发布时间：2021-12-16所属分类：建筑师职称论文浏览：1次
摘 要： [摘要] 随着改革开放 40 年国内经济快速发展以及城镇化进程的加速，我国高层建筑和超高层建筑呈现出雨后春笋般的发展，我国已成为全球超高层建筑发展的中心，在该领域总体上已达到国际先进水平。首先以时间为维度，概括回顾了我国高层建筑从 20 世纪二三十年代起源，七
[摘要] 随着改革开放 40 年国内经济快速发展以及城镇化进程的加速，我国高层建筑和超高层建筑呈现出雨后春笋般的发展，我国已成为全球超高层建筑发展的中心，在该领域总体上已达到国际先进水平。首先以时间为维度，概括回顾了我国高层建筑从 20 世纪二三十年代起源，七八十年代局部发展，到改革开放之后飞跃发展的历程。其次重点介绍 21 世纪以来近 20 年我国超高层建筑结构的新发展: 不断攀升的建筑高度和综合建筑功能衍生出的结构效率、延性和可建性更佳的结构体系，所采用的抗风设计手段和各种减振措施，基于性能的抗震设计方法和消能减震技术的广泛应用。精确的计算分析手段和方法验证了超高层建筑结构设计的可行性，部分影响结构经济性的整体结构控制指标需要进一步探讨。大量的试验研究和专项技术研究为结构设计的创新提供了依据，同时也提升了其关键技术。最后，基于目前超高层建筑发展现状、存在的问题和面临的挑战，对今后超高层建筑结构的发展，包括若干重点技术的研发和突破等方面进行展望，也期待我国早日从超高层建筑的大国成为超高层建筑的强国。
[关键词] 超高层建筑结构; 结构抗侧力体系; 结构抗风; 性能化抗震设计; 消能减震; 结构分析与试验
0 概述
1949 年 10 月 1 日中华人民共和国的成立，是 20 世纪世界上最为重大的历史事件之一。伟大的中华民族从此粉碎三座大山的桎梏，走上民族振兴之路。70 年沧桑巨变，中国发生了翻天覆地的变化，尤其是改革开放 40 年，中国插上了腾飞的翅膀，一举发展壮大成为世界第二大经济体。这个过程中，建设行业做出了巨大的贡献，同时建设行业自身也上升到了一个新的水平，总体实力和科技水平进入了世界前列。城乡面貌和人民生活发生了巨大的变化，而其中令人印象深刻的成就之一，是全国各地耸立的大量高层和超高层建筑。
中国是世界第一人口大国，虽然疆域辽阔，但可供建设的土地面积有限。在城市化进程中，上亿农村人口涌入城市，更加重了建设用地的紧缺性。因此，在我国适度发展高层与超高层建筑，是一种不可替代的选择。而改革开放带来的经济高速发展，以及由此而形成的经济实力和技术积累，是高层建筑发展的基础。正是在这种条件下，出现了中国高层建筑飞跃发展，这也引起了全世界同行的瞩目。世界高层建筑与城市人居协会( CTBUH) 的统计资料中有详实的数据表明中国在这个领域中的地位。 2018 年全世界范围竣工的高度 200m 以上的 143 座高层建筑中，中国有 88 座，占 61. 5%，连续 23 年位居世界之 首。根据已经建成和在建项目推测的 2020 年全球最高的 20 栋超高层建筑中，中国共有 11 栋，中国已经当之无愧地成为世界高层建筑第一大国( 图 1) 。图 1 2020 年全球最高 20 栋超高层建筑( CTBUH 提供)
1 高层建筑发展进程的回顾
中国高层建筑的发展，始于 20 世纪二三十年代。中国发展商利用了两次世界大战之间的有利时机，在上海、广州等沿海城市建设了一定数量的高层建筑，形成了上海外滩等高层建筑群，其中最具代表性的当属上海国际饭店。这座 24 层、高 83. 8m 的钢结构高层建筑在技术上属国际第二代高层建筑，雄踞中国第一高楼位置近 50 年。与上海国际饭店同期建造的还有上海大厦、广州爱群大厦等一批知名高层建筑。然而这一趋势由于抗日战争的爆发而中止。
