200m超高层写字楼的结构经济性探讨

随着国家经济的发展，超高层写字楼越来越多。我国土地资源稀缺，如何在有限的土地上建设高层办公楼，其使用率和经济性成为建设方及社会关注的一个重点。本文对高烈度区的 200m高度 写字楼的 平面外形、柱距 及 核心筒 占有效率 与结构经济性的关系进行分析，并给出初步成果，希望可以给读者有实用意义的参考。

超高层写字楼标准层面积的确定受诸多因素影响。作为一个开发项目，外部要受到投资额度和市场需求的影响；设计方面，用地的大小、形状、规划红线的划定、容积率和建筑高度的限制等都直接或间接地影响到建筑平面的规模。很明显，建筑层数越多，容纳的人员就越多，要求平面相应设置的垂直交通体和服务空间也越多。这样就引发一个问题， 以多大的标准层面积去与垂直体量及服务空间所占面积相匹配？也就是标准层面积多大合适？ 从平面有效利用率原则分析探讨适度的标准层平面规模，可参考如下图所示的日本关于标准层平面规模与使用率的研究成果。

▲图1  标准层面积与有效率关系

 

从图1可以看到， 当标准层面积为2000 ㎡ 左右，平面使用率可接近78%左右 。当标准层面积小于1500 ㎡ 或者大于3000 ㎡ ，平面使用率均下降较快，说明面积过小则核心筒所占面积比例增大，导致使用率低；而面积过大则由于随着办公人数的增加，导致电梯数量增加，当超过一定规模时，垂直交通占用楼层面积的剧增令使用面积越来越少。同时还需要注意消防分区的面积控制因素的影响。

另一方面，随着建筑层数的增加，核心筒所占标准层的面积比例逐步增加，标准层面积使用率逐渐降低。日本某研究统计数据如图2所示，20层建筑的使用率约为77%，当建筑升高到40层时，面积的使用率将降至75%。 超过50层以上则使用率快速下降。

▲图2 日本某研究高层办公楼层数与使用率关系图

本文对抗震设防烈度为八度区（0.2g），Ⅲ类场地， 标准层平面规模为1800 ㎡ ，层高4.2m的200m（不超过50层）超高层型钢混凝土框架-核心筒结构（不设置加强层） 进行 分析，就 平面外形、柱距 及 核心筒占有效率 三个方面对结构经济性的影响趋势。

1、标准层平面外形与经济性之间的关系

从建筑角度来讲，当高层建筑标准层面积一定的情形下，平面形状的不同（如方形、圆形、矩形等）引起建筑物的周边长不等。为描述这一性质，引入 建筑物周长系数K值 概念：

K=L/A=标准层外墙周长/标准层建筑面积

显然，K（圆形）< K（方形）< K（矩形）。因此，同样标准层面积条件下，周长系数越大，意味着外墙周边和外墙面积越大，直接导致墙身、基础、装修和节能等方面单造价提高，尤其在当今的高档办公楼中，玻璃幕墙和石材使用较多，价格差异较大。另外，周长系数越小的建筑（如圆形、方形），过道占用的公摊面积就越小。考虑到实践过程中，圆形建筑的楼梯等核心筒的布置便捷性较差，且建设难度比方形建筑大，圆形平面暂不在本文讨论范围内。如果仅分析矩形平面的建筑物，面积一定的情况下以长宽比为1:1、1:1.5、1:2 进行分析，K值顺序为 K（1:1）< K（1:1.5）< K（1:2）。可见， 矩形平面作为标准层的高层办公建筑不宜采用长宽比过大的窄条形建筑。 否则，将增加外墙面积，提高造价。

从结构概念来讲，高层建筑主要由水平荷载控制。 在水平荷载作用下结构整体弯曲变形所引起的侧移，与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比例关系，如果能保证建筑平面的 有效宽度 ，能在很大程度上减少结构的相对侧移。故我们基于标准层面积1800 ㎡ 的 长宽比分别为 1:1、1:1.5、1:2 三种方案 ，其中核心筒占比暂按25%、外框柱距为9m进行研究分析其结构材料用量对比。计算模型见图6。

▲ 图3 方案一 长宽比1:1，核心筒占比25%，柱距9m

▲ 图4 方案二 长宽比1:1.5，核心筒占比25%，柱距9m

▲ 图5 方案三 长宽比1:2，核心筒占比25%，柱距9m

▲ 图6 计算模型示意

表1 三方案构件尺寸及结构材料用量对比

从表1中的结构截面尺寸和材料用量上可以明显看到， 随着长宽比的加大，结构受力变得更加不利，对应需要提供的结构刚度将相应加大，随即结构材料用量增大也比较明显。

综上所述，当高层平面轮廓没有受到诸如用地大小、形状、建筑红线等诸多因素影响时，在高烈度区，我们建议优先采用 长宽比接近1的规则建筑 ，这种建筑平面形式受力较好并更经济。基于地块先天地形的限制，亦或良好景观面的需求，平面布置需要趋向长条形时，那么就要付出一定的结构代价去实现此类货值更高的产品需求。

