由此而形成的經濟實力和技術積累，是高層建筑發展的基礎。正是在這種條件下，出現了中國高層建筑飛躍發展，這也引起了全世界同行的矚目。世界高層建筑與城市人居協會( CTBUH) 的統計資料中有詳實的數據表明中國在這個領域中的地位。 2018 年全世界范圍竣工的高度 200m 以上的 143 座高層建筑中，中國有 88 座，占 61. 5%，連續 23 年位居世界之 首。根據已經建成和在建項目推測的 2020 年全球最高的 20 棟超高層建筑中，中國共有 11 棟，中國已經當之無愧地成為世界高層建筑第一大國( 圖 1) 。圖 1 2020 年全球最高 20 棟超高層建筑( CTBUH 提供)
1 高層建筑發展進程的回顧
中國高層建筑的發展，始于 20 世紀二三十年代。中國發展商利用了兩次世界大戰之間的有利時機，在上海、廣州等沿海城市建設了一定數量的高層建筑，形成了上海外灘等高層建筑群，其中最具代表性的當屬上海國際飯店。這座 24 層、高 83. 8m 的鋼結構高層建筑在技術上屬國際第二代高層建筑，雄踞中國第一高樓位置近 50 年。與上海國際飯店同期建造的還有上海大廈、廣州愛群大廈等一批知名高層建筑。然而這一趨勢由于抗日戰爭的爆發而中止。
新中國成立以后，迅速轉入大規模工業建設，這一時期基本沒有高層民用建筑。直至 20 世紀 60 年代末、70 年代初，由于外事工作的需要，在北京、廣州等城市建設了少量高層民用建筑，代表性的建筑有 27 層的廣州賓館、17 層的北京飯店新樓以及高度突破百米的廣州白云賓館。這些高層建筑均為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。值得一提的是 80 年代中后期，在北京、上海等地建設了一批高度在 20 層以下、鋼筋混凝土剪力墻結構的高層住宅，采取了預制與現澆相結合的結構方案。北京稱為“內澆外掛”，上海稱為“一模三板”，屬高層裝配式住宅的早期嘗試，代表性工程有北京前三門大街住宅及上海漕溪北路住宅。
1978 年黨的十一屆三中全會確定的改革開放方針，極大地推動了經濟建設的發展，也帶來了高層建筑的春天。80 年代初在深圳等經濟特區及沿海主要城市建成了一批標準較高的高層建筑，其中代表性的有深圳國貿大廈、廣州白天鵝賓館、上海華亭賓館、聯誼大廈等，這些項目的設計基本由國內設計師主導。
在此期間我國頒布了《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規定》( JZ 102-79) ，適時地為高層建筑結構設計提供了技術支撐和引導。也是在此期間建工部組織了國內部分主要設計院協作編制結構分析用的系列軟件，形成 SPS 軟件庫，其中包括排架、框架、框架-剪力墻結構等的專用軟件，對結構分析電算化的逐步普及起到了積極的作用。為了滿足廣大結構設計人員學習與交流的需要，始自 1975 年的高層建筑結構技術交流會在全國各地輪流舉行，延續至今且影響逐步擴大，對高層建筑結構設計技術的發展起到了積極推動的作用。
隨著改革開放的深入，設計市場也開始對外開放，一批國外設計事務所進入中國，他們帶來了新的設計理念和技術。本土設計師在與境外同行合作設計過程中開闊了視野，也得到了提高。這個時期建筑高度進一步提升，結構形式更為多樣，出現了鋼結構和鋼-混凝土混合結構的高層建筑，代表性建筑有上海新錦江大酒店、希爾頓大酒店、北京京廣中心，京城大廈、深圳發展中心、南京金陵飯店等一批有影響的高層建筑。
1990 年國家宣布上海浦東開發，使浦東陸家嘴成為高層建筑建設的熱土。東方明珠廣播電視塔的建設是浦東新區第一個標志性項目。這個完全由中國工程技術人員設計建造的工程采用“大珠小珠落玉盤”的建筑形態和空間巨型框架結構體系，以及先進的施工方法，成為世界塔桅建筑中的一顆明珠。隨后大量金融辦公建筑同時開始建設，這些項目體量大、設計標準高、空間變化復雜、結構體系多樣，吸引了大量國際知名設計事務所參與其設計。在短短的 10 年左右時間，建筑高度跨越了 400，500m 兩個臺階。我國工程技術人員在參與建設的過程中其設計水平得到了很大提高。浦東陸家嘴 CBD 代表性建筑有金茂大廈、交銀金融大廈、環球金融中心、森茂大廈、信息樞紐大廈等( 圖 2) ; 結構體系中包含了加強層、巨型空間支撐框架、弱聯系雙塔樓、懸掛結構及部分預制裝配結構，體現當時國際水平的先進結構體系和技術得到比較廣泛的應用。
