我国超高层建筑的现状分析和探讨.pdf

1 特 别 报 道 丁洁民 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司总裁、总工程师。 代表作品上海中心大厦、上海世博会主题馆、温州市大剧院、东方体 育中心、北京大学体育馆、同济大学教学科研综合楼等。 吴宏磊 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司结构工程师。 我国超高层建筑的现状分析和探讨 1 我国超高层建筑的发展概况 随着我国经济和科学技术的发展， 超高层建筑逐渐盛行。 作为现代城市中的地标，超高层建筑已表现出非凡作用，成 为国家、民族以及城市经济崛起的象征。我国的超高层建筑 发展始于 1990 年，19902007 年是超高层建筑的起步期， 20082012 年为超高层建筑的快速发展期，20132018 年可 谓是超高层建筑的繁荣期。以高度为依据，本文将超高层建 筑分为以下 4 个区段250300m，300400m，400500m 以及 500m 以上。 截止到 2012 年，我国共建成超高层建筑 94 幢，其 高度分布比例如图 1 所示。250300m 的超高层建筑数量 最多，约占建筑总数的 59；500m 以上超高层建筑仅一 幢；港澳台超高层建筑共计 18 幢，约占总数的 20。这 一阶段国内典型超高层建筑有上海环球金融中心（492m） 和台北 101 大厦（509m）等。 20132018 年，我国计划建成 250m 以上的超高层建筑 共计 164 幢，如图 2 所示。与图 1 相比，300400m 的超高 层建筑数量显著增多，约占总数的 43。港澳台超高层建筑 共 2 幢，约占总数的1.2。 除超高层建筑数量不断增多外，其高度近年来也在 不断刷新。500m 以上的超高层建筑增多，部分塔楼高度 已突破 600m，如上海中心大厦，其主体建筑结构高度为 587m，总高度为 632m。建成之后将成为世界第一绿色摩 天高楼，并与 420.5m 的金茂大厦、492m 的环球金融中 心共同构成浦东陆家嘴金融城的新三角。正在设计中的深 圳平安金融中心塔楼桅杆顶高度将超过 600m。 截止到 2012 年，我国已建成超高层建筑的地域分布 如图 3 所示。各城市超高层数量统计见表 1。我国超高层 建筑集中在经济较发达的珠三角和长三角地区，主要城市 包括上海、香港、广州和深圳。 图1 我国已建成的超高层建筑高度统计（截止到2012年） 图2 我国计划建成的超高层建筑高度统计（20132018年） 图3 我国已建成超高层建筑分布（截止到2012年） 9 2 特 别 报 道 20132018 年我国计划建成的超高层建筑的地域分布如图 4 所 示，表 2 为各城市计划建成的超高层数量统计。可见，超高层建筑 的分布区域明显增加，其中环渤海地区成为新崛起的超高层建筑集 中地；二线城市的超高层数量也显著增加。 2 我国超高层建筑结构类型的发展 随着技术进步、经济发展和人口密度的增加，超高层建筑不断 突破新的高度。除了满足建筑使用功能要求，建筑师越来越重视建 筑个性化的体现。尤其近几年，各种新型复杂体型及复杂结构体系 大量出现。表 3 为目前国内部分超高层建筑结构体系（含已建成和 在建工程）。 根据表 3 的归纳可见，高度超过 250m 的超高层建筑结构一般 采用筒体结构，包括框架 - 核心筒、框筒 - 核心筒、巨型框架 - 核 心筒和巨型框架 - 核心筒 - 巨型支撑 4 种结构体系，分别适用于不 同高度的超高层建筑。