谈芯筒—框架体系在高层建筑设计中的应用

吴 迪 贾国亭

(1.内蒙古工业大学建筑学院，内蒙古呼和浩特 010051; 2.内蒙古第三建筑有限公司房建公司，内蒙古呼和浩特 010051)

随着工农业的迅速发展和城市化进程的不断加快，从20世纪50年代起，人类结束了局限于土、木、砖石等原始材料的简单砌筑方式，高层建筑在我国的大多数城市如雨后春笋般迅速发展起来。随着建筑层数的增多，摆在建筑师面前的首要问题是如何在坚固、适用的前提下在单位面积的土地上设计出更多的建筑面积，同时，在设计中，如何降低单位面积造价成为高楼设计中迫切需要解决的问题。多年来，经过建筑师们的设计实践，将竖向交通、卫生间、管道系统以及其他服务性用房集中布置在楼层平面核心部位，将办公用房布置在外圈的核心式平面布局在建筑设计中被广泛采用。经国内外多年的实践经验证明，核心平面布置方式可以在多方面取得良好的效果:可以增大使用面积，减少外墙的长度从而达到节能的效果，同时可以大大缩短最远房间到达核心的距离。

在建筑设计中，结构与造型应该追求完美结合。沿着建筑物交通、卫生间、管道系统等服务性空间形成的垂直竖井周围，集中设置由钢筋混凝土墙体组成抗剪力结构构件即芯筒。芯筒在平面当中通常作为交通的核心，因此大多数情况被布置在建筑物的中心，形成剪力核心，作为高楼结构的主要抗侧力构件承担绝大部分的水平荷载;而建筑当中的重力荷载则由布置在外圈的框架结构来承担，芯筒和框架共同组成了芯筒—框架体系，水平荷载和垂直荷载由芯筒和框架分别承担，结构体系明确。和一般在建筑设计当中常用的框架结构相比，芯筒—框架体系作为高层建筑的结构体系，由于充分利用了芯筒结构和框架结构的结构优点，可以建造高达55层以内的高层建筑，而框架结构最多限于15层以内(一般10层)，框架—剪力墙结构也仅限于25层以内。更高层数的建筑就须采用筒中筒、桁架筒等结构体系了，而它们的平面布置效果却也与芯筒—框架体系相仿。

芯筒—框架体系适用于平面形状比较简单，且采用核心式平面布置的高楼。芯筒在设计中其高宽比一般在4以上，若在非地震区不宜大于10，在地震区不宜大于8，以充分发挥其抗弯性能。芯筒的位置应尽量位于结构平面中心，以减弱扭转振动。另外，芯筒—框架体系一个重要的特点是80%以上的水平地震作用由筒体承担，框架柱承担的水平地震作用之和不到总水平地震作用的20%，且筒体的抗推刚度远大于框架，整体结构在发生地震时的层间位移远小于框架体系。

芯筒—框架体系按照柱梁布置分类，分为芯筒—稀柱框架、芯筒—密柱框架和芯筒—双柱框架。稀柱框架的柱间距一般大于7 m，这样可以在较大的楼层面积中取消柱子，增加了房间使用的灵活性。密柱框架的柱间距则在4 m左右，密排柱与每层楼板处较高的窗裙梁拉接组成一体结构，这样可以建造较高层的建筑物(可以高达55层)。芯筒—框架体系应用在各种形状的建筑平面中，常见的有矩形、六边形、三角形、圆形等。其典型的平面布置方式是将角柱的面积增大或变形为L形。有时为了进一步提高结构的抗推刚度和抗扭刚度，除芯筒外，另在楼层平面角部，沿外圈框架每边增加一片抗震墙。有的则采用带翼墙的钢筋混凝土芯筒—框架体系，可以进一步提高主体结构的抗推刚度和水平承载力。

采用芯筒—框架体系的建筑实例有很多，具代表性的有上海联谊大厦(见图1)、南京金陵饭店(见图2)、青岛保险公司营业办公楼等。

建成于1984年的上海联谊大厦是高层办公大楼，楼高107 m，地上28层，地下2层，总建筑面积2.8万m2。1985年5月交付使用，是上海市对外开放后的第一幢现代化写字楼。芯筒的墙体厚度为250 mm～400 mm;一般矩形柱的断面尺寸为1.2 m×1.2 m，角柱设计为外侧边长2.0 m、厚1.0 m的L形截面。各层楼盖均采用现浇钢筋混凝土梁式板，板厚100 mm;一般梁的截面尺寸为400 mm×500 mm，最大梁的截面尺寸为300 mm×1 500 mm。

建成于1982年的南京金陵饭店是一幢高层旅馆建筑，楼高108 m，地上36层，地下3层，总建筑面积 3.8万 m2。1983年10月开业，是中国十佳饭店及南京第一家五星级酒店。典型楼层采用31.5 m×31.5 m方形平面，内圈芯筒亦采用12.8 m ×12.8 m方形平面;芯筒周边的墙体厚度为250 mm～500 mm;内圈矩形柱的断面尺寸为650×650～750×750，外圈框架柱截面尺寸为550 mm×600 mm，是典型的芯筒—框架体系。

兴建于1988年的青岛保险公司营业办公楼，标准层的平面形状为等边三角形切角后所得的六边形。楼高66 m，地上19层，地下2层，总建筑面积0.99万m2。芯筒周边墙体的厚度，顶层为200 mm，底层为350 mm;一般矩形柱的断面尺寸为700 mm×700 mm，最大矩形柱的断面尺寸为800 mm×800 mm;各层楼盖均采用现浇钢筋混凝土梁式板，板厚120 mm～130 mm;一般梁的截面尺寸为350 mm×550 mm，最大梁的截面尺寸为400 mm×1 200 mm。

高层建筑是社会发展到一定程度出现用地紧张的产物，是现代社会工业化、商业化和城市化的必然结果。科学技术的进步为高层建筑发展提供了坚实的物质基础，对于建筑结构和材料认识的不断加深必然会催生新的建筑结构形式。高层建筑结构的选择在努力贯彻落实科学发展观的进程中将会为我们作出最好的诠释。

[1] 刘大海，杨翠如.高层建筑结构方案优选[M].北京:中国建筑工业出版社，1996.

[2] 刘建荣.建筑构造(下册)[M].北京:中国建筑工业出版社，2006.