進入 21 世紀以來，改革開放的進一步深入和國力的增強使我國高層建筑的發展進入了一個新的階段。地域分布進一步拓展，除一線城市及環渤海、長三角、珠三角地區之外，在很多二、三線城市也開始大量建造高層與超高層建筑，數量比較集中的有武圖 2 浦東陸家嘴 CBD 超高層建筑群漢、合肥、重慶、成都、西安、沈陽等城市。建筑高度進一步增加，建成了一批 600m 級的超高層建筑。結構體系多樣化，當今世界上所有的超高層建筑結構形式，在我國均有建造�；旌辖Y構因其比較符合我國國情，繼續成為應用最廣泛的結構形式。鋼結構也得到大力推廣，尤其是在高層住宅建筑方面勢頭良好，出現了一些有中國特色的鋼結構體系。性能化設計逐步應用于設計，消能減震技術和振動控制技術也在很多重要工程中得到應用。近 20 年的發展反映了我國在高層結構領域總體上已達到國際先進水平。近幾年我國連續有一些項目( CCTV 新臺址、深圳平安金融大廈、上 海 中 心 大 廈 等) 被 CTBUH 評為世界最佳高層建筑雄辯地說明了這一點。
我國已經形成了比較完善的高層建筑結構設計、施工的規范和標準體系，對保證工程質量起了巨大的作用。
2 超高層建筑結構的新進展
近 20 年來中國超高層建筑和結構的發展主要呈現出以下趨勢[1-2]:
( 1) 建筑高度不斷被突破，在上海、深圳、天津、武漢立項了 4 棟 600m 級的超高層建筑，目前均已建成或基本建成( 其中個別項目因非結構原因建筑高度有調整) 。擬建的蘇州中南中心建筑高度達到 729m。
( 2) 建筑的功能呈現出多樣化和綜合化發展，通常以辦公、住宅、公寓及酒店為主要使用功能。
( 3) 結構抗側力體系以框架-核心筒為主并呈現出多樣性，如連體結構、斜交網格筒、桁架筒以及鋼板剪力墻等更高效的結構體系逐漸增多。
( 4) 基于性能的抗震設計方法逐步普及，消能減震( 振) 技術在超高層建筑結構抗震或抗風設計中應用日益廣泛，結構材料更加注重高強和延性。
( 5) 由本土結構工程師自主設計的超高層建筑的數量和高度在不斷增加，原創最高建筑高度已突破 500m; 本土工程師和國外事務所發揮各自優勢，共同推動我國超高層建筑結構技術的發展。
( 6) 開發商對超高層建筑結構的安全、結構造價和可持續性發展日益關注，并引入了結構設計第三方同業審核制度。
2. 1 超高層建筑結構體系
超高層建筑結構抗側力體系是決定超高層建筑結構是否合理和經濟的關鍵。此外，隨著建筑高度的不斷增加，建筑功能越來越復雜，對結構抗側力體系的效率要求也越來越高，對結構體系的創新也越來越迫切。超高層建筑結構抗側力體系的發展除了從傳統的框架、剪力墻、框架-剪力墻、框架-核心筒、框筒結構逐步向框架-核心筒-伸臂、巨型框架、桁架支撐筒、筒中筒、束筒等結構體系轉變外，還衍生出交叉網格筒、米歇爾( Michell) 桁架筒以及鋼板剪力墻等新型結構體系，并進化出了多種體系雜交混合使用[3]。結構材料也從純混凝土結構、鋼結構向鋼混凝土混合結構轉變。
結構體系呈現主要抗側力構件周邊化、支撐化、巨型化和立體化的特點。建筑業態綜合化、高度不斷突破、消防疏散等因素也促使其由單幢超高層建筑朝若干超高層建筑塔樓組成的“空中城市”以及連體結構發展。
2. 1. 1 混合結構和組合構件迅速發展成為主流
