我国超高层建筑分析

我国超高层建筑发展分析

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摘要：近年来，我国超高层建筑发展迅速，本文对我国超高层建筑的发展现状、发展新特点进行了研究分析，并阐明了超高层建筑结构设计、分析中的关键问题。

关键词：超高层建筑 结构体系 发展趋势 结构分析

0 引言

随着我国经济和科学技术的发展，超高层建筑逐渐盛行。作为现代城市中的地标，超高层建筑已表现出非凡作用，成为国家、民族以及城市经济崛起的象征。近几十年来，我国陆续建成了一批超高层建筑，包括金茂大厦(地上88层，总高度420m)、广州西塔(地上103层，总高度432m)、上海环球金融中心(地上101层，总高度492m)。随着社会经济的发展，超高层建筑正向着更高的方向迈进，比如上海中心(地上124层，总高度632m)、武汉绿地中心(地上125层，总高度606m)、深圳平安国际金融中心(地上120层，总高度648m)。超高层建筑的结构体系的创新不仅对超高层建筑的安全性和经济性影响较大，而且对开拓建筑空间形式和使用功能具有重要作用，是超高层建筑设计及建造中的核心技术。在超高层建筑迅速发展的同时，结构的分析和设计面临新的挑战。

1 超高层建筑的界定

所谓的高层建筑、超高层建筑有其历史的局限性，随着社会的发展、科技的进步，其定义会随之发生变化。因此，高层建筑是一个相对而言的概念，至今尚未有统一的划分标准，在不同国家、不同时期规定也不一样：美国，把22～25米以上或7层以上的一般房屋，10层以上的住宅定义为高层建筑；英国，把24.3米(约80英尺)以上的房屋定义为高层建筑；法国，把50米以上的居住建筑，28米以上的其它建筑定义为高层建筑；日本，把8层或31米以上的房屋定义为高层建筑，把30层以上的旅游、办公建筑和20层以上的住宅建筑定义为超高层建筑；前苏联，把11～16层以上的住宅定义为中高层住宅，16层以上的建筑定义为高层建筑。

在我国，《高层民用建筑设计防火规范》(GBJ45-82)规定：10层及10层以上住宅和建筑高度超过24米的其它民用建筑为高层建筑；《钢筋混凝土高层建筑结构设计规程》(JGJ3-91)规定：8层及8层以上的建筑为高层建筑；《住宅建筑设

计规范》(GBJ96-86)规定：7～9层的住宅为中高层住宅，10～30层住宅为高层住宅。

根据联合国教科文组织所属世界高层建筑委员会建议，一般将高层建筑划分为四类：一类高层建筑：9～16层，高度不超过50米；二类高层建筑：17～25层，高度不超过75米；三类高层建筑：26～40层，高度不超过100米；四类高层建筑：40层以上，高度超过100米。因此，在我国一般将8层(包括8层)以上的房屋建筑定义为高层建筑，将高度超过100米以上的房屋建筑定义为超高层建筑。

2 超高层建筑的优越性分析

超高层建筑作为现代经济社会建筑业发展的一大主流,是经济发展的标志,它正在不断的改变着城市的经济结构与城市景观，它的高速发展有其历史的必然性和积极意义。

首先，超高层建筑的建设是以高科技、新材料为背景，它推动人类科技水平的不断提高、经济实力的不断增强、新型建筑材料的不断出现、相关产业的不断进步。如中华第一高楼即世界第三高楼——上海金茂大厦，作为一项国家级乃至国际级建筑科技的大展示，金茂大厦的落成不仅为申城创造出了又一杰出的标志性建筑，而更重要的是由其树立的建筑典范为中国建筑史翻开了新的一页。

其次，高层建筑和超高层建筑可以缓解大、中城市用地紧张的矛盾，用有限的“黄金地段”发挥最大的经济效益。建筑界有关人士认为:在地价昂贵的区域，建高层有利于平衡地价¾。

