摘要：為了土地資源利用最大化， 節(jié)約資源， 在政府土地政策的引導下， 超高層建筑逐漸增多。在超高層建筑的設計工作中結(jié)構(gòu)選型十分重要， 除了涉及資源合理利用之外， 還與經(jīng)濟效益密切相關。通過分析某超高層的建筑結(jié)構(gòu)設計選型情況， 通過比較分析的方式分析不同結(jié)構(gòu)類型所具有的優(yōu)缺點， 提出對應的選型方法， 希望能夠?qū)υO計人員提供一定參考。
關鍵詞：超高層建筑； 結(jié)構(gòu)； 選型策略；
住宅及公共建筑， 建筑高度超過100 m時即為超高層建筑。在城市建設過程中， 因土地資源越來越緊張， 許多建設方為能提升土地資源的利用效率， 都不斷增加建筑的層數(shù)， 許多城市都日漸發(fā)展了超高層建筑。
在超高層建筑建計工作中， 建筑結(jié)構(gòu)類型的選擇十分關鍵。在當前建筑要求日漸復雜的情況下， 結(jié)構(gòu)設計人員需在保證結(jié)構(gòu)安全性的情況下， 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案， 從而有效保證建筑的空間以及使用功能要求。
本文結(jié)合具體工程案例進行分析， 通過比較分析的方式為超高層建筑的結(jié)構(gòu)選型提出具體的建議， 為以后設計超高層建筑提供一定參考。
1 超高層建筑設計中結(jié)構(gòu)選型需考慮的因素
1.1 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系特點分析
1.1.1 框架結(jié)構(gòu)
普通框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力能力有限， 不能用于超高層結(jié)構(gòu)中。但其具有結(jié)構(gòu)布置靈活、結(jié)構(gòu)自重輕等優(yōu)點， 在合理設置斜撐、設置矩形框架等附加的抗側(cè)力體系后， 用于大面積或內(nèi)部空間有特別要求的超高不多的低烈度區(qū)還是可行的。
1.1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)
結(jié)合建筑房間分割， 充分利用隔墻的豎向和水平承載力的一種經(jīng)濟結(jié)構(gòu)形式。此結(jié)構(gòu)類型剛度大， 構(gòu)件截面處理得好占空間小， 但分割后空間小， 布置不靈活， 一般主要運用于住宅以及公寓建筑中。地庫或低區(qū)建筑為擴大聯(lián)通空間， 常會設置轉(zhuǎn)換框架避免部分墻體落地， 形成框支剪力墻結(jié)構(gòu)。
1.1.3 框架–剪力墻結(jié)構(gòu)
能結(jié)合上述兩種結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)點的一種經(jīng)濟結(jié)構(gòu)形式。此結(jié)構(gòu)類型剛度適中， 空間布置靈活， 大量運用于超高不多的低烈度區(qū)建筑中。
1.1.4 筒體結(jié)構(gòu)
建筑設計中， 將交通、附屬功能用房等集中布置， 其外圍采用結(jié)構(gòu)墻體形成剛度強大的核心筒體， 承擔主要抗側(cè)力體系。外圈根據(jù)柱網(wǎng)的疏密程度分為框架核心筒結(jié)構(gòu)和筒中筒結(jié)構(gòu)。
從經(jīng)濟性考慮， 此類型建筑標準層面積一般按照1~2個防火分區(qū)確定， 由于此類型結(jié)構(gòu)具有良好的抵抗側(cè)向力的性能， 超高較多的超高層建筑一般會選用， 在變形不能滿足要求時尚需增設伸臂桁架和環(huán)帶桁架來增強整體剛度。
1.2 超高層建筑常見的特殊要求
1.2.1 外墻
大部分超高層辦公和商用建筑都習慣采用輕質(zhì)、美觀的幕墻體系。幕墻龍骨的安裝一般需要后錨固， 使得外邊梁的高度要滿足要求。
1.2.2 層高控制
從經(jīng)濟性考慮， 超高層建筑層高的控制能帶來更明顯的效果， 使核心筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)部框架梁梁高受到壓縮。除盡量采用輕質(zhì)隔斷， 減輕荷載外， 可以采取加寬梁寬、外圍懸挑、型鋼混凝土梁等方式降低梁高要求。
1.2.3 層高較低的設備夾層
控制設備層層高2.20 m內(nèi)可減少建筑面積， 但容易引起豎向剛度突變�？刹扇≡O置吊掛樓層或支托次結(jié)構(gòu)樓層的手段弱化樓層與豎向構(gòu)件的連系， 消除剛度突變。
1.2.4 樓板開大洞
底層和某些特殊樓層建筑常會要求通高， 造成樓板缺失和形成穿層墻柱。穿層柱的線剛度大幅降低， 計算長度增加， 穩(wěn)定性降低， 所在框架層抗側(cè)力能力降低， 其本身需要加強， 相鄰構(gòu)件分擔內(nèi)力增加， 也需專門分析和加強。穿層墻也需驗算穩(wěn)定性。
1.3 超高層建筑的經(jīng)濟和安全性要求
超高層建筑從變形和剪力判斷， 分為風控和地震控制兩種類型。對風控建筑， 僅需控制抗側(cè)力構(gòu)件的剛度和分布即可得到經(jīng)濟、滿意的結(jié)果， 地震控制建筑不僅需考慮上述要求， 還需控制構(gòu)件重量， 防止剛度增加后地震力增加更多。
超高層建筑在低區(qū)一般都是強柱弱梁， 梁的布置是否偏心對柱影響不大。因重心高， 足夠埋深， 足夠剛度的基礎是安全性的保證。
