高层建筑结构概念设计

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-7 结构体系发展过程建筑功能、建筑形式、建筑高度和空间利用的需要和不断发展，促成了高层建筑结构体系、材料应用的发展。双重抗侧力体系的出现是结构体系上的一次飞跃。随后出现的框架—筒体结构、框架—核心筒结构、筒中筒结构都是双重结构体系概念的发展与应用。近年来的超高层建筑结构中，桁架筒应用逐渐增多。介绍结构体系的发展，特别是钢筋混凝土结构体系的应用和发展，不能不提到一位杰出的美国结构工程

图2-7 结构体系发展过程

建筑功能、建筑形式、建筑高度和空间利用的需要和不断发展，促成了高层建筑结构体系、材料应用的发展。新材料和新技术，以及计算机技术的发展，又给结构体系的发展和创新创造了条件。在建筑师层出不穷的翻新方案下，结构工程师必须接受挑战，不能墨守成规，但是创新结构必须安全可靠，必须符合科学规律，又必须考虑经济。

在本章中介绍的结构体系既适用于钢筋混凝土结构、混合结构，也适用于钢结构（为了说明体系的发展和创新，本节中用了一些钢结构的实例）。图2-7简单归纳了结构发展的过程，总结如下规律和特点，以便从中受到启发。

1.单种抗侧力体系发展到双重和多重抗侧力体系，发挥双重和多重结构的优势

框架或剪力墙分别是单种抗侧力结构，在古老的多层建筑中已有运用，100多年前的首个高层建筑采用的就是框架结构（见图1-1），把“剪切型”变形的框架和“弯曲型”变形的剪力墙结合，形成“弯剪型”变形的框架—剪力墙结构体系，就形成了双重抗侧力体系。双重抗侧力体系的出现是结构体系上的一次飞跃。1931年建成当时世界最高的纽约帝国大厦（102层、381m高）就采用了框架—剪力墙体系，再突破这个高度是40年以后的事了。后来发现，双重抗侧力体系有利于设计多道设防的抗震结构。

随后出现的框架—筒体结构、框架—核心筒结构、筒中筒结构都是双重结构体系概念的发展与应用。

2.由平面结构向空间结构发展

最初的框架结构和剪力墙结构，都是片状的平面结构，主要依靠平面内传力，在平面内刚度很大，但平面外的刚度很小，必须在双向布置平面结构，以抵抗不同方向的荷载作用，因此结构布置的间距不大，不仅可利用空间受到限制，而且结构构件数量多、材料耗费多，可建造的建筑高度也不大。在对结构的内在力学性能深入认识的基础上，发展了空间结构，最先认识到剪力墙可以围成筒体，抗侧刚度大大增加；随后，在剪力墙筒体上开洞，就形成了密柱深梁的框筒结构。

实腹筒体和框筒都是空间结构，它们减少了构件数量，提高了结构抗侧和抗扭刚度，增大了可利用空间，实腹筒与框筒结合成双重抗侧力体系的优越性更大，成为20世纪60年代以后高度较大高层建筑的主要结构体系。

3.平面桁架和空间桁架的应用

桁架原本是用在大跨度屋架和桥梁结构中，用以承受竖向荷载的，工程师发现，把桁架竖起来就可以有效地抵抗水平荷载。桁架杆件主要承受轴向力，可以大大节省材料。有了空间结构概念以后，将平面桁架围成筒体，发展成桁架筒，又进一步节约了材料。1969年建成的John Hancock Center首次采用钢桁架筒结构，它是高层钢结构中最省钢的建筑。近年来的超高层建筑结构中，桁架筒应用逐渐增多。

4.周边布置结构，可以提高结构抗侧力和抗扭转刚度

利用空间结构的性能，将抗侧力结构布置在周边，能加大结构抗侧力刚变、抗扭转刚度和抗倾覆能力，提高结构效率，框筒、束筒、桁架筒等都是结构布置在周边的高效抗侧力体系。

一般框架—剪力墙结构中，将刚度较大的剪力墙布置在周边，也能取得较好的抗侧和抗扭效果。

5.设计巨型结构，在不规则的建筑布置中建立规则的结构体系

建筑布置不断翻新，不规则的建筑布置日渐增多，这是对结构的挑战，相应的对策是在不规则的建筑布置中建立规则的结构体系，例如巨型结构和脊骨结构。

传统梁柱杆件的尺寸有限，但是将许多杆件连接组成巨型梁、巨型柱、巨型框架，就可以大大提高抵抗竖向和水平荷载的能力，其中的次结构可以灵活布置，可以实现建筑要求的灵活空间，主、次结构的各种组合和变化，可以适应多种建筑布置，也可能加大结构高度。

