台北101大厦工程结构浅析

张晨曦

摘要：以台北101大厦为例，介绍了大厦的工程概况以及其独特的地理位置对结构设计带来的种种困难。台湾属亚热带季风性气候，夏季经常面临台风威胁，同时又地处大陆板块的交界处的板块活跃区，因此台北101在设计中不仅要应对强烈的风荷载影响，抗震设计也极具挑战。通过对台北101大厦基础工程以及上部结构工程技术的介绍与分析，对今后的超高层建筑技术进行了展望与思考。

关键词：超高层建筑 基础工程 抗震 结构设计 绿色建筑

一、工程概况

台北101大楼坐落于信义计划区，占地面积达30000余m2，建筑面积约为374000m2。主体建筑的塔楼部分高508m，共101层。[1]设备层在以每八层为一个单元的单元顶层，用于放置空调等机电设备，并且可以起到消防隔离的作用。裙楼主要作为底商以及存车场使用。在抗震设计上，大楼可以承受2500年一遇的地震；在防风方面可以抵挡17级以上的强烈台风，采用了先进的阻尼器设备，确保大楼内的人员的舒适性。在空间布局上采用超越单一量体的设计，以数字8作为单元，寓意吉祥富贵，外形上像是芝麻开花节节高的竹子，象征中国生生不息的传统。

为了打造一个理想的时空地标，大楼在建造过程中始终坚持环保可持续理念，将环保主题列入设计规划。墙面采用斜面处理，有效的减少了光污染带来的问题，并且使用了高科技的隔热玻璃，阻止热量的散失，节省能源[2]。

二、基础工程技术介绍

对于超高层建筑来说，由于其在单位面积上会产生较一般高度建筑更大的荷载，地基的重要性就显得尤为重要，尤其是台北101大厦地处台北断层附近，虽然经确认为非活动断层，不会对基础工程造成额外的影响，但场地地质条件复杂，不仅地下水位较高，易对筏基产生浮力影响，而且从地表向下有30余米深的软弱黏土层[1]，这些都对基础的设计有着不小的挑战。

台北101大厦使用的是桩筏基础。上部结构直接作用在整浇到一起的混凝土基础底板之上，这样能够使高度较低的裙房与高度较高的塔楼在竖直方向产生协调一致的位移，控制不均匀沉降现象的发生。由于软土层无法有效承重，设计师又设置了共151根钻孔灌注桩[1]，利用不同排列密度的桩体将所有的载重传递到软土层下面的持力层上。

三、结构工程介绍

大厦地上部分结构由101层的塔楼和6层的裙楼组成，它们之间以伸缩缝形式完全断开，以减少温度等因素产生的超静定内力。地下室共有五层且塔楼裙楼相连以保证整体建筑沉降的一致。塔楼62层以下用钢-混结构，其余部分都是纯钢骨结构。[2]

塔楼整体为内外框架筒结构体系。内外框架的柱位可简单的分为内柱和外柱。内柱共16根，每根内柱外侧由钢板焊接成一箱体，并以此为模板向内浇筑高强度混凝土使之形成钢管混凝土受力构件，大大提升内柱的承重性能；外柱尺寸随楼层高度不断变化：在26层以下均为平行于帷幕墙的斜柱，大厦每侧都有都配有两支巨柱和两支次巨柱，都是由混凝土浇灌而成的方形钢柱；而26层以上，为增加大厦侧向刚度，结构上每侧不仅设置有两根竖直巨柱，还增加了6根H型斜柱，H型斜柱和外筒的框架结构组合为一体，每八层划分为一个独立单元。[1]因91层到101层面积变小，每侧配置的方形钢柱直接将荷载传递到91层以下的核心钢柱。

复合型构件的应用也是101大厦的一大特色。施工时混凝土直接浇筑在具有模板及结构承重用途的钢承板上，养护干燥后与钢承板协同受力形成复合楼板。同时剪力钉又将钢梁及混凝土组合成复合梁，这样荷载就可以由复合楼板过渡到复合梁而后通过各个框架柱最终传递到基础了。

（一）抗风设计介绍

超高层建筑的设计往往由水平荷载起控制作用，海拔高的位置风力大，因此抗风设计是台北101大厦的重点而台湾每年夏季又会面临台风的侵扰，对于台北101大厦来说，抗风设计在满足安全适用性中的地位就显得尤为突出了。