鋼筋混凝土結構自重較大導致可使用樓面效率低，純鋼結構剛度偏弱導致用鋼量高、結構造價昂貴。兩種結構體系各自存在的不足限制了其在超高層建筑中的應用。除了超高層住宅或公寓外，當建筑高度超過 250m 時采用鋼筋混凝土結構或鋼結構的超高層建筑相對較少。20 世紀 90 年代初設計的廣州中信大廈為國內大陸建成最高的鋼筋混凝土結構[4]，建筑高度 391m( 含屋頂 60m 高避雷塔) ，采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，底層剪力墻厚度 1 600mm，結構自重達 3. 01×106 kN。目前國內已建成最高 的 純 鋼 結 構 為 深 圳 漢 京 中 心，建 筑 高 度 350m，采用核心筒完全偏置的鋼框架支撐結構，其用鋼量達到 300kg /m2 �？捎行Оl揮鋼與混凝土自身優點、適合我國國情的鋼-混凝土混合結構逐漸增多。據中國建筑科學研究院( CABR) 統計[1]，已建成的 150m 以上的高層建筑中，混合、組合結構約占 22. 3%; 200m 以上的高層建筑，混合、組合結構約占 43. 8%; 300m 以上的高層建筑，混合、組合結構約占 66. 7%。近年來混合結構發展更為迅速，2014 年同濟大學建筑設計研究院( 集團) 有限公司對 258 幢建筑高度 250m 以上超高層建筑的結構材料進行了統計[5]，其中鋼-混凝土混合結構占 98. 4%。國內500m 以上高度的在建或已建的超高層建筑結構全部采用鋼-混凝土混合結構體系( 表 1) 。
盡管如此，目前建成的鋼-混凝土混合結構尚未經受實際地震的考驗，結構阻尼比取值、整體結構的協調工作性能以及高性能結構材料的應用等仍需進行更深入和系統的研究[1]。
2. 1. 2 結構體系多樣化及結構效率提升
常用的超高層建筑結構抗側力體系如圖 3 所示。每種結構體系都有其受力特點、合理的適用高度以及適用的建筑功能。工程實踐表明，框架-核心筒( 伸臂加強層) 一般適用于建筑高度 150 ～ 300m 的超高層建筑，巨型結構以及斜交網格筒等適用于 300m 及以上高度的超高層建筑。除了單位面積材料用量這一直接指標外，頂點位移、彎曲變形占結構頂點位移的比例以及可使用樓面面積的效率等也是評價抗側力體系效率高低的重要指標。華東建筑設計研究總院( ECADI) 對近 80 棟建筑高度在 250m 以上的混合結構的分析和統計表明[6]，結構豎向構件( 外框柱+核心筒剪力墻) 的截面總面積占底層建筑面積的 6% ～ 10%。
我國超高層建筑大多采用以框架-核心筒結構為主的雙重抗側力體系，也有懸掛結構這樣的單重抗側力體系( 圖 4( a) ) 。以常用的框架-核心筒為例，無論外框架、核心筒還是斜撐、伸臂加強層等均有多種不同的組合和變化，體現出結構設計的多樣性。
( 1) 外框架外
框架是形成建筑外輪廓的主要結構，同時承擔在側向荷載作用下的較大傾覆力矩和部分剪力。外框柱常常隨著建筑體型變化而變化。外框柱通常采用斜柱、搭接柱或轉換柱的形式適應建筑體型錐形化、退臺等的內收，以滿足建筑功能綜合化帶來的不同建筑功能下的不同進深需求。在扭轉建筑體型中，外框柱沿高度每層旋轉若干角度。
追求抗側力體系的高效率必然導致超高層建筑結構周邊化布置。除了常規的稀柱框架外，外框架也有采 用 密 柱 深 梁 的 框 筒 結 構 ( 柱 網 間 距 小 于 4. 5m) 以及巨型框架結構( 外框柱數量不大于 8 個) 。1) 密柱框筒結構由美國 SOM 的 Fazlur Khan 在 20 世紀 60 年代率先提出。框筒結構經過一段時期的發展和冷落，近年來有復古回歸的跡象。深圳證券大廈、北京國貿三期等均采用密柱框筒結構。在塔樓低區，密柱需要通過轉換加大開間以滿足建筑功能。深圳華潤總部密柱和裙梁采用偏心布置以突出建筑豎向線條效果( 圖 4( b) ) 。2) 巨型框架由巨柱和環帶桁架組成，外框巨柱通過伸臂桁架與核心筒連接，強化整體彎曲效應。外框巨柱截面面積通常超過 10m2 ，通過最大程度集聚樓面豎向荷載，以平衡水平荷載作用下傾覆力矩引起的拉力。因此巨柱軸壓比相對較低，水平荷載作用下極少出現拉力，抗剪剛度小，其截面剛度需求高于承載力需求。環帶桁架作為巨型框架的重要組成部分，兼具轉換次框架的功能。南京江北綠地中心將拱結構代替傳統的環帶桁架，進一步提高環帶桁架的結構轉換效率( 圖 4( c) ) 。圖 5 巨柱截面形式
