300m 以上超高层建筑的结构材料与选型比较分析

瞿佳绮 庄葵 周劼竞

1 世界高层建筑与都市人居学会（CTBUH）

2 CCDI 悉地国际

3 SOM 建筑事务所

1 300m以上超高层建筑全球发展概览

截至2021年3月，根据世界高层建筑与都市人居学会（CTBUH）数据库显示[1]，全球一共有191座300m以上超高层建筑，其中中国拥有95座，占全球总数的49.7%，位居世界第一，阿联酋拥有31座，美国拥有28座，分别位居世界第二和第三。图1展示了中国、美国、阿联酋在过去30年300m以上超高层建筑的数量，可以明显看到，我国自2010年超越了美国成为世界上拥有300m以上超高层建筑最多的国家，呈现明显增快的趋势。2010年至今，我国和阿联酋每年都有300m以上的超高层建筑完工。相比之下，美国起步最早，但数量上没有快速增长。在2010—2020年的10年中，美国总计建成的300m以上超高层建筑数量与我国在2019年一年建成的数量一致，均为14座。

1 中国、美国、阿联酋拥有的300m 以上高层建筑数量

2 超高层建筑结构材料使用情况分析

2.1 300m以上超高层建筑材料使用的发展历史

世界上第一座300m以上的超高层建筑是位于美国纽约的克莱斯勒大厦，于1930年完成，高319m，其世界第一的高度于1931年被帝国大厦（Empire State Building）以381m超越。克莱斯勒大厦与帝国大厦均采用钢结构，当时美国市场上最常用的结构钢材屈服强度在270MPa，含有比现今钢材更多的碳、硫、磷等元素，使得其难于焊接[2]。而目前全球最高的钢结构建筑是1974年建成于芝加哥的威利斯大厦（Willis Tower），高442m。1990年起，屈服强度为350MPa的钢材逐渐成为美国市场的主流，这与我国目前市场常用的钢材Q355强度一致。

混凝土因其自重大、平均强度低、延展性不好等因素，难以单独成为超高层建筑的结构材料，在300m以上超高层建筑中出现较晚，第一次使用为芝加哥的慎行广场二号大厦（Two Prudential Plaza）（图2），于1990年建成。2020年，纽约的中央公园大厦（Central Park Tower）（图3）以472m刷新了混凝土结构的建筑高度。高层建筑设计中，我国高层建筑常用混凝土C40，与美国常用的6ksi混凝土强度基本一致。

2 芝加哥慎行广场二号大厦

3 中央公园大厦

第一座300m以上的复合结构建筑特拉维斯街600号（600 Travis Street）（图4），于1982年在美国休斯顿建成。我国与阿联酋的第一座300m以上超高层建筑均为复合结构，分别是位于香港的中国银行大厦（1990年建成）（图5）和迪拜的帆船酒店（1999年建成）（图6）。世界最高的复合结构建筑为2015年建成的上海中心，高632m。型钢混凝土的组合结构第一次突破300m便是在世界最高建筑哈利法塔中（2010年建成，高828m），其与2016年建成的广州周大福金融中心，都使用了C80高强度混凝土。美国2014年完工的世贸一号楼使用了14ksi（材料强度约为96MPa）混凝土。

4 特拉维斯街600 号

5 中国银行大厦

6 帆船酒店

2.2 300m以上超高层建筑材料的使用现状

根据CTBUH 数据库，对中国、美国、阿联酋300m以上超高层建筑进行基于材料的分类（表1），并结合 CTBUH2020对建筑材料的统计可以看出（图7），早期的高层建筑多用钢结构，并且集中在北美[3]。随着全球最高的100座建筑的平均高度不断上升，复合材料因结合了混凝土可塑性强、防火性能好和钢材自重轻、强度高的优点，逐渐被广泛使用。亚洲和中东地区开始在全球最高的100座建筑中占有一席之地。

表1 不同结构材料在中国、美国、阿联酋300m以上超高层建筑中的占比

7 世界最高的100 座建筑的材料与地区分类统计

在对300m以上超高层结构材料的统计中发现，我国多用复合材料，阿联酋在初期尝试少量复合材料，之后建造的大多数建筑都使用混凝土材料。对比美国在2000年以前和2000年以后完工的300m以上超高层建筑，钢结构从64%下降至12%，而复合材料和混凝土材料的占比明显增加。总体来说，美国300m以上超高层建筑显示出明显的多样性，这和其建造历史长、市场和规范的包容度广有密不可分的关系。