新中国成立以后，迅速转入大规模工业建设，这一时期基本没有高层民用建筑。直至 20 世纪 60 年代末、70 年代初，由于外事工作的需要，在北京、广州等城市建设了少量高层民用建筑，代表性的建筑有 27 层的广州宾馆、17 层的北京饭店新楼以及高度突破百米的广州白云宾馆。这些高层建筑均为钢筋混凝土框架-剪力墙结构。值得一提的是 80 年代中后期，在北京、上海等地建设了一批高度在 20 层以下、钢筋混凝土剪力墙结构的高层住宅，采取了预制与现浇相结合的结构方案。北京称为“内浇外挂”，上海称为“一模三板”，属高层装配式住宅的早期尝试，代表性工程有北京前三门大街住宅及上海漕溪北路住宅。
1978 年党的十一届三中全会确定的改革开放方针，极大地推动了经济建设的发展，也带来了高层建筑的春天。80 年代初在深圳等经济特区及沿海主要城市建成了一批标准较高的高层建筑，其中代表性的有深圳国贸大厦、广州白天鹅宾馆、上海华亭宾馆、联谊大厦等，这些项目的设计基本由国内设计师主导。
在此期间我国颁布了《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定》( JZ 102-79) ，适时地为高层建筑结构设计提供了技术支撑和引导。也是在此期间建工部组织了国内部分主要设计院协作编制结构分析用的系列软件，形成 SPS 软件库，其中包括排架、框架、框架-剪力墙结构等的专用软件，对结构分析电算化的逐步普及起到了积极的作用。为了满足广大结构设计人员学习与交流的需要，始自 1975 年的高层建筑结构技术交流会在全国各地轮流举行，延续至今且影响逐步扩大，对高层建筑结构设计技术的发展起到了积极推动的作用。
随着改革开放的深入，设计市场也开始对外开放，一批国外设计事务所进入中国，他们带来了新的设计理念和技术。本土设计师在与境外同行合作设计过程中开阔了视野，也得到了提高。这个时期建筑高度进一步提升，结构形式更为多样，出现了钢结构和钢-混凝土混合结构的高层建筑，代表性建筑有上海新锦江大酒店、希尔顿大酒店、北京京广中心，京城大厦、深圳发展中心、南京金陵饭店等一批有影响的高层建筑。
1990 年国家宣布上海浦东开发，使浦东陆家嘴成为高层建筑建设的热土。东方明珠广播电视塔的建设是浦东新区第一个标志性项目。这个完全由中国工程技术人员设计建造的工程采用“大珠小珠落玉盘”的建筑形态和空间巨型框架结构体系，以及先进的施工方法，成为世界塔桅建筑中的一颗明珠。随后大量金融办公建筑同时开始建设，这些项目体量大、设计标准高、空间变化复杂、结构体系多样，吸引了大量国际知名设计事务所参与其设计。在短短的 10 年左右时间，建筑高度跨越了 400，500m 两个台阶。我国工程技术人员在参与建设的过程中其设计水平得到了很大提高。浦东陆家嘴 CBD 代表性建筑有金茂大厦、交银金融大厦、环球金融中心、森茂大厦、信息枢纽大厦等( 图 2) ; 结构体系中包含了加强层、巨型空间支撑框架、弱联系双塔楼、悬挂结构及部分预制装配结构，体现当时国际水平的先进结构体系和技术得到比较广泛的应用。
进入 21 世纪以来，改革开放的进一步深入和国力的增强使我国高层建筑的发展进入了一个新的阶段。地域分布进一步拓展，除一线城市及环渤海、长三角、珠三角地区之外，在很多二、三线城市也开始大量建造高层与超高层建筑，数量比较集中的有武图 2 浦东陆家嘴 CBD 超高层建筑群汉、合肥、重庆、成都、西安、沈阳等城市。建筑高度进一步增加，建成了一批 600m 级的超高层建筑。结构体系多样化，当今世界上所有的超高层建筑结构形式，在我国均有建造。混合结构因其比较符合我国国情，继续成为应用最广泛的结构形式。钢结构也得到大力推广，尤其是在高层住宅建筑方面势头良好，出现了一些有中国特色的钢结构体系。性能化设计逐步应用于设计，消能减震技术和振动控制技术也在很多重要工程中得到应用。近 20 年的发展反映了我国在高层结构领域总体上已达到国际先进水平。近几年我国连续有一些项目( CCTV 新台址、深圳平安金融大厦、上 海 中 心 大 厦 等) 被 CTBUH 评为世界最佳高层建筑雄辩地说明了这一点。
