浅谈我国高层建筑结构的现状及发展

2018-12-07王雅超

建材与装饰 2018年45期

王雅超高闻

（山东科技大学土木工程与建筑学院山东青岛 266590）

1 我国高层建筑及其结构

1.1 高层建筑概述

房屋的高度是指建筑物室外地面到屋面或屋面板的高度，不包括电梯房、水箱、框架等高度。在我国，高层建筑的边界规则并不完全统一。根据《高层建筑混凝土结构技术规范》，高层建筑是指10层以上、28m以上的钢筋混凝土民用建筑。根据《高层民用建筑设计》（GB50045-1995），高层建筑是指10层以上的住宅建筑（包括一楼有商业服务点的住宅）和24m以上的公共建筑。根据使用的结构材料，高层建筑可分为三种类型：钢结构、混凝土结构和钢-混凝土混合结构。钢结构具有强度高、重量轻、抗震性能好、施工速度快等优点。但由于国内钢材供应量大、造价高、施工精度高、防火性能差、舒适性差等原因，钢结构的广泛应用受到限制。混凝土结构具有可塑性强、钢材消耗量小、材料使用方便、施工简单、造价低、维护成本低等优点。随着各种高效抗震墙组合结构的应用，混凝土和钢筋的强度等级不断提高，促进了混凝土结构在超高层建筑施工中的快速响应。混凝土结构的缺点是自重、延性差、施工速度慢、构件占地面积大、占地面积大。钢-混凝土组合结构是指由钢-混凝土组合构件和钢筋混凝土构件组成的结构类型。由于钢-混凝土组合构件形式多样，可形成混合结构体系。该结构能有效发挥钢构件的作用。钢-混凝土组合构件和钢筋混凝土构件是它们各自的特点。与钢结构相比，混合结构具有以下优点：结构整体侧刚度明显提高，钢用量减少，成本低，耐火性能好。与混凝土结构相比，混合结构具有占地面积小、占地面积小、施工速度快等优点。混合结构的缺点是钢结构构件的协同性能。规范的控制指标需要进一步补充和完善。不同结构体系的结构占用面积如表1所示。

1.2 高层建筑结构特点及体系

建筑结构必须承受水平和垂直载荷。低层建筑结构通常要抵抗竖向荷载，水平荷载（如风荷载）或效应（如地震效应）对低层建筑的影响较小。由于低层建筑产生的内力和位移相对较小，一般可以忽略不计。因此，竖向荷载往往是低层建筑结构中设计的控制因素，材料消耗、成本和结构方案的确定主要由竖向荷载控制。但在高层建筑结构中，水平荷载对结构的影响较大，横向位移已成为结构设计的主要控制目标之一。建筑高度导致完全不同的应力条件，水平荷载和垂直荷载共同作用，两者都是设计中需要考虑因素。

表1 不同结构体系的结构占有面积对比

高层建筑构件也会受到多种变形的影响。在一般情况下，通常只考虑构件弯曲变形的影响，由于构件轴向和剪切变形的影响比较小，可以忽略不计。在高层建筑中，变形的原因是地基不均匀沉降，主要表现在墙体开裂。

由于结构特性的限制，横向阻力系统的选择和组成是高层建筑结构设计的首要考虑和决策重点。高层建筑的选型在结构抗震概念设计中起着极其重要的作用，结构选择主要包括以下内容：合适的基础以及竖向和水平承重结构。影响高层建筑结构选择的主要因素是环境、功能要求、结构材料、施工水平和结构设计理论的发展。建筑位置的环境条件是选择基础结构、竖向和水平承重结构的基本依据。地震设防烈度的设防标准难以确定的原因是地质条件的复杂性、地震运动的随机性和结构损伤规律的不确定性，这样结构选型也就不容易。为了解决上述问题，提出三个设防水准和两阶段设计，并考虑到建筑的重要性。

2 我国高层建筑的产生与发展历程

自古以来，人类就有越来越高的愿望和需求。从心理需求的角度来看，人工创造可以表达一种崇拜感，人们需要人工创造的物体来表达他们对人类的崇敬，超越普通的水平，比如对神和强大的统治者的崇敬。高人工创造可以象征权力，表现为金钱、权力和地位。从物质需要的角度来看，高度就是高度。从高处看，视野可以非常开阔和遥远，让人感觉神清气爽。从东汉到清末，中国建造了数以万计的木结构、砌体结构、石结构和木石结构的混合塔，现存约25000座。毫不夸张地说，中华民族有着建造高楼大厦的悠久历史。新中国成立后，我国高层建筑的发展主要分为三个阶段。第一阶段：从新中国成立到60年代末，这个阶段的建筑主要在20层以下，建筑结构主要以框架的形式。第二阶段：70～80年代，北京饭店于1974年在北京建成，20层，874m，1976年在广州建成33层的白云饭店。20世纪80年代，中国高层建筑开始蓬勃发展。从1980～1983年的三年中，所有的高层建筑都在1949年之后竣工。第三阶段：从20世纪90年代初开始，中国的高层建筑进入了发展的跳跃阶段。