如图 5 所示，框架 - 核心筒、框筒 - 核心筒 适用于 250400m 的超高层建筑；巨型框架 - 核心筒适用于 300m 以上的超高层建筑；巨型框架 - 核心筒 - 巨型支撑适用于 300m 以 上的超高层建筑。 框架 - 核心筒结构是目前高层及超高层结构中应用最广泛的 结构形式之一。由于有实腹筒存在，我国高层建筑混凝土结构 技术规程将其归入筒体结构。核心筒除了四周的剪力墙外，内 部还有楼、电梯间的分隔墙，核心筒的刚度和承载力都较大，成 为抗侧力的主体，框架承受的水平剪力较小。为了使周边框架柱 参与抗倾覆、增大结构抗倾覆的能力，在核心筒和框架柱之间可 设置水平伸臂构件。伸臂构件使一侧框架柱受压、另一侧框架柱 受拉，对核心筒形成反弯，减小结构的侧移和伸臂构件所在楼层 以下核心筒各截面的弯矩。 设置水平伸臂构件的楼层成为加强层。 为了进一步增大结构的刚度，使周边的框架柱都参与抗倾覆，可 在设置伸臂构件的楼层设置周边环带构件。 设置加强层后， 框架 - 核心筒结构的建造高度与筒中筒结构的建造高度接近。 用框筒作为外筒，将楼（电）梯间、管道竖井等服务设施集 中在建筑平面的中心做成内筒，就成为筒中筒结构。采用钢筋混 凝土结构体系时， 一般外筒采用框筒， 内筒采用剪力墙围成的井筒； 采用钢结构体系时，外筒用框筒，内筒一般也采用钢框筒或钢支 撑框架。框筒 - 核心筒结构是双重抗侧力体系，在水平力作用下， 内外筒协同工作， 其侧移曲线类似于框架 - 剪力墙结构， 呈弯剪型。 外框筒的平面尺寸大，有利于抵抗水平力产生的倾覆力矩和扭矩； 内筒采用钢筋混凝土墙或支撑框架，具有比较大的抵抗水平剪力 的能力。 巨型结构的概念产生于上世纪 60 年代末，由梁式转化层结构发 图4 我国计划建成的超高层建筑分布（20132018年） 图5 各结构体系在不同高度超高层建筑中的分布（截至2018年） 10 3 特 别 报 道 展而成。巨型结构体系是由巨型构件组成的简单而巨型的桁架或框 架等结构， 作为超高层建筑的主体结构， 是与其他次结构共同工作的， 从而获得更大的灵活性和更高的效能。 巨型框架 - 核心筒 - 巨型支撑结构由巨型钢框架、巨型支撑、 钢筋混凝土核心筒和伸臂桁架组成，具有多道抗震防线。设置巨型 支撑可提高结构抗侧刚度且缓解刚度突变；水平地震作用下，巨型 支撑直接提高外框架刚度，使框架底部剪力和弯矩都明显增大，满 足“第二道防线”的要求。 在建的上海中心大厦（图 6）塔楼建筑高度 632m（结构高度 为 580m），共 124 层。塔楼抗侧力体系为巨型框架 - 核心筒 - 外 伸臂结构体系。在 8 个机电层区布置多达 6 道两层高外伸臂桁架和 8 道箱形空间环形桁架，由箱形空间环形桁架和巨柱形成外围巨型框 架。此抗侧力系统已超出一般意义上的由少量外伸臂桁架及巨柱构 成的核心筒 - 巨型柱 - 外伸臂结构体系，形成了巨型框架 - 核心筒 - 外伸臂抗侧力体系。无论是从抗侧效率还是结构的安全度方面，均 有一定的提高及创新。 在建的深圳平安中心大厦（图 7）塔楼高度 648m，共 104 层， 采用巨型斜撑框架 - 核心筒 - 钢外伸臂体系，主要由型钢混凝土巨 柱、钢筋混凝土核心筒、钢外伸臂、空间周边双榀桁架、巨型斜撑 以及角部巨型 V 形支撑等部分组成。沿塔楼全高设置 4 道钢外伸臂， 将核心筒与巨柱有效地连接在一起，从而控制层间位移，改善结构 的性能和冗余度，增加结构抗侧刚度。