我国已经形成了比较完善的高层建筑结构设计、施工的规范和标准体系，对保证工程质量起了巨大的作用。
2 超高层建筑结构的新进展
近 20 年来中国超高层建筑和结构的发展主要呈现出以下趋势[1-2]:
( 1) 建筑高度不断被突破，在上海、深圳、天津、武汉立项了 4 栋 600m 级的超高层建筑，目前均已建成或基本建成( 其中个别项目因非结构原因建筑高度有调整) 。拟建的苏州中南中心建筑高度达到 729m。
( 2) 建筑的功能呈现出多样化和综合化发展，通常以办公、住宅、公寓及酒店为主要使用功能。
( 3) 结构抗侧力体系以框架-核心筒为主并呈现出多样性，如连体结构、斜交网格筒、桁架筒以及钢板剪力墙等更高效的结构体系逐渐增多。
( 4) 基于性能的抗震设计方法逐步普及，消能减震( 振) 技术在超高层建筑结构抗震或抗风设计中应用日益广泛，结构材料更加注重高强和延性。
( 5) 由本土结构工程师自主设计的超高层建筑的数量和高度在不断增加，原创最高建筑高度已突破 500m; 本土工程师和国外事务所发挥各自优势，共同推动我国超高层建筑结构技术的发展。
( 6) 开发商对超高层建筑结构的安全、结构造价和可持续性发展日益关注，并引入了结构设计第三方同业审核制度。
2. 1 超高层建筑结构体系
超高层建筑结构抗侧力体系是决定超高层建筑结构是否合理和经济的关键。此外，随着建筑高度的不断增加，建筑功能越来越复杂，对结构抗侧力体系的效率要求也越来越高，对结构体系的创新也越来越迫切。超高层建筑结构抗侧力体系的发展除了从传统的框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-核心筒、框筒结构逐步向框架-核心筒-伸臂、巨型框架、桁架支撑筒、筒中筒、束筒等结构体系转变外，还衍生出交叉网格筒、米歇尔( Michell) 桁架筒以及钢板剪力墙等新型结构体系，并进化出了多种体系杂交混合使用[3]。结构材料也从纯混凝土结构、钢结构向钢混凝土混合结构转变。
结构体系呈现主要抗侧力构件周边化、支撑化、巨型化和立体化的特点。建筑业态综合化、高度不断突破、消防疏散等因素也促使其由单幢超高层建筑朝若干超高层建筑塔楼组成的“空中城市”以及连体结构发展。
2. 1. 1 混合结构和组合构件迅速发展成为主流
钢筋混凝土结构自重较大导致可使用楼面效率低，纯钢结构刚度偏弱导致用钢量高、结构造价昂贵。两种结构体系各自存在的不足限制了其在超高层建筑中的应用。除了超高层住宅或公寓外，当建筑高度超过 250m 时采用钢筋混凝土结构或钢结构的超高层建筑相对较少。20 世纪 90 年代初设计的广州中信大厦为国内大陆建成最高的钢筋混凝土结构[4]，建筑高度 391m( 含屋顶 60m 高避雷塔) ，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，底层剪力墙厚度 1 600mm，结构自重达 3. 01×106 kN。目前国内已建成最高 的 纯 钢 结 构 为 深 圳 汉 京 中 心，建 筑 高 度 350m，采用核心筒完全偏置的钢框架支撑结构，其用钢量达到 300kg /m2 。可有效发挥钢与混凝土自身优点、适合我国国情的钢-混凝土混合结构逐渐增多。据中国建筑科学研究院( CABR) 统计[1]，已建成的 150m 以上的高层建筑中，混合、组合结构约占 22. 3%; 200m 以上的高层建筑，混合、组合结构约占 43. 8%; 300m 以上的高层建筑，混合、组合结构约占 66. 7%。近年来混合结构发展更为迅速，2014 年同济大学建筑设计研究院( 集团) 有限公司对 258 幢建筑高度 250m 以上超高层建筑的结构材料进行了统计[5]，其中钢-混凝土混合结构占 98. 4%。国内500m 以上高度的在建或已建的超高层建筑结构全部采用钢-混凝土混合结构体系( 表 1) 。