3 我国高层建筑结构发展的特点

我国高层建筑结构的发展可以概括为：结构越来越复杂，层高越来越高，以混合结构为主，出现了一些新的结构体系。随着国民经济的发展，高层建筑不仅要满足建筑物的功能要求，而且要越来越重视建筑物的个性化，这使得高层建筑的平面和高程具有特殊性。特别是近年来，出现了各种新的复杂形状和复杂结构体系。许多复杂形状的高层建筑超过了现行设计规范的要求。借鉴以往的工程经验和震害资料，需要进行进一步的研究。尤其是许多工程采用了国外的设计师的作品，但一些来自非地震地区的外国建筑师缺乏抗震设计经验，一些建筑方案尤其不规范。据不完全统计，截至2008年底，我国有150多米的高层建筑有200多栋，其中300多米主要分布在东南部沿海地区，许多高层建筑已经在北方建成或正在设计。主要是钢-混凝土混合结构。在中国，最常用的是钢与混凝土的混合结构。据不完全统计，在我国150多座高层建筑中，混合结构和组合结构占1/5左右。200m以上高层建筑中混合结构占2/5左右，300m以上高层建筑中混合结构占3/5左右。例如，上海环球金融中心和金茂大厦都是以钢筋混凝土柱和钢柱为外框的钢筋混凝土核心管，再如北京国际贸易中心三期工程为钢筋混凝土框架管外中管结构，内管高330m，由钢筋混凝土巨型柱和斜撑钢梁组成，是中国高层建筑的最高层。钢-混凝土混合结构由于能够将钢和混凝土组合构件有效地结合在一起，具有钢结构的技术优势和混凝土造价相对较低的优点，得到了很大的发展。另一方面，我国现场施工的人工成本低于国外，采用混合结构比采用纯钢结构具有更多的经济优势。因此，钢混结构是符合中国国情的超高层建筑体系。随着超高层建筑的发展，近来出现了一些新建筑。北京国际贸易三期330m高主楼采用钢-混凝土框架-核心筒结构，内层采用钢板混凝土巨型组合柱和钢-混凝土支撑结构体系。正在施工中的337m高的天津金塔主要由钢管混凝土柱框架、核心钢板剪力墙体系和悬臂刚臂侧阻力体系组成。它具有较高的侧向刚度和延性，是世界上最高的钢板剪力墙高层建筑。广州西塔采用外跨网架结构体系，具有较强的侧向刚度和扭转刚度，能够抵抗风荷载和地震。巨型结构广泛应用于超高层结构中。它们由必要的外部立面和对角线支撑，并由桁架和巨型柱的外部框架形成。

4 我国高层建筑的展望

4.1 减震和隔震技术

结构消能减震技术是达到减震控制目的重要手段。在过去的两年中，它已经在中国的新建设项目中得到应用。然而，我国的研究工作与世界先进水平还有很大差距。隔震技术已在高层建筑中得到应用，但仍存在隔震支座张力等技术问题，需要进一步研究。主要研究内容包括：调整隔震设计的适用范围、橡胶隔震垫以外滑动平移旋转轴承的应用设计方法和措施、消能减振的细化和改进。设计方法、各种速度和位移阻尼器的适用范围、基本设计原则和控制指标。在结构控制方面，除了必要的理论研究外，还应加强产品研发，提高产品性能和质量。我国迫切需要一种高性能、高质量的新型结构振动控制装置。

4.2 抗风技术研究

随着高层建筑高度的增加，结构对风荷载的敏感性越来越高。在许多领域，风阻研究和设计已经成为控制结构安全性和性能的关键因素。高层建筑水平风响应、等效静风荷载、干扰效应、行人风环境、居民舒适度等方面的研究有待进一步加强。

4.3 绿色建筑

我国绿色建筑的范围应包括节能建筑、环保建筑和生态建筑。节能建筑通过提高围护结构的保温性能，利用自然能源，将建筑能耗降低到规定水平。环保建筑首先要具备自然采光墙和保温的功能，选用环保材料和环保涂料。生态建筑应充分利用环境。其特点及相关自然因素（如阳光、空气、水等）使其适合人类居住，减少各种不利因素，保证当地生态系统的健康运行。