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通過數(shù)據(jù)和案例解讀我國超高層建筑的現(xiàn)狀與趨勢

來源:中國幕墻網(wǎng)收集整理  作者:編輯  日期:2016-4-26
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  隨著我國經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展,超高層建筑逐漸盛行。作為現(xiàn)代城市中的地標,超高層建筑已表現(xiàn)出非凡作用,成為國家、民族以及城市經(jīng)濟崛起的象征。我國的超高層建筑發(fā)展始于1990 年,1990~2007 年是超高層建筑的起步期,2008~2012 年為超高層建筑的快速發(fā)展期,2013~2018 年可謂是超高層建筑的繁榮期。

  本篇文章內(nèi)容由[中國幕墻網(wǎng)]編輯部整理發(fā)布:

  框架- 核心筒結構是目前高層及超高層結構中應用最廣泛的結構形式之一。由于有實腹筒存在,我國《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》將其歸入筒體結構。核心筒除了四周的剪力墻外,內(nèi)部還有樓、電梯間的分隔墻,核心筒的剛度承載力都較大,成為抗側力的主體,框架承受的水平剪力較小。為了使周邊框架柱參與抗傾覆、增大結構抗傾覆的能力,在核心筒和框架柱之間可設置水平伸臂構件。伸臂構件使一側框架柱受壓、另一側框架柱受拉,對核心筒形成反彎,減小結構的側移和伸臂構件所在樓層以下核心筒各截面彎矩。設置水平伸臂構件的樓層成為加強層。

  為了進一步增大結構的剛度,使周邊的框架柱都參與抗傾覆,可在設置伸臂構件的樓層設置周邊環(huán)帶構件。設置加強層后,框架-核心筒結構的建造高度與筒中筒結構的建造高度接近。

  用框筒作為外筒,將樓(電)梯間、管道豎井等服務設施集中在建筑平面的中心做成內(nèi)筒,就成為筒中筒結構。采用鋼筋混凝土結構體系時,一般外筒采用框筒,內(nèi)筒采用剪力墻圍成的井筒;采用鋼結構體系時,外筒用框筒,內(nèi)筒一般也采用鋼框筒或鋼支撐框架。框筒- 核心筒結構是雙重抗側力體系,在水平力作用下,內(nèi)外筒協(xié)同工作,其側移曲線類似于框架- 剪力墻結構,呈彎剪型。

  外框筒的平面尺寸大,有利于抵抗水平力產(chǎn)生的傾覆力矩(詞條“力矩”由行業(yè)大百科提供)和扭矩;內(nèi)筒采用鋼筋混凝土(詞條“鋼筋混凝土”由行業(yè)大百科提供)墻或支撐框架,具有比較大的抵抗水平剪力的能力。

  巨型結構的概念產(chǎn)生于上世紀60 年代末,由梁式轉化層結構發(fā)展而成。巨型結構體系是由巨型構件組成的簡單而巨型的桁架或框架等結構,作為超高層建筑的主體結構,是與其他次結構共同工作的,從而獲得更大的靈活性和更高的效能。

  巨型框架- 核心筒- 巨型支撐結構由巨型鋼框架、巨型支撐、鋼筋混凝土核心筒和伸臂桁架組成,具有多道抗震(詞條“抗震”由行業(yè)大百科提供)防線。設置巨型支撐可提高結構抗側剛度且緩解剛度突變;水平地震作用(詞條“地震作用”由行業(yè)大百科提供)下,巨型支撐直接提高外框架剛度,使框架底部剪力和彎矩都明顯增大,滿足“第二道防線”的要求。

  在建的上海中心大廈(圖6)塔樓建筑高度632m(結構高度為580m),共124 層。塔樓抗側力體系為巨型框架- 核心筒- 外伸臂結構體系。在8 個機電層區(qū)布置多達6 道兩層高外伸臂桁架和8 道箱形空間環(huán)形桁架,由箱形空間環(huán)形桁架和巨柱形成外圍巨型框架。此抗側力系統(tǒng)已超出一般意義上的由少量外伸臂桁架及巨柱構成的核心筒- 巨型柱- 外伸臂結構體系,形成了巨型框架- 核心筒-外伸臂抗側力體系。無論是從抗側效率還是結構的安全度方面,均有一定的提高及創(chuàng)新。