7 道空间双桁架及单角桁架均 匀布置于每区避难 / 机电层，连接巨柱，将塔楼的外围形成巨型框架， 承担大部分由侧向力引起的倾覆力矩。 天津高银 117 大厦（图 8）建筑高度 597m，共 117 层，采用 巨型框架 - 核心筒 - 巨型支撑结构体系。巨型框架构成的周边结构 构成了多道设防的结构体系，提供了强大的侧向刚度。底部节间考 虑建筑主入口要求为人字支撑，其余节间采用交叉支撑，以最大程 度地发挥构件效率。由于建筑方面要求弱化交叉支撑的视觉效果， 避免斜支撑及边梁柱相互交叉导致传力路径不清晰，设计中采取了 将斜撑与周边框架在平面上错开的方案，两者相互独立。 进一步从材料角度分析超高层建筑结构体系的发展。国外高层、 超高层建筑以纯钢结构为主，而我国以钢 - 混凝土混合结构居多。图 9 以材料为分类标准，统计了我国 250m 以上各超高层建筑结构体系 的使用率。钢 - 混凝土混合结构之所以得到较大发展，是因为其可有 效地将钢、混凝土构件进行组合，既具有钢结构的技术优势又具有混 凝土造价相对低廉的特点。如上海环球金融中心及金茂大厦内部均为 钢筋混凝土核心筒，外框为型钢混凝土柱及钢柱；正在建设中的上海 中心采用了巨型框架 - 核心筒 - 外伸臂结构体系（混合结构）。 图6 上海中心大厦结构体系图7 深圳平安金融中心结构体系 图9 250m以上超高层建筑材料类型（截至2018年，共258幢） 11 4 特 别 报 道 3 我国超高层建筑经济性的分析 超高层建筑作为一个地区的标志性事物，不仅承担着重要的使 用功能作用，而且组成了一个城市的天际线。因此，超高层建筑设 计不能仅从建筑方面考虑，也不能仅从结构效率方面出发，它是一 个综合的产物，需要各方面的协调。超高层建筑结构工程造价的影 响因素主要包括建筑造型与平面布置、 建筑物所在地区的地震烈度、 结构体系选型以及各个国家结构设计规范等。 本节统计了上海（地震设防烈度 7 度）、郑州（地震设防烈度 7 度半）及兰州（地震设防烈度 8 度）地区共 7 座超高层建筑的建安 造价和土建造价，以分析建筑高度、结构体系、地震烈度对工程造 价的影响。图 10 为 7 座超高层建筑建造安装与土建工程的单位面积 造价。图 11 以上海中心为例，给出其土建工程各部分造价及其占土 建工程总造价的百分比。 图10和图11表明 1） 超高层建筑高度增加， 工程造价随之增加 ； 2）混合结构造价高于钢筋混凝土结构；3）地震烈度增加，工程造 价随之增加；4）对于高度 250300m 的超高层建筑，土建工程造价 约占建安造价的 3035，高度超过 600m 时，土建工程造价将超 过建安造价的 35；5）超高层建筑地下部分与地上部分的结构造价 之比约 46。 4 总结 由本文的数据分析结构可得到如下结论 （1）我国超高层建筑的数量和高度都在迅速发展。 （2）我国超高层建筑的分布地域明显由长三角、珠三角地区向 全国其他区域扩展，环渤海地区以及部分二线城市超高层建筑发展 快速。 （3）我国超高层建筑结构体系与塔楼高度有一定关系，随着塔 楼高度的增加，巨型框架和巨型支撑应用较多。 （4）我国混合结构是超高层建筑结构材料应用的主流。 （5）我国超高层建筑的结构造价占总造价的 3040，随着 塔楼高度的增加，结构造价将有所提高。 图8 天津高银117大厦结构体系 图10 超高层建筑实际工程造价统计 图11 上海中心大厦土建工程各部分造价对比 （相对于塔楼总建筑面积） 12