我國(guó)高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展

段本碩, 楊 科 程光福

（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島 266590）

0 引言

各國(guó)對(duì)高層建筑的定義不盡相同，例如，美國(guó)將建筑高度達(dá)24.6米以上或7層以上的建筑物定為高層建筑，日本則是在8層以上或達(dá)31米，法國(guó)則規(guī)定為超過50米的住宅和超過28米的其他建筑物。在我國(guó)的規(guī)范中，《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50045-1995）和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-1998）中規(guī)定10層及10層以上的居住建筑和24m以上的其它民用建筑稱為高層建筑；而《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）規(guī)定：10層及10層以上或者高度超過28 m 的建筑稱為高層建筑[1]。

當(dāng)今社會(huì)，城市不斷發(fā)展，建設(shè)用地短缺已經(jīng)成為了嚴(yán)峻的問題。為了改善這種局面，人們把建筑物從廣度發(fā)展開始往高度進(jìn)行發(fā)展，高層建筑便應(yīng)運(yùn)而生，它不僅在很大程度上滿足了使用要求、審美要求，同時(shí)更是成為了經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的標(biāo)志。現(xiàn)今，我國(guó)的高層、超高層建筑正處于發(fā)展的上升期，并有著越來越復(fù)雜、適用、新穎、完美的趨勢(shì)。

1 關(guān)于我國(guó)高層、超高層建筑的現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展進(jìn)程

在我國(guó)，高層建筑并不是這個(gè)時(shí)代僅，已經(jīng)歷經(jīng)數(shù)百年發(fā)展，最早可追溯到西安大雁塔、大理千尋塔、應(yīng)縣木塔等建筑；自新中國(guó)建立至七十年代，我國(guó)現(xiàn)代高層建筑步入了新時(shí)期，發(fā)展相對(duì)比較緩慢，代表建筑主要有北京民族飯店（12層，高 47.4m，1959年）、廣州人民大廈（18層，高63m，1966年）廣州白云賓館(33層、高114.05m，首棟百米高層，1976年）；到了80年代初期，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，香港、上海等各大城市大力發(fā)展建筑，北京京廣中心大廈、廣州國(guó)際大廈等建筑相繼建成；進(jìn)入九十年代，高層建筑突飛猛進(jìn)，層數(shù)及高度不斷有所突破，進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

社會(huì)不斷進(jìn)步，高層建筑逐漸成為城市的標(biāo)志。2016建造的深圳平安國(guó)際金融中心（600m）、2015年建造的天津117大廈(596.5m)、蘇州中南中心(729m)、2010年建成的位于廣州的國(guó)際金融中心(441.75m)等都是我國(guó)超高層建筑的代表之作，其設(shè)計(jì)之復(fù)雜、建造程度之難、工藝之精都達(dá)到相當(dāng)高的地步，具有一定的挑戰(zhàn)性，這些挑戰(zhàn)在建造的過程中也不斷推進(jìn)我國(guó)建筑業(yè)技術(shù)逐漸革新，快速發(fā)展?，F(xiàn)在，這些建筑一方面都成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑，成為著名觀光景點(diǎn)，另一方面這些建筑也直觀反映出高層建筑的發(fā)展特點(diǎn)，即更高、更復(fù)雜。

2 高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)體系

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高層建筑投資規(guī)模以及高度不斷增大，高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展受到了人們的普遍關(guān)注。受力分析表明，高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)的彎矩和水平位移均與高度相關(guān)，水平風(fēng)力與地震力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最重要的環(huán)節(jié)。這同時(shí)表明高層建筑能夠高效的抵抗側(cè)力至關(guān)重要[2]。高層、超高層建筑根據(jù)其結(jié)構(gòu)體系可作如下劃分：

2.1 框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)是梁和柱組成的框架所形成的結(jié)構(gòu)體系，該體系可以同時(shí)承擔(dān)豎向以及水平荷載，是最基本的結(jié)構(gòu)單元?？蚣芙Y(jié)構(gòu)內(nèi)部比較空曠而且建筑平面布置靈活，可以做成具有較大空間使用，滿足各種不同用途的建筑的需求。剪力墻結(jié)構(gòu)是由墻體承受全部水平和豎向荷載的體系。整體性好，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移和層間位移通常較小，具有良好的抗震性能?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)是以上二者的組合，框架和剪力墻根據(jù)各自優(yōu)勢(shì)協(xié)同受力，空間更加靈活，側(cè)向剛度和抗震能力也得到保證。

2.2 筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)是在框剪結(jié)構(gòu)與全剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合的基礎(chǔ)上，將剪力墻或密柱布置到結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外圍所形成的封閉筒體。其結(jié)構(gòu)較為集中，具有較大自由空間。

2.3 伸臂結(jié)構(gòu)體系

伸臂結(jié)構(gòu)是每隔一定樓層，通過中央核心筒伸出剛臂與外側(cè)柱相連所形成的體系。此類體系有時(shí)會(huì)在外圈構(gòu)造相當(dāng)于一層樓高度的框架或深梁。此類體系能夠有效的增強(qiáng)抗側(cè)剛度。

2.4 巨型結(jié)構(gòu)體系

巨型結(jié)構(gòu)是由巨型柱、梁、支撐等組合形成的空間桁架，相鄰立面支撐在角柱交匯，構(gòu)成巨型的空間桁架。桁架依靠斜桿的軸向力抵抗來自各個(gè)方向水平力帶來的層剪力，充分利用材料性；樓板和圍護(hù)墻產(chǎn)生的荷載由次構(gòu)件傳遞給巨型梁，最終經(jīng)由柱子和斜撐傳遞至基礎(chǔ)。由此可知，巨型桁結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)是一種具有高效、經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系。