  在建的深圳平安中心大廈(圖7)塔樓高度648m,共104 層,采用巨型斜撐框架- 核心筒- 鋼外伸臂體系,主要由型鋼混凝土巨柱、鋼筋混凝土核心筒、鋼外伸臂、空間周邊雙榀桁架、巨型斜撐以及角部巨型V 形支撐等部分組成。沿塔樓全高設置4 道鋼外伸臂,將核心筒與巨柱有效地連接在一起,從而控制層間位移,改善結構的性能和冗余度,增加結構抗側剛度。7 道空間雙桁架及單角桁架均勻布置于每區(qū)避難/ 機電層,連接巨柱,將塔樓的外圍形成巨型框架,承擔大部分由側向力引起的傾覆力矩。

  天津高銀117 大廈(圖8)建筑高度597m,共117 層,采用巨型框架- 核心筒- 巨型支撐結構體系。巨型框架構成的周邊結構構成了多道設防的結構體系,提供了強大的側向剛度。底部節(jié)間考慮建筑主入口要求為人字支撐,其余節(jié)間采用交叉支撐,以最大程度地發(fā)揮構件效率。由于建筑方面要求弱化交叉支撐的視覺效果,避免斜支撐及邊梁柱相互交叉導致傳力路徑不清晰,設計中采取了將斜撐與周邊框架在平面上錯開的方案,兩者相互獨立。

 

  進一步從材料角度分析超高層建筑結構體系的發(fā)展。國外高層、超高層建筑以純鋼結構為主,而我國以鋼- 混凝土混合結構居多。圖9 以材料為分類標準,統(tǒng)計了我國250m 以上各超高層建筑結構體系的使用率。鋼- 混凝土混合結構之所以得到較大發(fā)展,是因為其可有效地將鋼、混凝土構件進行組合,既具有鋼結構的技術優(yōu)勢又具有混凝土造價相對低廉的特點。如上海環(huán)球金融中心及金茂大廈內(nèi)部均為鋼筋混凝土核心筒,外框為型鋼混凝土柱及鋼柱;正在建設中的上海中心采用了巨型框架- 核心筒- 外伸臂結構體系(混合結構)。

  3 我國超高層建筑經(jīng)濟性的分析

  超高層建筑作為一個地區(qū)的標志性事物,不僅承擔著重要的使用功能作用,而且組成了一個城市的天際線。因此,超高層建筑設計不能僅從建筑方面考慮,也不能僅從結構效率方面出發(fā),它是一個綜合的產(chǎn)物,需要各方面的協(xié)調(diào)。超高層建筑結構工程造價的影響因素主要包括:建筑造型與平面布置、建筑物所在地區(qū)的地震烈度、

  結構體系選型以及各個國家結構設計規(guī)范等。

  本節(jié)統(tǒng)計了上海(地震設防烈度7 度)、鄭州(地震設防烈度7 度半)及蘭州(地震設防烈度8 度)地區(qū)共7 座超高層建筑的建安造價和土建造價,以分析建筑高度、結構體系、地震烈度對工程造價的影響。圖10 為7 座超高層建筑建造安裝與土建工程的單位面積造價。圖11 以上海中心為例,給出其土建工程各部分造價及其占土建工程總造價的百分比。

  圖10 和圖11 表明:1) 超高層建筑高度增加,工程造價隨之增加;

  2)混合結構造價高于鋼筋混凝土結構;3)地震烈度增加,工程造價隨之增加;4)對于高度250~300m 的超高層建筑,土建工程造價約占建安造價的30%~35%,高度超過600m 時,土建工程造價將超過建安造價的35%;5)超高層建筑地下部分與地上部分的結構造價之比約4:6。

  4 總結

  由本文的數(shù)據(jù)分析結構可得到如下結論:

  (1)我國超高層建筑的數(shù)量和高度都在迅速發(fā)展。

  (2)我國超高層建筑的分布地域明顯由長三角、珠三角地區(qū)向全國其他區(qū)域擴展,環(huán)渤海地區(qū)以及部分二線城市超高層建筑發(fā)展快速。

  (3)我國超高層建筑結構體系與塔樓高度有一定關系,隨著塔樓高度的增加,巨型框架和巨型支撐應用較多。

  (4)我國混合結構是超高層建筑結構材料應用的主流。

  (5)我國超高層建筑的結構造價占總造價的30%~40%,隨著塔樓高度的增加,結構造價將有所提高。

  本文作者:

  丁潔民

  同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司總裁、總工程師。

  代表作品:上海中心大廈、上海世博會主題館、溫州市大劇院、東方體育中心、北京大學體育館、同濟大學教學科研綜合樓等。

  吳宏磊

  同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司結構工程師。

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