外框柱通常采用 SRC 柱、CFT 柱以及 CFRT 柱 ( 矩形鋼管混凝土柱) 等截面形式( 圖 5) 。其 中 SRC 柱中鋼骨大多采用實腹式型鋼，含鋼率 4% ～ 6%，而早期建設的金茂大廈以及上海環球金融中心等巨柱采用分離式型鋼。武漢中心圓鋼管柱( CFT 柱) 直徑達到 3m，對梁柱節點進行了專門研究。廣州東塔和沈陽寶能金融城采用矩形鋼管混凝土柱( CFRT 柱) ，截面面積達 20m2 ; 天津高銀 117 大廈的多腔鋼管混凝土柱截面面積達到 45m2 ，對其承載力、柱腳節點構造、抗火性能、焊縫構造等均進行了專項研究。
( 2) 核心筒
核心筒結構貫穿建筑物全高，容納了主要垂直交通和機電設備管道，并承擔了大部分的豎向和水平荷載，通常作為超高層建筑的第一道抗震防線。隨著建筑高區電梯數量和機電設備用房的逐步減少，核心筒面積也逐漸收縮。
核心筒的布置除了傳統布置在平面正中基本對稱外，也有采用端部分離式筒體以及多個角筒組合而成( 圖 6( a) ) ，或者采用核心筒偏心布置的形式 ( 圖 6( b) ) [7]。
核心筒結構除了少量全鋼結構采用框架支撐筒外，大多采用鋼筋混凝土核心筒。核心筒剪力墻通過雙翼墻、斜墻以及減少墻肢數量或墻肢長度、核心筒開洞等方式相應收進，以適應高區核心筒面積不斷縮小的需求。為了滿足墻肢軸壓比、減薄墻厚等要求以及提高抗剪承載力，在超高層建筑低區采用鋼板組合剪力墻、鋼管剪力墻或型鋼混凝土剪力墻等。核心筒結構也有采用鋼板剪力墻，如天津津塔[8]( 圖 6( c) ) 利用鋼板屈曲后強度產生的張力場效應來抵抗水平荷載。為了提高施工速度，外包鋼板剪力墻也在珠海十字門等工程中嘗試應用。為了減輕塔樓結構自重，核心筒結構也有沿建筑高度采用混合結構體系，如上海環球金融中心( IFC) 和廣州西塔等工程在中低區核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻，高區核心筒則采用鋼-框架斜撐結構。
( 3) 斜撐
外框支撐主要以軸向受力抵抗水平荷載，充分發揮截面材料的效率。其布置形式也有多種變化，通常采用跨越若干樓層的巨型斜撐，既有上海環球金融中心的單斜桿巨型斜撐，也有香港中國銀行和北京中信大廈的交叉斜撐。天津高銀 117 巨型斜撐與豎向承重結構分離的形式[9]，一方面可使巨型斜撐僅承擔軸向力，以最大效率抵抗水平荷載，另一方面也可弱化斜撐的建筑立面效果。集承重體系與抗側力體系于一體的斜交網格筒結構也在超高層建筑工程中有所應用( 圖 7( a) ) 。
除了傳統的框架中心支撐，也在嘗試應用高腰桁架筒( 圖 7( b) ) 或米歇爾桁架筒( 圖 7( c) ) ，進一步提升了支撐結構的效率。但結構材料的高效與對建筑立面效果的影響以及節點構造復雜程度需要進一步平衡。偏心支撐不僅能通過耗能梁段提高抗震延性，又便于核心筒建筑門洞開設，在鋼結構核心筒體系中扮演了重要的角色。
( 4) 結構加強層
伸臂桁架充分利用外框柱的軸向剛度，極大提高了框架-核心筒結構的整體抗傾覆能力，在 250m 以上高度的超高層建筑中得到了廣泛應用。
伸臂桁架加強層的設置有效提高了塔樓結構的抗側剛度，同時也引起了結構剛度的突變，而且對建筑空間以及施工周期都產生一定影響。因此，伸臂桁架加強層也是一把“雙刃劍”。目前設計界有“效率優先”和“均勻剛度”兩種觀點，前者更注重伸臂桁架優化布置，如樓層位置、數量以及桁架的形式，后者更注重抗震延性，避免結構剛度突變�，F行規范建議的伸臂桁架最優布置與建筑高度的關系是基于結構體型和剛度沿高度均勻變化且伸臂桁架剛度無限剛的假設。實際工程建筑體型和豎向剛度變化很多，因此應通過如頂點位移與基本周期( 包含風荷載作用下對結構舒適度的控制) 、層間位移角、核心筒承擔傾覆力矩的比例及拉力等控制目標，對加強層的設置位置進行有效性( 或稱敏感性) 分析，并結合建筑功能需求從而選擇伸臂加強層的最優位置[10]。
環帶桁架作為虛擬伸臂，可通過樓板的變形協調核心筒帶動外框架承擔更多的傾覆力矩。相對伸臂桁架來說，環帶桁架抗側效率次之，卻也克服了上述伸臂桁架加強層存在的問題，在超高層建筑中也有較多應用。核心筒與外框架之間的樓板面內剪切剛度的加強和準確模擬是提高環帶桁架抗側剛度的關鍵所在。——論文作者：汪大綏， 包聯進
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