尽管如此，目前建成的钢-混凝土混合结构尚未经受实际地震的考验，结构阻尼比取值、整体结构的协调工作性能以及高性能结构材料的应用等仍需进行更深入和系统的研究[1]。
2. 1. 2 结构体系多样化及结构效率提升
常用的超高层建筑结构抗侧力体系如图 3 所示。每种结构体系都有其受力特点、合理的适用高度以及适用的建筑功能。工程实践表明，框架-核心筒( 伸臂加强层) 一般适用于建筑高度 150 ～ 300m 的超高层建筑，巨型结构以及斜交网格筒等适用于 300m 及以上高度的超高层建筑。除了单位面积材料用量这一直接指标外，顶点位移、弯曲变形占结构顶点位移的比例以及可使用楼面面积的效率等也是评价抗侧力体系效率高低的重要指标。华东建筑设计研究总院( ECADI) 对近 80 栋建筑高度在 250m 以上的混合结构的分析和统计表明[6]，结构竖向构件( 外框柱+核心筒剪力墙) 的截面总面积占底层建筑面积的 6% ～ 10%。
我国超高层建筑大多采用以框架-核心筒结构为主的双重抗侧力体系，也有悬挂结构这样的单重抗侧力体系( 图 4( a) ) 。以常用的框架-核心筒为例，无论外框架、核心筒还是斜撑、伸臂加强层等均有多种不同的组合和变化，体现出结构设计的多样性。
( 1) 外框架外
框架是形成建筑外轮廓的主要结构，同时承担在侧向荷载作用下的较大倾覆力矩和部分剪力。外框柱常常随着建筑体型变化而变化。外框柱通常采用斜柱、搭接柱或转换柱的形式适应建筑体型锥形化、退台等的内收，以满足建筑功能综合化带来的不同建筑功能下的不同进深需求。在扭转建筑体型中，外框柱沿高度每层旋转若干角度。
追求抗侧力体系的高效率必然导致超高层建筑结构周边化布置。除了常规的稀柱框架外，外框架也有采 用 密 柱 深 梁 的 框 筒 结 构 ( 柱 网 间 距 小 于 4. 5m) 以及巨型框架结构( 外框柱数量不大于 8 个) 。1) 密柱框筒结构由美国 SOM 的 Fazlur Khan 在 20 世纪 60 年代率先提出。框筒结构经过一段时期的发展和冷落，近年来有复古回归的迹象。深圳证券大厦、北京国贸三期等均采用密柱框筒结构。在塔楼低区，密柱需要通过转换加大开间以满足建筑功能。深圳华润总部密柱和裙梁采用偏心布置以突出建筑竖向线条效果( 图 4( b) ) 。2) 巨型框架由巨柱和环带桁架组成，外框巨柱通过伸臂桁架与核心筒连接，强化整体弯曲效应。外框巨柱截面面积通常超过 10m2 ，通过最大程度集聚楼面竖向荷载，以平衡水平荷载作用下倾覆力矩引起的拉力。因此巨柱轴压比相对较低，水平荷载作用下极少出现拉力，抗剪刚度小，其截面刚度需求高于承载力需求。环带桁架作为巨型框架的重要组成部分，兼具转换次框架的功能。南京江北绿地中心将拱结构代替传统的环带桁架，进一步提高环带桁架的结构转换效率( 图 4( c) ) 。图 5 巨柱截面形式
外框柱通常采用 SRC 柱、CFT 柱以及 CFRT 柱 ( 矩形钢管混凝土柱) 等截面形式( 图 5) 。其 中 SRC 柱中钢骨大多采用实腹式型钢，含钢率 4% ～ 6%，而早期建设的金茂大厦以及上海环球金融中心等巨柱采用分离式型钢。武汉中心圆钢管柱( CFT 柱) 直径达到 3m，对梁柱节点进行了专门研究。广州东塔和沈阳宝能金融城采用矩形钢管混凝土柱( CFRT 柱) ，截面面积达 20m2 ; 天津高银 117 大厦的多腔钢管混凝土柱截面面积达到 45m2 ，对其承载力、柱脚节点构造、抗火性能、焊缝构造等均进行了专项研究。
