超高层建筑结构及设计

张 强，刘 磊

（1.锦州市建筑设计研究院，锦州 121001；2.锦州市园林管理处，锦州 121001）

1 超高层建筑的认定

高层建筑物的普通意思是指具有较多层数、高度较高的建筑，但是具体达到何种程度算作高层，不同国家有不同的规定。

联合国经济事务部在1974年国际高层建筑会议将高层建筑按高度分为4类：9～16层（最高到50m）；17～25层（最高到75m）；26～40层（最高到100m）；40层以上（建筑总高100m 以上，即超高层建筑）。日本建筑大辞典将5～6层至14～15层的建筑定义为高层建筑，15层以上定义为超高层建筑。我国《民用建筑设计通则》（JG 37—87）将住宅建筑依层数划分为：1～3层为低层；4～6层为多层；7～9层为中高层；10层及以上为高层建筑。公共建筑及综合性建筑总高度超过24m 的为高层建筑，但是高度超过24m 的单层建筑不算高层建筑，超过100m 的民用建筑为超高层建筑。

目前世界最高的高层建筑是位于迪拜的哈里发塔，169层，高828m。其后依次为台北市的台北101大楼，101层，508m；上海的环球金融中心，101层，492m；香港的环球贸易广场，118层，484m；吉隆坡的佩重纳斯双子大厦，88层，452m；南京的紫峰大厦，89层，450m。

超高层建筑的建造之所以如此之快，除有的城市为有一个高大的形象建筑之外，主要还是超高层建筑能在有效面积的土地上，得以发挥最大的使用效益。尽管建造超高层建筑需要的费用比一般高层建筑高出很多，但在我国的城市建设中，随着日益快速发展的需要、土地使用率的提高，必然会使超高层建筑以更快的速度发展。

2 我国的高层结构建筑的发展

2.1 钢材的国产化

国内钢铁企业根据我国高层建筑钢结构设计标准的要求，制订我国第1部高层建筑钢结构的钢材标准《高层建筑结构用钢板》（YB 4104—2000），比目前仍在实施的《低合金高强度结构钢》（GB／T 1591—94）又前进了一步，其性能指标优于国外同类产品。

2.2 钢结构设计国产化

国家标准《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—98）和《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）等有关高层建筑最大高度和最大高宽比的规定，在一般情况下，应遵守规范的规定，否则应进行专项论证或试验研究。建设部第111号令《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》和建质［2003］46号文《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，对加强高层建筑钢结构设计质量控制意义重大，具有可操作性。

2.3 高层及超高层结构体系

对于高层建筑的划分，建筑设计规范、建筑抗震设计规范、建筑防火设计规范没有一个统一规定，一般认为建筑总高度超过24m 为高层建筑，建筑总高度超过100m 为超高层建筑。

对于结构设计来讲，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震、防裂需要结合经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系。一般分为6大类：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架－剪力墙结构体系、框－筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。

3 高层建筑结构设计方面的原则

3.1 选用适当的计算简图

结构计算建立在计算简图的基础之上，合理的计算简图是结构安全的前提条件，若计算简图选择得不合理，轻则造成结构设计不经济，重则产生严重的安全事故，因此必须根据结构形式，正确选择计算简图。计算简图还应依靠与之相应的构造措施，以使实际构造形式尽量满足计算假定。

3.2 选择合适的基础方案

结构基础的设计受多方因素的影响，如工程地质条件，上部结构形式，荷载分布特点，相邻建筑物之间的相互影响以及施工条件等。设计时应综合考虑多方面因素，充分发挥地基承载力，保证基础方案的经济合理。对于一般建筑物，一般以地基承载力作为设计依据，对于重要性等级较高的建筑物，还应进行地基变形验算。基础设计应建立在详尽的地勘报告基础之上，且勘探点应满足相应要求。当地勘报告提供的地质资料不够详尽时应进行现场查看，并参考附近已有建筑资料，必要时还需进行补充勘测。一般来说，对同一结构单元应采用同一种基础类型，当受客观条件影响无法满足时，应提供可靠性计算及采取相应的构造及加强措施。

3.3 合理选择结构方案

一个合理的设计必然涉及到结构方案的经济合理性，即结构形式和结构体系应切实可行，便于实现，结构应具有明确的受力构件和合理的传力路径。尤其在进行结构抗震设计时，还应保证结构平面和空间布置尽量简单，当结构布置复杂时应尽量划分为单独的、简单的结构。合理的结构方案必然是在综合考虑工程要求、材料供应情况、工程所处地质条件、施工条件等因素的基础上，通过与建筑、水电、暖通等专业充分沟通协商后得到的。

3.4 正确分析计算结果

随着计算机技术的快速发展，建筑结构设计计算越来越依赖计算机。但由于市场上各种计算软件种类繁多，且各自有各自的适用范围和条件，因此结构工程师在选用软件之前一定要对其进行全面了解。对于计算机的计算结果，鉴于各种主客观因素，如参数输入错误、计算假定与实际情况的差异以及软件本身的缺陷等，结构工程师对电算结果应仔细分析，以做出合理的判断。必要时还应采用不同的计算软件相互验证，而不应不分青红皂白盲目采用。只有这样做，才是对结构物负责，也是对自己负责。

3.5 采取相应的构造措施

结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉”原则，注意构件的延性性能，加强薄弱部位。注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度，考虑温度应力的影响力。在《钢筋混凝土结构设计规范》和《建筑结构抗震设计规范》中都对相应构造措施有明确的要求，应当严格遵守。

4 高层建筑结构设计特点

4.1 水平荷载成为决定因素

一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的1次方成正比，而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖构件中引起的轴力是与楼房高度的2次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

4.2 轴向变形不容忽视

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小、跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外也会对构件剪力和侧移产生影响，与构件竖向变形相对照比较，从而进一步进行调整校对。

4.3 侧移成为控制指标

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

4.4 结构延性是重要设计指标

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔软一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施来保证结构具有足够的延性。

5 高层建筑结构的相关问题分析

5.1 结构的超高问题

在抗震规范和高规范中，对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A 级高度以外，还增加了B 级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略此类问题，导致施工图审查时未通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。

5.2 短肢剪力墙的设置问题

在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制。因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

5.3 嵌固端的设置问题

由于高层建筑一般都带有2层或2层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置。因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

5.4 结构的规则性问题

新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案”。因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。

5.5 结构材料选用

更轻、更强、更具有延性的材料是超高层建筑结构材料的首选。钢筋混凝土、型钢混凝土、钢管混凝土和纯钢材料都可作为结构构件的主要材料；而外墙维护多采用玻璃幕墙、铝合金幕墙钢塑复合板材等；内部隔墙多为轻质隔断；楼层面常选用压型钢板加混凝土面层，并在裸露的钢承重构件表面加涂防火涂料。其实，随着这么多年超高层建筑的蓬勃发展，中国的超高层设计技术已经走在了世界前沿。

6 结语

在今后的工作中，建筑结构设计人员需要重新认识自己工作的重要性，明确自己的责任，提高对结构设计质量安全问题的辨别能力，积累结构设计的工作经验，使建筑结构设计工作逐步进入正轨，使建筑物的设计更安全、更合理。

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