巨型框架筒或巨型桁架筒将抗侧力结构放置在周边，和核心筒结合，组成巨型框架—核心筒或筒中筒结构，适用于建造超高层结构。

脊骨结构也是巨型结构类型，但是把抗侧结构放置在中部，适合于建筑外形复杂、变化多的建筑，也就是在不规则的建筑体型中找到规则的中部位置，布置规则的结构体系。

6.发展组合构件和混合结构

越来越多地利用钢和钢筋混凝土的结合，发展钢骨混凝土、钢管混凝土、叠合钢管混凝土、钢—混凝土组合楼板、钢板剪力墙等组合构件，可以充分发挥钢和混凝土两种材料的优点。钢构件、钢筋混凝土构件、各种组合构件结合在一起，组成混合结构，是近年来结构发展的趋势。除钢结构外，钢骨混凝土结构的抗震性能较好，震害少。我国近年来对钢管混凝土柱的研究和应用增多，又自主研发了叠合钢管混凝土柱，取得了很好效果，深圳的赛格广场（见第10章10.11节）建于2000年，是那个时期利用钢管混凝土柱建造的最高建筑。现在在超高层建筑中多数都采用组合构件和混合结构。

7.高强度材料、轻质材料的应用，减轻结构自重

减轻建筑重量，在高层建筑中有着重要意义，它可以减小基础材料用量，可以减小地震作用产生的惯性力，从而又节省了结构材料。高强度、轻质材料的应用为减轻结构自重创造了条件。

8.发展消能减震结构

近年来高层建筑中应用消能和减震方法，是技术上的进步，给结构设计带来了很多新的概念。

在地震时结构塑性变形可以耗散地震能量，在传统的抗震结构中，是采用提高结构本身的变形能力、提高构件延性的方法建造延性抗震结构。但是，构件塑性变形和耗散能量的结果，必然导致结构损坏，过去，抵抗大震要求达到“裂而不倒”，现代高层建筑则要求结构在地震作用下无损或损坏很小。如果要求构件地在大震中也处于弹性阶段，将加大构件，多用材料，很不经济。消能减震结构就完全用了另一种途径抵抗地震。通过在结构中设置消能装置来耗散地震能量，从而减小结构主体的地震反应，减小结构本身的损坏，以实现抗震目标，这是一种积极主动的结构抗震设计概念。现在已经有很多消能减震的方法，在不高的建筑中采用在底部设置隔振层是一种行之有效的方法，在高层建筑中则采用设置阻尼器的方法，阻尼器的种类很多，设计计算方法也已经很成熟，这些内容已超出本书范围，这里不再介绍。

结构体系的发展和创新需要较长时间的积累，是渐进的过程，或在积累了许多实践经验以后的某个时期可能出现飞跃式的进展。无数工程技术人员为此作出了贡献。

介绍结构体系的发展，特别是钢筋混凝土结构体系的应用和发展，不能不提到一位杰出的美国结构工程师——法兹勒·R·坎恩（Fazlur Rahman Khan，生于孟加拉），他1955年开始在美国Skidmore Owings And Merrill设计公司担任结构工程师，直到1982年去世。他主持设计了大量工程，而最重要的贡献是在高层建筑体系的发展和推广应用方面。1963年坎恩在芝加哥首次采用框筒体系，设计了43层高的Dewitt Chestnut公寓，提出了框筒的计算和设计方法，探究了剪力滞后现象和各种影响因素，使高层建筑进入了一个新的时期，从20世纪60年代到80年代，50层以上的高层建筑几乎都采用了框筒和筒中筒结构而得以大量建造。1971年坎恩在休斯敦用高强轻混凝土建造了50层、218m高的One Shell Plaza（见图1-13），也是采用了筒中筒结构体系。坎恩设计的著名高层建筑，如芝加哥的John Hancock Center，首次采用桁架筒结构体系，是用钢量最少的高层钢结构，芝加哥的110层Sears Tower，首次采用束筒结构，成为当时世界最高建筑；在他生命的最后阶段，又开创性的设计了芝加哥59层的Onterie Center（见10.16节）采用了钢筋混凝土桁架筒结构，该建筑到1984年建成时，他已去世。法兹勒·R·坎恩既是一个敢于接受挑战、又能深入理解并运用结构力学规律、做出创新的工程师，他能充分理解并协助建筑师设计出美观、新颖的建筑，使结构既合理又经济，他对结构体系的发展作出了巨大贡献，开辟了空间结构的广阔天地。