第三，高层建筑尤其是超高层建筑可以创造旅游景点和人文景观。如上海虽然没有名山大川，但这几年兴建的金茂大厦、东方明珠电视塔等标志性建筑创造了壮观的都市景色，使中外登高旅游者心旷神怡。因此登楼观光成了上海一个特色旅游项目。整座金茂大厦由主楼与裙房构成，远远望去其主楼像一支笔，裙房则恰如一本翻开的书，在距地面341米的全上海最高的观光层上，往西看是东方明珠电视塔的三颗红珠子，黄浦江像一根白丝带，外滩建筑群更像是一组精雕细刻的缩微图。据介绍，金茂大厦每天接待参观学习、旅游观光等约10万人次以上，且上海每年还在此举行一次大型登高比赛。

3 我国超高层建筑发展现状

3.1 建筑高度

截至2012年底，我国共建成高度超过250m的超高层建筑94幢，其高度分布比例如图1所示。高度250~300m的超高层建筑数量最多，约占建筑总数的59%；高度500m以上超高层建筑仅1幢；港澳地区超高层建筑共计18幢，约占总数的20%。这一阶段国内典型超高层建筑，有上海环球金融中心(高度492m)和深圳京基金融中心(高度442m)。

2013-2018年，我国计划建成高度250m以上的超高层建筑共计164幢，如图2所示。与图1相比，高度300~400m的超高层建筑数量显著增多，约占总数的43%。港澳地区超高层建筑共2幢，约占总数的1.2%。

除超高层建筑数量增多外，超高层建筑的高度近年来不断增加。高度500m以上的超高层建筑增多，部分建筑高度已突破600m。如上海中心大厦，总高度632m。建成之后将与高度420m的金茂大厦、492m的环球金融中心共同构成浦东陆家嘴金融城的新三角。建造中的深圳平安金融中心塔楼桅杆顶高度为648m。

图1 我国已建成的超高层建筑高度统计

（截止2012年底，共94幢）

图2 我国计划建成的超高层建筑高度统计

（2013-2018年底，共164幢）

3.2 分布地区

截至2012年底，我国已建成高度250m以上的超高层建筑地域分布如图3所示，可见，超高层建筑主要集中在经济较发达的珠三角和长三角地区；主要城市包括上海、香港、广州和深圳。

2013-2018年，我国计划建设高度250m以上的超高层建筑分布如图4所示，可见，超高层建筑分布区域明显增加，其中环渤海地区将成为超高层建筑的集中地，二线城市的超高层建筑数量亦显著增加。

图3 我国已建成超高层建筑分布（截止2012年底）

图4 我国计划建设的超高层建筑分布（2013-2018年）

4 超高层建筑结构发展新特点

4.1 结构体系

高度超过 250m的超高层建筑结构，一般采用框架-核心筒、框筒-

核心筒、

巨型框架-核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撑4种结构体系，分别适用于不同高度的超高层建筑。框架-核心筒、框筒-核心筒适用于高度250-400m的超高层建筑；巨型框架-核心筒、巨型框架-核心筒-巨型支撑适用于高度300m以上的超高层建筑。

框架-核心筒结构是目前高层及超高层结构中应用最广泛的结构形式之一。核心筒除了四周的剪力墙外，内部还有楼梯间!电梯间的分隔墙，核心筒的刚度和承载力都较大，成为抗侧力的主体，框架承受的水平剪力较小。为使周边框架柱参与抗倾覆，增大结构抗倾覆力矩的能力，在核心筒和框架柱之间设置水平伸臂构件。伸臂桁架使一侧框架柱受压、另一侧框架柱受拉，减小结构的侧移和伸臂构件所在楼层以下核心筒的弯矩。为了进一步增大结构的刚度，使周边的框架柱都参与抗倾覆力矩，在设置伸臂构件的楼层设置周边环带构件。设置加强层后，框架-核心筒结构的建造高度与筒中筒结构的建造高度接近。

巨型框架-核心筒-巨型支撑结构具有多道抗震防线。设置巨型支撑可提高结构抗侧刚度，且减小刚度突变；水平地震作用下，巨型支撑可提高外框架刚度，使框架底部剪力和弯矩明显提高。

4.2 结构材料

超高层建筑所采用的材料可分为三类: 钢结构、混凝土结构和钢-混凝土混合结构。钢结构强度高、自质量轻!抗震性能好，施工速度快，但由于造价较高!防火性能差等问题，限制了钢结构在高层建筑中的广泛应用"混凝土结构可塑性强、用钢量少，取材方便，维护成本低，加之混凝土和钢筋强度等级不断提高，促使混凝土结构在超高层建筑建造中得到广泛应用。然而，混凝土结构存在自质量大、结构构件尺寸较大等问题"钢-混凝土混合结构是将钢与混凝土组合而成的结构类型，可有效发挥钢与混凝土自身的优点。