( 2) 核心筒
核心筒结构贯穿建筑物全高，容纳了主要垂直交通和机电设备管道，并承担了大部分的竖向和水平荷载，通常作为超高层建筑的第一道抗震防线。随着建筑高区电梯数量和机电设备用房的逐步减少，核心筒面积也逐渐收缩。
核心筒的布置除了传统布置在平面正中基本对称外，也有采用端部分离式筒体以及多个角筒组合而成( 图 6( a) ) ，或者采用核心筒偏心布置的形式 ( 图 6( b) ) [7]。
核心筒结构除了少量全钢结构采用框架支撑筒外，大多采用钢筋混凝土核心筒。核心筒剪力墙通过双翼墙、斜墙以及减少墙肢数量或墙肢长度、核心筒开洞等方式相应收进，以适应高区核心筒面积不断缩小的需求。为了满足墙肢轴压比、减薄墙厚等要求以及提高抗剪承载力，在超高层建筑低区采用钢板组合剪力墙、钢管剪力墙或型钢混凝土剪力墙等。核心筒结构也有采用钢板剪力墙，如天津津塔[8]( 图 6( c) ) 利用钢板屈曲后强度产生的张力场效应来抵抗水平荷载。为了提高施工速度，外包钢板剪力墙也在珠海十字门等工程中尝试应用。为了减轻塔楼结构自重，核心筒结构也有沿建筑高度采用混合结构体系，如上海环球金融中心( IFC) 和广州西塔等工程在中低区核心筒采用钢筋混凝土剪力墙，高区核心筒则采用钢-框架斜撑结构。
( 3) 斜撑
外框支撑主要以轴向受力抵抗水平荷载，充分发挥截面材料的效率。其布置形式也有多种变化，通常采用跨越若干楼层的巨型斜撑，既有上海环球金融中心的单斜杆巨型斜撑，也有香港中国银行和北京中信大厦的交叉斜撑。天津高银 117 巨型斜撑与竖向承重结构分离的形式[9]，一方面可使巨型斜撑仅承担轴向力，以最大效率抵抗水平荷载，另一方面也可弱化斜撑的建筑立面效果。集承重体系与抗侧力体系于一体的斜交网格筒结构也在超高层建筑工程中有所应用( 图 7( a) ) 。
除了传统的框架中心支撑，也在尝试应用高腰桁架筒( 图 7( b) ) 或米歇尔桁架筒( 图 7( c) ) ，进一步提升了支撑结构的效率。但结构材料的高效与对建筑立面效果的影响以及节点构造复杂程度需要进一步平衡。偏心支撑不仅能通过耗能梁段提高抗震延性，又便于核心筒建筑门洞开设，在钢结构核心筒体系中扮演了重要的角色。
( 4) 结构加强层
伸臂桁架充分利用外框柱的轴向刚度，极大提高了框架-核心筒结构的整体抗倾覆能力，在 250m 以上高度的超高层建筑中得到了广泛应用。
伸臂桁架加强层的设置有效提高了塔楼结构的抗侧刚度，同时也引起了结构刚度的突变，而且对建筑空间以及施工周期都产生一定影响。因此，伸臂桁架加强层也是一把“双刃剑”。目前设计界有“效率优先”和“均匀刚度”两种观点，前者更注重伸臂桁架优化布置，如楼层位置、数量以及桁架的形式，后者更注重抗震延性，避免结构刚度突变。现行规范建议的伸臂桁架最优布置与建筑高度的关系是基于结构体型和刚度沿高度均匀变化且伸臂桁架刚度无限刚的假设。实际工程建筑体型和竖向刚度变化很多，因此应通过如顶点位移与基本周期( 包含风荷载作用下对结构舒适度的控制) 、层间位移角、核心筒承担倾覆力矩的比例及拉力等控制目标，对加强层的设置位置进行有效性( 或称敏感性) 分析，并结合建筑功能需求从而选择伸臂加强层的最优位置[10]。
环带桁架作为虚拟伸臂，可通过楼板的变形协调核心筒带动外框架承担更多的倾覆力矩。相对伸臂桁架来说，环带桁架抗侧效率次之，却也克服了上述伸臂桁架加强层存在的问题，在超高层建筑中也有较多应用。核心筒与外框架之间的楼板面内剪切刚度的加强和准确模拟是提高环带桁架抗侧刚度的关键所在。——论文作者：汪大绥， 包联进
SCI SSCI AHCI