世界上还有无数知名和不知名的结构工程师都在结构体系方面进行着发展和创新，有些结构在开始设计时，规范和书本上还没有名称，更不用说规范作出具体规定了，结构体系的发展永远是走在规范前面的，下面列举一些实例。

香港中国银行，70层、315m高，采用了巨型空间桁架结构，著名建筑师贝聿铭为了实现他建筑上的独特造型，采用了特殊的结构体系，见图2-8。底部平面是正方形，在不同高度分别切去正方形中的1/4，只有一个三角形直升到顶，沿4个周边和对角布置8片斜撑桁架，每12层做成一个桁架单元，桁架的斜撑构件是在钢管内填混凝土做成，桁架杆件固定在四角的钢筋混凝土大柱中，柱内的H型钢就是桁架的边缘构件，钢构件全部埋在现浇混凝土中。从25层开始到顶部，增加1根中心柱，用以固定切角以后的对角桁架。这是以前没有出现过的、独特的空间桁架结构，不仅施工方便，而且节省了钢材，取得了很好的效益。

图2-8 香港中国银行

图2-9是德国61层的法兰克福商业银行总部大楼，1996年建成。业主要求设计一个与众不同的创新建筑，要求在三角形的平面内必须有一边是空中花园，另外两侧为办公楼，而且在每个办公楼区都能看到这个空中花园。方案经过多次的修改，最终的方案见图2-9b、c所示，每8层办公楼为一组，在三角形的一边插入3层高的花园，错开4层后，在三角形的另一边又设置一个花园。主要采用了交错设置的空腹桁架结构，图2-9d是三角形三个边的结构展开图，其中一个结构单元见图2-9e。从总体看，是错层的空腹桁架围成的筒体，这个外筒结构没有名称，我们暂时把他称为角筒空腹桁架筒，再加上内筒，还是筒中筒结构。

另一个比较独特的结构是由广州市设计院设计的深圳金通大厦，见图2-10，它的角部3个圆筒和中间三角形实腹筒是落地的，另外的6个柱子和悬臂桁架支承在角筒上，不落地，从整体来看，有3个三角形结构，其中两个相互交叠，这个结构也很独特，设计者进行了大量分析研究，多次修改各个构件的设计，建成现在的金通大厦，规范上找不到这种结构的名称，我们暂时把它称作多筒—悬臂桁架结构。

图2-9 德国法兰克福商业银行总部大楼

a）建筑外立面 b）建筑平面 c）建筑平面 d）结构展开立面 e）结构单元

在建筑结构中局部的、点滴的修改，突破或发展了规范规定内容的工程不胜枚举。创新和发展需要建筑师和结构工程师的密切配合和合作，工程师不能守旧，不能局限于规范规定，当然也不能盲目冒进。

20世纪70年代以来，我国高层建筑高速发展，经历了学习和模仿阶段，经过广大技术人员的努力，我国现在的高层建筑设计和施工技术已经处于世界先进地位，我国已经有了较为成熟的设计规范和规程，抗震的高层建筑在我国应用最多，高度也最大。国内建设工程的数量和要求都是世界第一的。但是，也应当看到，在大量的建设和繁忙的工程设计中，我们的工程师忙于出图，设计研究力量不足，规范和规程规定只是过去经验的总结，规范不能超前，也总有许多不足之处，一般情况下也不宜突破，凡此种种，抑制了广大工程师开创性结构设计的智慧。在我国，应当提高我国工程师的概念设计能力，提倡开创性思维，充分发挥我国规程技术人员的聪明才智，合理而科学地应用和突破规范、规程的规定，提高我国的建筑结构设计水平。

图2-10 深圳金通大厦（26层和32层）

高层建筑结构概念设计

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