2.3 300m以上超高层建筑材料的选择

钢结构和复合楼板可实现的跨度更大，其开放空间符合办公建筑的使用要求，并且开洞更灵活，可以加建内部楼梯。混凝土建筑隔音效果好、震动少，更适用于住宅建筑。在美国300m以上拥有住宅功能的8座超高层建筑中，6座使用混凝土材料。然而建筑功能并不是决定结构材料的全部因素，我国拥有住宅功能的300m以上超高层建筑全部为复合材料；在阿联酋带有办公功能的7座300m以上超高层建筑中，5座使用混凝土材料。可见，使用功能并不主导结构材料的选择。

受昼夜温差大、沙漠和海洋交接气流影响，迪拜的钢结构超高层建筑位移控制难度增加，同时当地钢结构报批流程比混凝土更复杂，材料加工人工费用更多，多重因素都使得混凝土成为迪拜超高层建筑的主要材料。

美国规范所允许的钢筋混凝土材料强度上限要略高于中国规范，其混凝土设计规范ACI 318-19对混凝土的最高强度等级不做具体限制，只在针对框架柱设计的条文说明里提到若抗压强度超过15ksi（约为103 MPa）因实验数据匮乏应谨慎使用[4]。钢筋的最大的屈服强度可以采用100ksi（689MPa），此时建筑高度不得超过130m。位于西雅图的Premiere on the Pine项目就使用了15ksi的混凝土柱和90ksi（620MPa）的钢筋[5]。中国混凝土规范列出的混凝土最高等级为C80，钢筋的最大可用屈服强度为500MPa，略低于美国规范[6]。使用高强度混凝土与钢筋可以减少柱的截面尺寸与配筋率，从而使施工更加便捷。因为美国的建造人工成本高于我国，使用强度更高的混凝土材料在造价上比使用复合材料更有优势，在一定程度上可以减少对复合材料（如内埋型钢混凝土）的需求。

钢材作为可回收的建筑材料，在碳排放上有明显优势，同时钢材的强度高，可以减少构建体积和结构自重，进一步节约项目成本。我国关于装配式钢结构的要求就是为了减少对环境的影响、提高工程质量。但是抗火性能及造价是纯钢结构在超高层建筑使用中的重要限制，在2001年美国世贸大厦倒塌事件后，美国纯钢结构的高层建筑明显减少，钢结构在火灾、爆炸等极端情况下都远不如混凝土结构。

两国规范对钢材强度要求较为一致。根据美国第15版钢设计手册，热轧工字型钢普遍运用的是ASTM A992 屈服强度为50ksi（345 MPa）的钢材，与中国钢设计标准所列出Q355钢材对标[7-8]。美国ASTM A572钢材可以达到的最大屈服强度为65ksi（448 MPa），与Q460钢材对标。

混凝土和钢材在目前建造技术方面均可以达到高度和功能的设计要求，但是由于各地区实际环境不同，出于对规范、施工以及实际构建尺寸的考量，不同地区的项目选择了不同材料。综合考虑，混凝土与钢的混合结构成为我国超高层建筑最主要的结构材料，同时也成为近20年全球超高层建筑使用最多的材料。

3 超高层建筑结构体系分析

3.1 超高层建筑结构体系现状分析

超高层建筑中最常采用核心筒+抗弯框架的结构体系，主要目的是使外围柱以其力臂优势参与抵抗侧向力，从而减少低区核心筒的弯矩。在对全球最高的50座建筑的统计中，超过一半的项目使用了伸臂梁结构来实现外围抗弯框架，少量超高层建筑采用了其他结构形式。例如，哈利法塔（图8，9）因为其超高的高度使用了Buttress Core（支撑核心筒），以减少结构构件尺寸和平面进深，优化使用体验。另一个例子是位于纽约的中央公园大厦，使用了核心筒+剪力墙结构，该项目因平面过窄，高宽比过大，外框架不能实现足够的力矩，所以部分外墙被作为剪力墙纳入结构体系。Moon在对100层纯钢结构的建模比较中发现，相同情况下，伸臂梁结构比支撑筒和斜交网格筒结构多近两倍的钢用量。尽管在材料用量上没有节省，但伸臂梁结构却因其对立面设计没有限制而被更广泛地应用[9]。

