结合高层建筑实例简述我国高层建筑结构的发展现状

孙 宇 张泽华 苏凯凯

(山东省土木工程防灾减灾重点实验室 山东科技大学， 山东 青岛 266590)

结合高层建筑实例简述我国高层建筑结构的发展现状

孙 宇 张泽华 苏凯凯

(山东省土木工程防灾减灾重点实验室 山东科技大学， 山东 青岛 266590)

结合高层建筑的设计及建造实例，概括阐述我国高层建筑结构的发展现状。我国高层建筑发展的特点主要是结构体型日趋复杂，新型结构体系层出不穷，超高层建筑中钢—混凝土混合结构趋于主导。同时由于我国高层建筑大都兴建于东部沿海的经济发达城市，使得设计时大多要考虑抗震抗风、超高扭转基础设计等问题，设计难度大。

高层建筑；发展特点；设计难点

1 引言

随着我国改革开放，经济建设取得了重大成果，从80年代开始，我国高层建筑进入了迅速发展的黄金期，近20年来，我国逐渐成为世界高层建筑的发展中心，大量高层建筑如雨后春笋般大量涌现，建筑结构也呈现出越来越复杂的发展趋势，建筑高度与日俱增，高层建筑在各大中型城市都较为常见。下面结合众多高层建筑结构和设计实例，阐述我国高层建筑发展特点和现状。

2 我国高层建筑结构发展特点

2.1 建筑高度不断增加

据不完全统计，80年代开始到上世纪末，随着我国经济建设的发展，兴建了100多栋高度超过150m的高层建筑，截止到2006年底，中国大陆150m以上的高层建筑已超过150栋，而截止到2009年底，中国大陆150m以上的高层建筑已经超过了250栋之多，就在刚刚过去的2016年，又有大批的高层建筑建造计划纷纷上马。由此可见，我国高层建筑发展之快，兴建之多，令世人瞩目。

除了数量增多外，超高层建筑的高度近年来也在不断被刷新， 600m的广州塔已经投入使用；621m的天津高银117大厦已经落成；已落成建筑中第二高的上海中心大厦高度达到了632m；还有在建的729m的苏州中南中心，636m的武汉绿地中心仍旧在不断挑战着新高度。

超高层建筑高度的不断刷新，其意义不仅仅在于高度带给人们的震撼观感，而是带动了整个建筑行业中所涉及到的材料技术、设备制造技术、建筑结构设计等方面的进一步发展。

2.2 结构体型日趋复杂

为迎合大众的审美，业主的要求，建筑师实现建筑功能及造型方面的创新，越来越多的复杂体型和内部空间复杂多变的高层建筑被设计建造出来，比如中央电视台总部大楼的“大裤衩”形状；苏州东方之门的“大秋裤”造型；湖州喜来登温泉度假酒店的“O型”建筑等。

随着国民经济的发展，高层建筑除了要满足建筑的使用功能，还越来越重视建筑的个性化体现。而我国绝大部分地区为抗震设防地区，而高层建筑集中的在东南沿海地区又是台风频仍的地区。如广东、福建等地高层建筑的建设，广州市区就是台风多发地区，而建筑结构体型的日趋复杂使设计时本就困难重重的抗震、抗风问题面临着更大的挑战。

2.3 超高层建筑中钢—混凝土混合结构为主

据有关数据显示，截止到2018年底，我国高度250m以上超高层建筑结构中，钢—混凝土混合结构占98.4%，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【1-2】；刚刚落成的天津117大厦，外框采用钢管混凝土柱，核心筒在底部区域采用钢板混凝土剪力墙结构。

钢结构的技术优势和混凝土成本低廉的特点，促成了在我国钢—混凝土混合结构的较大发展。另一方面，钢—混凝土混合结构具有结构形式多变，适应性强，稳定性好，结构性能优异等优点，因此预计在将来的高层建筑设计中钢—混凝土混合结构将得到较大发展。

2.4 新型结构体系涌现

随着高层建筑的发展，出现了很多新型结构体系。如北京国贸三期主塔楼采用了钢—混凝土框架—核心筒结构；天津津塔主要抗侧力体系由钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸钢臂抗侧力体系组成；广州西塔采用了外部交叉网格结构体系【3】。除此之外，由巨型柱形成的巨型框架等结构形式也在高层建筑中较多使用。