2、外框柱距对经济性的影响

外框柱距不仅对上部的建筑立面、幕墙及室内办公空间分割等有较大影响，也对地下车库停车布置及相关裙房的柱网布置等有相关影响。 单从办公空间分割来看，按目前市面上比较流行的大空间办公要求，同时考虑到采光，一般框架核心筒结构的进深尺寸（标准层外墙至核心筒外壁不宜过小）约12m左右。结合该尺寸和外框柱距同时考虑，如果外框柱距为6m，则一跨内建筑面积约为70 ㎡ ，如果外框柱距为9m，则一跨内建筑面积约为110㎡。如果办公楼定位主要为租赁，则需要考虑租赁客户的面积需求。目前根据统计，一般创业型的中小规模公司（设计、装饰、电子加工等行业）办公的需求面积为100~300 ㎡ ，处于发展期的企业（贸易、律所、物流）办公的需求面积为300~500 ㎡ ，处于成熟期的较大企业规模（实业、物流、科技、服装展示）办公的需求面积为500~1000 ㎡ ，更大型的上市公司或者外企（投资、基金、实业）办公的需求面积为1000 ㎡ 以上。如此，则 可以根据办公的客户定位需求而选择合适的外框柱距，从而更有利于租赁客户的办公面积分割 。

从结构分析角度出发，外框柱距若小于4m则属于有别于框架核心筒结构的另外一种结构体系，即筒中筒结构。基于框架核心筒的前提，选用上述方案一为基本模型，分别对外框柱距6m、7.5m、8.4m、8.7m、9m进行对比结构材料用量，详表2。计算参数、模型和材料用量统计方法与之前计算保持一致。

表2 方案一不同外框柱距对应的构件尺寸及结构材料用量对比

从上述分析来看， 外框柱距越密，越能提供结构的整体外框刚度，故结构材料用量随着柱距的加密而更节省 。柱距越密，即柱布置越多，相应柱截面尺寸较小；反之，柱距越大，即柱布置较少，则相应柱截面较大。柱距与柱截面的大小对用户的空间视野也有较大影响，建议根据项目各方面的实际情况综合权衡选择合适的外框柱距。

3、核心筒占比变化对经济性的影响

高层建筑内部的核心筒 既作为抵抗水平侧力的结构体系，同时又集合了电梯井道、楼梯间、公共卫生间、机电设备机房以及管道井等辅助服务性空间。核心筒的布局跟建筑物的使用功能、平面形状、建筑体型等因素密切相关。本文讨论常规形式，将这些服务配套功能部分或全部紧凑地置于核心筒内部，整个核心筒布置于平面中心，其周边形成采光良好、进深9~12m的办公空间。 核心筒的面积较难明确地定量规定。 核心面积过大，则导致使用空间面积减小；相反，如果核心面积过小，则会使其内部设施不完善而导致使用不便。

下述仅从结构专业角度进行分析，在前述方案二（长宽比1:1.5）的基础上，外轮廓一定且外框柱距确定为8.4m的前提下，对 核心筒占比分别为18%、20%、25%和30%进行结构经济性对比分析 。同时核心筒尺寸是基于长度不变，仅修改宽度调整核心筒占比，如下A、B、C、D四种方案：A核心筒高宽比15.55，面积占比18%；B核心筒高宽比13.99，面积占比20%；C核心筒高宽比11.19，面积占比25%；D核心筒高宽比9.33，面积占比30%；如下图7所示。

▲ 图7 核心筒占比不同的平面方案

经过分析，我们得出结构用钢量与核心筒高宽比的曲线，如图8所示，可以看出 随着核心筒高宽比的增加（对应核心筒占比增加） ， 可以获得更经济的构件尺寸和结构材料用量。 《高层建筑混凝土结构技术规程》9.2.1条提出 “ 核心筒的宽度不宜小于筒体总高的1/12 ” ，通常高烈度区经济性更好的核心筒高宽比我们建议取值1/8~1/10，不宜超过1/12。

▲ 图8 核心筒高宽比变化对应材料用量趋势曲线

核心筒作为超高层建筑的心脏，核心筒布置的合理与否直接关系到建筑的品质和使用率。实践经验表明，在所有服务设施均在核心筒内部的情况下，一般高层办公楼核心筒占标准层面积比20%~30%之间，而旅馆略小。而服务设施是否全部设置在核心筒内，要根据建筑功能的实际情况作出判定。上述仅仅从结构专业角度阐述核心筒占比对结构用钢量的经济性分析以供建筑方案参考。

200m超高层写字楼的结构经济性跟多方面因素相关，要考虑施工工艺、建设周期、租金等，以及结构自身是否采用加强层、材料是混凝土结构还是组合结构等等。限于篇幅原因，本文拟抛砖引玉，仅从 平面外形、柱距及核心筒占有效率 等三个方面对其结构经济性的影响进行了分析，供读者参考