柱截面由軸壓比控制， 采用高強度等級的混凝土材料和合理選用箍筋形式、必要時采用型鋼混凝土柱會減小柱截面， 保證柱的延性， 提高抗震安全性。
2 某超高層建筑選型案例
2.1 工程情況簡述
某超高層辦公樓， 其建筑面積約為8.5萬m2, 功能分為兩個部分， 3層裙房作為商業(yè)， 4層以上為辦公塔樓。其中塔樓的主體結(jié)構(gòu)高度是250 m, 地上56層， 3層地下室。地下室為車庫以及設備用房。
結(jié)構(gòu)的主體使用的年限為50年， 抗震設防為6度， 設計基本地震加速度為0.05g, II類場地土， 場地特征周期為0.35 s, 重點設防類， 按7度采取結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。安全等級為一級， 其結(jié)構(gòu)的重要系數(shù)為1.10.基礎為樁筏基礎。
2.2 選型方案
因該建筑主要作為辦公以及商業(yè)， 因此， 建筑空間需要設計十分靈活， 裙樓采用框架結(jié)構(gòu)， 塔樓的主體結(jié)構(gòu)采用框架–核心筒結(jié)構(gòu)。塔樓的結(jié)構(gòu)型式作如下兩種方案對比。
�。�1） 第一個方案：采用鋼管混凝土柱、實腹鋼框架梁以及鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。
�。�2） 第二個方案：型鋼混凝土柱、鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土梁。下面具體比較兩種方案的用鋼量、施工周期。
2.3 截面比較
2.3.1 方案一
方案一， 鋼管混凝土柱可以提升承載力， 有效減小截面， 與型鋼框架梁連接節(jié)點成熟、方便， 施工工效高而且抗震性能也非常好。
核心筒的外墻墻厚是1 000 mm, 而內(nèi)墻的墻厚是300 mm, 鋼次梁的截面是H550×250×12×16, 其中周邊的框架梁是H900×500×18×30.按室內(nèi)凈高控制要求， 室內(nèi)部鋼框架梁為H550×600×20×130, 四周的懸挑框架梁截面是H900×500×20×30, 封閉式壓型鋼板鋼筋樓承板， 厚度是120 mm, 具體布置情況如圖1所示。
圖1 方案一結(jié)構(gòu)布置示意
2.3.2 方案二
方案二采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 和方案一不同， 其周邊采用型鋼混凝土柱， 鋼筋混凝土梁板。核心的筒布置同方案一。
外框和筒體間框架梁的截面是400 mm×700 mm, 次梁的截面是200 mm×700 mm;在其周圈外框的梁設計的是400 mm×1 000 mm, 而角部的斜框架中梁截面是500 mm×700 mm.具體布置見圖2.
2.4 工期比較
兩方案在結(jié)構(gòu)體系以及主體材料方面存在較大差異， 因此， 施工的工期也有差異。按照當?shù)厥┕挝凰郊耙延械南嚓P工程建設經(jīng)驗， 混凝土的結(jié)構(gòu)施工中， 每層所需要的周期為5~6d, 而混合結(jié)構(gòu)施工中， 每層的施工周期需要4 d.
其中， 在第一個方案中主要采用的是混合結(jié)構(gòu)， 施工中通常所采用的是爬模技術(shù)。
�。�1） 混凝土的核心筒需要最先開始施工， 保證一定的超出量， 提供安裝臨時結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度。
圖2 方案二結(jié)構(gòu)布置示意
�。�2） 在核心筒中安裝施工中需要的自爬式塔式起重機， 有效完成對應的外圍鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝。由于核心筒的現(xiàn)澆混凝土面積比較小， 所以施工的速度快， 和外圍較快的鋼結(jié)構(gòu)安裝工作可以保持一致。
綜上， 第一種方案的施工速度可以保證4 d/層。第二種方案， 施工速度為5~6 d/層， 按每層工期差1 d計， 采用第一種方案， 可以提前56d完工。在工期權(quán)重較大的時候采用第一個方案占優(yōu)。
2.5 分析成本情況
上部結(jié)構(gòu)按設計圖紙進行統(tǒng)計， 具體情況見表1, 第二個方案的造價低于第一個方案。然而方案一結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)總重量較小， 其基礎的造價比較低， 同時由于第一種方案可以提前運營， 建設資金占用期短， 經(jīng)業(yè)主預測， 建設期間材料價格平穩(wěn)， 物業(yè)為自行持有及股東分配， 對房價不敏感， 按其融資成本及利潤分配方案綜合評價， 能夠有效節(jié)約部分建設的成本。通過分析， 確認第一種方案略比第二種方案優(yōu)。
表1 方案用量比較
3 結(jié)束語
在超高層建筑的結(jié)構(gòu)選型時， 除需要考慮常規(guī)的結(jié)構(gòu)安全性以及直接造價外， 還要考慮當?shù)亟ㄔO施工水平以及項目業(yè)主對工期的要求， 綜合測算經(jīng)濟效益。為了保證超高層建筑的建設質(zhì)量， 設計過程中就需要設計人全面分析各種因素， 特別是明確市場和業(yè)主的具體情況， 為業(yè)主進行訂單式的專題評選。
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