高层建筑结构设计探讨

杜林晋，张鹏飞，肖婷，张春潮

（中铁西南科学研究院有限公司，成都 611731）

1 材料

随着我国现代化建设的快速发展，在实际建设中，为了提高社会效益和经济效益，减少市政建设的投资，缩短建设时间，高层建筑被作为首选。而新型建筑材料的使用，则满足了未来高层建筑建设的高要求及特殊需求。

高层建筑可以节约城市用地，缩短公共设施和市政管网的开发周期，减少市政投资。因此，为了更有效地促进高层建筑的发展，有必要开发强度高、质量轻、耐久性好的新型建筑材料[1]。

1.1 新型墙体材料

随着绿色环保理念的推广，在高层建筑中用新型墙体材料取代传统建材已成为一种必然趋势。如活性炭墙体、新型隔墙板、加气混凝土砌块等，这类材料能减少环境污染、节约生产成本、减轻建筑的重量。同时复合墙体材料集防火、防水、防潮、隔音、隔热等功能于一体，安全环保，经济效益高。

1.2 保温材料

高层建筑的保温工作也是工程的关键。保温材料是对热流有明显作用的复合材料。保温材料的特点是轻、多孔及纤维状。更重要的是，无机保温材料不仅不易燃而且抗化学腐蚀的能力也很好[2]。

1.3 新型建材在高层建筑中的应用优势

新型建筑材料安全可靠的优点，使其能更好地适应现代建筑的发展。

随着城市用地矛盾的突出，高层建筑的数量及规模也逐渐增加，但高层建筑内外部的疏导能力非常有限。因此，为了提升高层建筑的安全性，新材料的使用是非常必要的。新材料的应用可以有效改善现代高层建筑的防灾体系。同时，在传统建筑的施工过程中，通常采用黏土实心砖，但黏土实心砖本身在生产中能耗高、污染重，影响了环境的可持续发展，加之高层建筑本身规模较大，建筑材料消耗较高，施工使用的黏土实心砖就会增多，增加环境污染，在施工中使用坚固耐用的新型材料，不仅可以有效降低建筑的重量和材料消耗，还可以促进机械化施工的发展，提高施工效率，降低施工成本，促进高层建筑的生态化建设。

与传统建筑材料相比，新材料具有轻质、高强、节能等诸多优点。在现代化建设中，高层建筑的建设是新型建筑材料开发和使用的动力源泉，同时，新型建筑材料的开发和研究也为现代高层建筑的发展提供了基本保障。

2 不同的结构形式

高层建筑要承受巨大的横向风荷载，因此，风荷载为结构设计的主要考虑因素之一，这与低层建筑的情况不同。为了抵抗风荷载，需要高性能的建筑材料和高效的抗侧向荷载结构形式。以某超高层建筑为例，该建筑主要有3 种结构形式：混凝土结构、钢结构和钢混组合结构，如图1 所示[3]。

图1 3 种结构形式

混凝土结构的边柱采用C60 高强度混凝土，梁和楼板采用C30 低强度混凝土；钢结构由H 形钢和空心箱形钢结构组成，使用G50 高强度钢；钢混组合结构则采用钢结构加上钢管填充混凝土的形式。高层建筑的其他典型结构形式是管中管和支撑管结构。管中管结构包括使用高强度混凝土建造的剪力墙，以及在建筑周边密布的40 根复合混凝土填充的钢管柱（间距为4 m）。支撑管式结构通过利用建筑物外墙的斜撑来抵抗重力和横向风荷载，因此，不需要在建筑物中心设置剪力墙。荷载导致巨型支撑的4 个角的柱子受力更重，与中间的周边柱子相比，四周的柱子需要更大的横截面积。另一方面，支撑管结构可以利用斜撑有效地加强框架体系。因此，中间围护柱主要承担重力荷载，并且可以在尺寸上更小，间距更宽，达到8 m（见图2）。

图2 其他结构形式

每种结构的建筑成本中材料成本（包括混凝土、钢筋和结构钢的成本）占比较高。钢结构的成本最高，其次是混凝土结构和复核结构。这是因为钢结构建筑需要大量的型钢、钢管和板材，而钢材比钢筋和混凝土要贵。与钢结构建筑相比，混凝土建筑需要更复杂的施工程序，包括钢筋弯曲和固定、模板安装、预拌混凝土浇筑、模板拆除和硬化混凝土养护。由于钢筋混凝土建筑需要许多工人和机械以及辅助材料（如模板），钢筋混凝土建筑所需的人工和设备成本会变得非常大，占总建筑成本的68%。相比之下，与混凝土结构和钢结构建筑相比，组合结构建筑的成本效益更高。

图3 为某高层建筑中建筑材料和结构形式对高层建筑的建筑成本的影响。从图3 可知，钢结构建筑的建筑成本最高，为4 575 港元/m2（约3 952 元/m2），其次是混凝土建筑（约3 623 元/m2）和组合结构建筑（约3 230 元/m2）。如果结构形式确定，建筑成本就会随着建筑高度的增加而线性增加。理解不同结构形式与高层建筑的建筑成本之间的关系，可改善建筑设计的可持续性，并推动建筑业的快速发展。

图3 成本分析

3 地基

深基础对于高层建筑非常重要。因为地基在承载建筑物的竖向和横向荷载方面起着重要作用。本文对地基建设中方形桩的应用进行讨论。

在复杂的土层和不理想的地下水条件下，方形桩的使用深度已经超过80 m。一根方形桩基可以取代一组传统的钻孔桩或打入式桩基，因此，可以形成一个更紧凑、更可靠的地基系统，具有节省时间和成本的优势。当需要将很大荷载传递到更深的持力层时，传统的桩基往往变得不切实际和不经济。在高地下水位条件和涉及沙子、淤泥和黏土的可变土壤中，问题变得更加困难。地基系统除了承载竖向荷载外，还需要抵抗侧向荷载和巨大的弯矩。在这种情况下，桩基使用矩形截面而不是圆形截面会更有利。通过采用方形桩，工程师能够在横向增加荷载和弯矩的抵抗力，而不必增加桩基截面积。图4 为方形桩示意图。

图4 方形桩

方形桩的突出点在于能承载巨大竖向荷载，因此，一根方形桩可以取代几根传统的圆形桩，从而节省了施工时间、混凝土和钢材的数量、桩帽的量等。图5 所示为某工程中方形桩的应用。

图5 某工程中方形桩的应用

应用方形桩已被认为是支撑重型结构和地下室墙壁的有效和高度可靠的方法。它在欧洲和其他地区的国家中已得到了广泛的应用。

4 结语

当代高层建筑依然面临许多挑战，但也吸引着工程师不断创新。材料将更加完美，结合所有的优点，也许在未来，可以在不需要钢筋混凝土和钢筋的情况下建造高楼，材料将更轻，更坚固。随着技术的发展，高层建筑不再需要挖很深的地基，就像许多民房一样，可以在更短的时间内建成，而且可以更容易移动。传统的技术和工艺最终会被淘汰，高层建筑突破地理因素，环境和经济的限制也指日可待。