8 哈利法塔标准层结构平面图

9 哈利法塔

我国与美国在结构体系的选择上有一定差异。我国多采用核心筒+一定形式的巨型框架结构体系，上海中心大厦（632m）（图10，11）与深圳平安金融中心（599m）均在外框布置了型钢混凝土巨柱，同时采用了带状桁架、伸臂桁架与顶层阻尼器等多重结构措施，深圳平安金融中心（图12，13）还在此基础上在外筒增设了斜撑[10]。在美国，尽管大多数建筑也采用了核心筒+外框的结构体系，但是外框形式相对传统简单，位于纽约的世界贸易中心一号楼（541m）（图14，15）仅采用了钢筋混凝土核心筒+外部钢结构框架及顶部钢伸臂桁架；位于旧金山的Salesforce Tower（326m）（图16，17）尽管处于地震烈度较高的区域，也只采用了混凝土核心筒+钢重力柱体系。

10 上海中心办公楼层结构平面图

11 上海中心

12 深圳平安金融中心标准层结构平面图

13 深圳平安金融中心

14 世界贸易中心一号楼标准层结构平面图

15 世界贸易中心

16 Salesforce Tower 标准层结构平面图

17 Salesforce Tower

3.2 中美超高层建筑结构规范比较

中美两国的规范差异，成为中美超高层建筑结构体系不同的重要依据。我国2010高层建筑混凝土结构技术规程限定了在非抗震设计下，剪力墙结构的最大适用高度为180m[11]，超过此高度则需选择框架+核心筒或筒中筒的双重结构体系，且最大适用高度为300m。在抗震设计下，最大适用高度会根据震烈度而降低，并且框架部分需承担的最大楼层剪力应大于10%的基底剪力，这些要求在超过规范适用高度的超高层建筑结构设计（超限审查）中同样适用。因此，为了使外部框架的刚度与强度达到要求，外筒的竖向构件尺寸普遍偏大，甚至需要额外布置斜撑。

美国ASCE 7-16规范在非抗震设计与烈度较低区域的抗震设计中对常规结构体系的适用高度几乎不做限制[12]，对满足特殊构造要求的剪力墙或斜撑体系、框架体系，以及剪力墙+框架结构体系均不做高度限制。在烈度较高的抗震设计中，剪力墙与斜撑结构的最大适用高度仅为49m，而框架与剪力墙+框架结构则不受限制。在规范中，剪力墙+框架体系中的框架特指满足特殊构造要求的钢结构框架或混凝土框架，并且框架部分可以独立承担25%的地震荷载，否则需按剪力墙体系确定设计参数。因此，在主要由风荷载控制的区域（如纽约市），由于结构体系不受高度限制，如果采用了核心筒作为主要抗侧体系，外框的主要功能可以仅用于承受重力，从而尺寸普遍偏小。在需要控制地震荷载的区域（如旧金山市），由于剪力墙核心筒体系的适用高度较低，以及核心筒体系+框架体系的造价大于核心筒+重力柱体系，不少高层与超高层项目选择了核心筒+重力柱体系并进行超限同行审查。PEER与LATBSDC分别发表的抗震超限设计指导性文件，为超过高度限制的核心筒体系提供了设计依据[13-14]。

综上所述，我国规范对结构外框（筒）作为第二道防线的要求比美国规范更加严格，因此外框的结构形态更加复杂，尺寸也普遍偏大。但是这种差异在未来有减小的趋势。例如，在2021年6月1日起实施的广东省《高层建筑混凝土结构规程》中将重力柱+核心筒体系作为高层建筑的体系之一，对框架承担一定比例基底剪力的要求也进行了删减[15]；迪拜也在2020年10月发布了更新的建筑规范以减少建造成本。

4 结语

近10年，我国有大量300m以上超高层建筑建成，在结构体系上呈现非常明显的一致性，复合材料的核心筒+巨型框架（筒）结构体系成为主流。与之相比，美国超高层建筑受其建造历史的影响，材料使用和结构选型更多元化；阿联酋的建筑规范多借鉴于欧美，结合自身气候和社会因素，形成以混凝土为主的结构。总而言之，复合材料因结合了钢材和混凝土的优势，成为了现今在全球300m以上超高层建筑中最多使用的材料，核心筒+伸臂桁架结构体系是300m以上超高层建筑最常用的结构体系。但是在外框形式上各地区有明显不同，我国规范对外框所需要承担的荷载比例要求更高。随着我国超高层建筑设计实践，以及与全球的交流日趋增多，或许未来我们将看到超高层建筑更多样的结构造型与材料运用。