5 超高层建筑结构分析进展

5.1 抗风优化设计研究

随着建筑高度不断增加，结构抗侧刚度趋于变柔、阻尼降低，结构对风作用更加敏感，因此，建筑形态成为超高层建筑结构设计中一个重要的控制因素。建筑形态的空气动力学优化，减小结构风荷载和控制建筑舒适度，从而降低结构造价。超高层建筑的空气动力学优化主要体现在平面!立面和局部形态等方面。

5.1.1 选择合适的平面形状

一般的高层建筑采用矩形平面，但对于超高层建筑，采用矩形平面不利于结构抗风。相比而言，平面为圆形、椭圆形、三角形、Y形、月牙形的建筑，对横向作用力的敏感性没有矩形平面强。此外，角部修正也是建筑平面形状优化的另一重要方面。角部修正主要有倒角、削角和圆形化。角部修正改变剪切层的流动特征，促使分离流再附，减小尾流宽度，从而有效地降低阻力和脉动升力。

5.1.2 沿高度变化调整截面

沿高度变化调整平面可以分为两种形式: 一种是锥形化立面与阶梯缩进平面； 另一种是随高度变化改变平面形状。锥形立面与阶梯缩进平面的建筑，平面宽度随建筑高度的增加而减小，产生涡激共振的临界风速也减小。而边界层内的风剖面表明，风速随高度的增加而增大，这就使得涡激共振得到有效控制。随高度改变平面形状的方法，主要是使建筑在不同高度处的平面形状发生改变。不同的平面形状对应着不同的斯脱罗哈数，这将影响涡激共振产生的临界风速。同时，平面形状的改变，扰乱脉动风荷载沿高度的相关性，削弱叠加效应，从而达到减弱风致响应的目的。

5.1.3 改变局部形态

改变局部形态的优化方法通常是在前两类方法的基础上使用。该方法具体可分为建筑附加开洞、附加扰流翼、以及使塔冠形态复杂化。

5.2 长周期地震作用研究

超高层建筑的长周期特点成为结构设计的重点。在超高层建筑结构设计中，有必要考虑不同长周期地震运动参数的影响。受模拟式强震仪频率特性的限制，长周期地震记录数量较少或者欠精确，准确的记录往往集中在3s以内。因此，本文的长周期定义为大于3s。

对超高层建筑，由于高宽比较大，自振频率较低，结构低阶自振频率的响应构成结构动力响应的主要成分，针对结构的长周期效应，以3个超高层结构作为算例进行分析，研究长周期效应对超高层抗震设计的影响。

5.3 耗能减震技术研究

消能减震结构是在结构上附加衰减机能，在地震作用下吸收地震能量，进而实现消能减振。消能减震结构所使用的消能部件分为: 利用位移相关性的消能部

件和利用速度相关性的消能部件。黏滞阻尼器为速度相关性消能部件，此种消能部件通过依靠速度产生的内力吸收能量。

6 结论

1) 超高层建筑数量不断增加，分布地区由长三角、珠三角地区向全国其他区域扩展，环渤海地区以及部分二线城市超高层建筑发展迅速。

2) 随着建筑结构高度的增加，巨型框架和巨型支撑应用较多，钢-混凝土混合结构在超高层建筑结构中应用广泛。

3) 超高层建筑土建工程造价约占建安造价30%-40%，随着塔楼高度的增加，土建造价将有所提高。

4) 将合适的空气动力学优化方法，在超高层建筑中通过具体的建筑与结构设计来实现，可以同时达到减小建筑的风致响应与保证建筑形态优美的目的。

5) 结构高度越高，长周期振型越多; 超高层建筑总动力响应中，长周期模态的基底剪力占结构地震总响应的50%以上; 长周期模态的倾覆力矩占地震总响应的90%以上。长周期地震作用对超高层建筑结构影响显著。

6) 耗能减震技术可有效降低结构的地震作用响应，提高超高层建筑结构抗震性能，是未来超高层建筑结构抗震的发展方向。

参考文献

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