在抗风的设计中，设计师参考了大量的气候资料，经风洞实验后，确定了一系列设计参数，为满足人们的舒适性要求，需要降低大楼在风荷载作用下的加速度响应，为此设置了巨型质量块阻尼器降低大厦在水平荷载下的震动反应。阻尼器的质量块设置于87到92层之间，阻尼器类似于单摆结构，由八根超高强度的钢索通过支架拖住质量块下部。为了将660吨的阻尼器悬挂于92层[4]，支架周围还设置了八组油压式阻尼器，以达到削能减震的目的。为了避免大风或强震导致阻尼器摆动幅度过大而破坏结构，在阻尼器与质量块之间设置了缓冲钢环，一旦摆动幅度超过1米，质量块下方的钢筒就会撞击钢环以减缓质量块的运动。

（二）抗震设计介绍

台湾处在亚欧大陆和菲律宾板块的交界地带，板块运动异常活跃，经常受到地震作用的侵扰，所以台北101大厦的抗震设计至关重要。

大厦的抗震措施基于基本的“大震不倒，中震可修，小震弹性”和“强柱弱梁、强节点弱构件”理念进行设计，使用回归期为100年的地震数据进行模拟分析，对部分结构节点进行了加固。在满足抗风设计的前提下，绝大多数节点都能够满足要求，但除了要考虑强度的要求，还要使节点在大震中能够吸收足够多的能量来为主体结构耗散多余的地震能量。设计采用国科会专利的高韧性接头[4]，这种接头大幅度提升了节点处的韧性，通过延性破坏时形成的塑性变形消耗能量，同时又能保证不会发生脆性的突然破坏发生危险。经最后的检测，台北101大楼已经可以达到台湾震度分级中最高的第七级标准[4]。

质量块阻尼器同样也能减轻大厦主体结构在地震作用下的震动反映。虽然在风荷载作用和地震作用下，结构的加速度响应不同，风荷载使结构发生摆动频率较低，加速度较小，产生的惯性水平作用力也较小；而地震作用剧烈，结构加速度响应大，产生的惯性力大，但质量块阻尼器可以通过其非常大的慣性来抵消地震作用产生的不利水平荷载，大大减小建筑物顶部的摆动幅度。正是由于台北101大厦的大胆尝试，设计师们在看到这种阻尼器的优势及可行性后纷纷效仿、改良，在包括上海中心大厦在内的新时代超高层建筑中，这种可以减弱结构水平震动的阻尼器得以推广使用。现有的最新技术是使用电磁力来代替重力产生阻尼效应，这样不仅减轻了设备自重，还能使这种反力的作用更及时的反馈到主体结构上。

四、总结与展望

台北101大厦建成约15年，在经济、环境、社会等方面都取得了一定的成绩，向亚洲、向世界展示了台湾都市的风貌与气质。2010年以前，台北101大厦是世界上最高的建筑，是超高层建筑的先例和典范。然而我们很清楚，世界上没有不会被超越的建筑，不可能有永远的第一。继2010年以来，国内外诸多超高层建筑，如迪拜哈迪法塔、上海中心大厦等等均在高度上超越了台北101，但台北101大厦的独特仍然是不可被取代的。它独具特色的艺术造型、巧妙的结构设计、质量块阻尼器的大胆尝试无一不是在向世界证明着我们中国的经济实力和技术水平都在不断攀升。如今，越来越多的超高层建筑拔地而起，台北101大厦作为超高层建筑的代表，影响着世界的建筑设计，为在其它地震区的超高层建筑提供了理论指导。

随着施工技术的发展、结构设计的优化，我国的超高层建筑越来越普及，在追求高度的同时，我们越来越关注环保与节能方面，为与自然环境协调发展，一些绿色节能技术已经被应用到了超高层建筑的中，如上海中心大厦的雨水收集系统、新风系统和顶层风力发电系统。希望今后“绿色建筑”的概念能够有所普及，改善传统超高层建筑高耗能的情况，降低整栋建筑的人均碳排放量，让我们的绿水长流，青山常在。

参考文献：

[1]张绍松，张敬昌，钟俊宏.世界第一楼——台北101大楼之结构设计[J].建筑施工，2002，27（10）：1-4.

[2]林鸿明，林钰芳.台北101：一座永续发展的超高层建筑[A].世界高层都市建筑学会第九届全球会议论文集[C].上海：中国土木工程学会，2012：66-72.

[3]李祖原.台北101大楼[J].建筑学报，2005，（05）：32-36.

[4]谢绍松，张敬昌，钟俊宏.台北101大楼的抗震及抗风设计[J].建筑施工，2002，27（10）：7-9.

[5]钟俊宏，谢绍松，甘锡滢.台北101大楼钢结构工程之施工监造[J].建筑钢结构进展，2005，7（05）：1-10.

（作者单位：洛阳理工学院附中）