3 發(fā)展趨勢(shì)

分析目前我國(guó)建成和在建中的高層、超高層建筑，可以發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：

3.1 層數(shù)更多，高度更高。

城市建設(shè)速度大幅度加快，建設(shè)用地越來越緊張，推廣層數(shù)更多、高度更高的建筑成為建筑業(yè)的必然選擇。

3.2 平面布置和豎向體型更加復(fù)雜。

國(guó)民生活質(zhì)量在逐步提升，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)使用功能、個(gè)性體驗(yàn)等方面的期望也隨之提高，因此在滿足基本使用條件的基礎(chǔ)上，建筑物的外觀個(gè)性化和內(nèi)部的舒適程度逐漸成為建筑師考慮的方面，建筑結(jié)構(gòu)的布置會(huì)越來越朝著復(fù)雜化的方向發(fā)展。

3.3 新型材料的研究與應(yīng)用。

隨著建筑高度越來越高、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性能等的規(guī)定越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的建筑材料漸漸難以滿足復(fù)雜建筑物的需求，因此型鋼混凝土和鋼管混凝土等新型組合材料迅速進(jìn)入市場(chǎng)，新材料的使用在確保結(jié)構(gòu)整體性能的同時(shí)確保了有效使用空間。

3.4 耗能減震技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

地震等自然災(zāi)害具有突發(fā)性，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)危害極大，對(duì)高層建筑來說更是如此。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，一般是通過增強(qiáng)建筑物自身的強(qiáng)度、剛度、延性，來實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，以此使建筑滿足要求[3]。隨著技術(shù)革新和建筑高度的增大，利用建筑結(jié)構(gòu)自身來抵抗地震的弊端逐漸凸顯，采用阻尼器等耗能設(shè)備進(jìn)行抗震開始受到青睞。

3.5 施工技術(shù)和工藝的不斷推陳出新

隨著我國(guó)高層建筑快速的發(fā)展，占主導(dǎo)地位的慢慢變成了混凝土結(jié)構(gòu)[4]。其中的模架、鋼筋混凝土技術(shù)得到了充分的改進(jìn)，取得巨大發(fā)展；由于高層建筑對(duì)現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)各方面的大力推廣，混凝土的機(jī)械化施工水平不斷攀升，并在拌制、泵送、高性能、機(jī)械化等方面多向推進(jìn)；與此同時(shí)，在防水技術(shù)方面，針對(duì)相對(duì)應(yīng)的防水部位、功能等技術(shù)特點(diǎn)選用了防水構(gòu)造、防水材料和防水工藝，比如設(shè)置在屋頂?shù)幕▓@、采光屋頂、室內(nèi)桑拿浴房和游泳池以及地下室深度為幾十米以下等結(jié)構(gòu)設(shè)施慢慢出現(xiàn)，與之同步發(fā)展的是不斷出現(xiàn)的各種先進(jìn)的工法技術(shù)。

3.6 計(jì)算機(jī)技術(shù)和理論在建筑中的推廣應(yīng)用

計(jì)算機(jī)技術(shù)在日新月異的發(fā)展，在高層、超高層建筑中也展現(xiàn)了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)和施工越來越離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)；不斷完善的計(jì)算理論和模擬，在 BIM、數(shù)據(jù)分析等軟件的應(yīng)用更加普遍和方便的同時(shí)，也給高層、超高層提供更為安全可靠、適用經(jīng)濟(jì)的建設(shè)方案。

3.7 建筑節(jié)能技術(shù)的不斷研發(fā)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，建筑運(yùn)行能耗已經(jīng)占據(jù)了全社會(huì)總能耗的1/3，因此建筑節(jié)能問題的解決關(guān)系到人們生活的可持續(xù)發(fā)展。譬如建筑材料學(xué)要著眼于節(jié)能回收，再生骨料混凝土的廣泛應(yīng)用，既解決了建筑垃圾的處理問題，又節(jié)約了自然資源，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能可持續(xù)的理念；再如建筑玻璃幕墻也不斷向著雙層玻璃構(gòu)造、智能通風(fēng)、智能遮陽、智能照明等方向發(fā)展。隨著更多的人意識(shí)到資源的匱乏，更加注重綠色生活，綠色建筑以及建筑節(jié)能技術(shù)、材料將日益廣泛的出現(xiàn)生活中。

4 結(jié)語

（1）本文論述了我國(guó)高層建筑的發(fā)展歷程，介紹了我國(guó)高層、超高層建筑的發(fā)展?fàn)顩r，總結(jié)了我國(guó)高層建筑高度更高、結(jié)構(gòu)體型更復(fù)雜等建筑特點(diǎn)。

（2）論述了我國(guó)高層、超高層建筑的結(jié)構(gòu)分類，提出了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效依據(jù)。

（3）我國(guó)高層、超高層建筑向著更高、更復(fù)雜、更智能發(fā)展，新材料、新工法、新技術(shù)的使用使得我國(guó)高層、超高層發(fā)展前景更加廣闊。

[1] 高層建筑施工手冊(cè) [M]. 第2 版 . 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[2] 曹瓏芳. 超高層建筑結(jié)構(gòu)體系及選型[J].低溫建筑技術(shù).2011(12)

[3] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2002）.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，北京2002.

[4]肖從真,王翠坤,黃小坤.中國(guó)建筑科學(xué)研究院高層建筑結(jié)構(gòu)研究發(fā)展與展望.建筑科學(xué).2013.