3 高层建筑结构设计难点

3.1 高层建筑结构的规则性

高层建筑结构由于在高度上有独特特性，这种特性带来了建筑结构规则性上的很多限制，尤其是高宽比的控制和日益突出的外立面体型复杂多变等问题。

例如广州白云新城“绿地中心”，主塔楼高宽比较大，如果考虑主要提供抗侧刚度的核心筒尺寸的话，则塔楼高宽比更大，而核心筒为矩形，Y方向侧向刚度偏弱，会导致在地震作用下结构失稳。参照此项案例，国内很多高层建筑都存在此项问题，针对这种情况一般采取加强框架梁与核心筒连接的方式增强其侧向刚度，并在核心筒设置型钢暗柱、暗梁，在核心筒范围内形成隐形型钢框架，这样可以通过提高结构延性的方式提高相应的承载能力，保证结构在地震作用下的可靠性。

外立面体型复杂多变，为幕墙的设计带来诸多不便，且在现有规范中往往难以为幕墙设计进行取值计算。为解决此项问题，可酌情进行风洞试验，通过试验获得风压峰值和风荷载局部体型系数，进而由实验数据观测分析得出风振作用对高层建筑结构的影响情况。

3.2 高层建筑扭转问题

高层建筑结构设计的三个核心问题分别是：刚度的中心、整体结构的重心和几何形心。高层建筑的扭转问题就是没有将三者进行高度的重合，在水平压力作用下，建筑物出现扭转现象。在高层建筑设计时，应注重建筑平面布局的合理性，尽量保持高层建筑刚度中心、整体结构中心和几何形心的重合。

3.3 高层建筑超高情况

由于超高层建筑的设计和建设过程本来就是一个不断挑战，不断刷新新纪录的过程，因而很多工程实践中，存在超高情况。针对这一情况设计人员多以风洞试验和振动台试验来试验设计的合理性和可靠性，要经过对试验数据的多次分析处理，反复讨论修改设计方案和施工方案，才能最终使工程抗震设计和抗风设计达到理想的效果。

针对超高问题，在新的规范中，把原来限制的高度规定为A级高度，并为适应新的客观情况，增加了B级高度。规定的进一步细化，使得高层建筑结构处理设计方法和措施上都有了不小的改进。实际工程设计中，对于建筑结构类型的改变对高层超高问题应予以足够的重视，如果相关技术人员忽略此类问题，在施工审图时将不予通过，并且应该重新进行设计或者进行专家会议的论证等。在这种情况下，整个建筑工程的造价和工期都将受到极大影响。

3.4 高层建筑的基础设计

高层建筑设计中最重要的就是基础设计。高层建筑层数多，自重大，荷载集中，对基础的要求高，因此基础类型的选择和埋置深度必须符合设计要求。在进行基础设计时要保证其埋深深度必须满足基底稳定和变形的具体要求，以避免日后建筑物出现倾斜的状况。高层建筑基础通常采用桩形、筏形或复合基础，其选型设计应该根据工程地质条件、施工条件、上部结构情况、抗震设防和周围环境条件等因素综合考虑[4]。

4 结语

我国的高层和超高层建筑越来越向着超高超大，结构多样化，造型奇特的方向发展，就其规模和复杂程度不但在国际上罕见，而且很多建筑也突破了我国现行的相关技术规范要求。如何保证我国的高层以及超高层建筑符合抗震，抗风，防意外事件（爆炸，火灾，撞击）的要求，是亟待解决的大事。

我们应该在高层结构抗震设计理论和方法方面开展进一步研究，目前我国关于高层建筑结构的倒塌过程的理论和试验研究才刚刚起步，仍没有进一步出台相关的设计文件和标准。加强对高层结构隔震减振控制技术的研究，这是抗震、抗风设计的一条重要途径。同时，加强对高层混合结构的研究也同样重要，面对这个大部分高层建筑都在使用的结构形式，我们对它的了解还是有限的。

[1]汪大绥，周建龙，袁兴方.上海环球金融中心结构设计[J]建筑结构，2007，37（5）：8-12

[2]李国强，陈素文，李杰，等.上海金茂大厦结构动力特性测试[J].土木工程学报，2000,33（2）：35-39.

[3]徐培福，傅学怡，王翠坤，等.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[4]徐春卯.超高层建筑结构设计的关键性问题思考[J].四川，建筑科学，2015,13（2）

[5]中国建筑学会建筑结构分会高层建筑结构委员会.我国大陆 2004年底已建成150m以上高层建筑统计[J].土木工程学报，2008.

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1007-6344（2017）09-0276-01