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300m超高层建筑结构都是如何设计的？超高层建筑的主要结构体系

发布于：2022-07-11 09:54:11 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

0. 概述

在城市发展趋势中，超高层项目不再是一个单纯的建筑结构需求，而是要成为真正多功能建筑，是城市商业化、工业化发展趋势。科学技术发展为超高层建筑的发展提供了技术条件和物质基础。国民经济持续稳定的发展，为超高层建筑的发展提供了经济保障。

世界高层建筑与都市人居学会 CTBUH 公布的数据显示， 2020 年，全球共有 106 座 200 米以上建筑竣工，与 2019 年的 133 座相比下降了 20% 。同时， CTBUH 预测， 2021 年建成的高层建筑数量将在 125 座至 150 座之间增长，其中大部分位于中国。

从整体数量上看， 2011-2020 年 10 年时间，高层建筑数量大幅攀升，全球 200 米以上高层建筑竣工数量达 1123 座。截至 2020 年，全球高层建筑数量达 1733 座， CTBUH 预测， 2021 年，全球高层建筑数量约达 1858-1883 座。

我国的超高层建筑发展始于上世纪90年代，经过二十多年的发展建设，我国的超高层建筑也获得了迅猛发展。我国已经形成了比较完善的超高层建筑结构设计、施工的规范和标准体系，对保证工程质量起了巨大的作用。全国各地的200m+超高层建筑如雨后春笋般落地建成，成为了一个个地标性建筑。

图片来源于网络

世茂紧跟我国超高层建筑发展脚步，基于世茂多元业务的整合能力，已为城市贡献近 30 座超 200m 地标，以突破性技术筑就超级工程，打造城市独有名片。

下面一起来看看世茂的这些300m超高层建筑结构是如何设计的，篇幅有限，仅以下述项目为例进行介绍。

1. 长沙世茂环球金融中心（ 348m ）

结构体系：钢管混凝土框架 - 核心筒 - 伸臂桁架 - 环桁架

本项目主塔楼为地上 75 层，地下 4 层，建筑总高度为 348.3m ，结构高度 335.3m ， 是世茂集团目前已建成的最高超高层建筑。

主塔楼采用钢管混凝土框架 + 钢筋砼核心筒 + 伸臂桁架 + 环桁架的混合双重抗侧力结构体系，以钢筋混凝土核心筒为第一道防线，以钢管混凝土框架、伸臂桁架和环桁架组成第二道防线共同抵抗风和地震产生的水平作用，结合建筑的设备层与避难层，设置伸臂桁架与环形桁架。

框架柱采用钢管混凝土柱，由于与伸臂连接的角部八根钢管混凝土柱承受的竖向力巨大，且有一定的抗侧刚度需求，角部设置巨柱，使得伸臂的工作效率最大化，较大的提高塔楼的抗侧刚度，八个中柱按普通柱设计。

核芯筒由方形筒组成，平面基本呈正方形，位置居中，质心与刚心基本一致。核芯筒采用内含钢骨的钢筋混凝土剪力墙结构。核芯筒的混凝土等级主要采用 C60 （底部 C70 ），提高构件抗压、抗剪承载力的同时，可有效降低结构自重及地震质量，外伸臂的钢构件贯穿翼墙。

结合建筑的避难层与机电层，本工程采用三道伸臂桁架，并在核芯筒的墙体内贯通设置钢桁架，形成整体传力体系，优化结构效能。 3 道环形桁架也分别位于 F22 层、 F38 层、 F52 层。屋面顶层由于受建筑立面和使用功能的影响，加之计算亦不需要，故无需在外框架周边设置环形桁架。

加强层三维轴测图

加强层平面布置图

建成实景图

2.上海世茂广场（333m）

结构体系：巨型框架 - 核心筒

上海世茂广场主楼地上 60 层，地下 3 层，高度为 333 米，主楼屋面高约 246m 。其中 1-6 层为商场， 7-60 层为酒店， 是世茂集团最早建成的超高层建筑 。

主楼采用巨型框架 - 核心筒结构体系，平面形状为直角等腰三角形，中部设芯筒，周边三面为巨型框架。 1 ～ 11 层采用钢筋混凝土框筒， 12 层以上外周边为巨型框架结构，利用 11 、 28 、 47 层的设备层配置周边巨型桁架，其余角部的巨型柱形成巨型框架结构体系。为进一步增加结构的刚度，减少楼层侧移，在周边桁架的相应楼层还设置外伸臂桁架。周边桁架之间则设置钢框架，作为二次结构。这样既增加了巨型结构的刚度，也利于楼面梁的布置。采用巨型结构体系，不仅解决了上下各个竖向荷载的传递问题，而且能减少外围柱之间的竖向变形差异。由于 12 层以上角部巨型柱外移了 1.5m ，设计中采用了斜柱转换的方式。

主楼立面图

结构典型平面布置图

主楼屋面高 88m 的桅杆是设计的又一挑战。设计采用圆形钢管截面，从下至上分为三段。为确定风荷载进行了气弹模型风洞试验，其结果揭示高频抖振是确定等效静风荷载的主导因素。抗震计算时，将桅杆带入整体结构模型以考虑鞭梢效应的影响。根据上海地区气象资料，对常遇风作用下钢管疲劳强度作了分析，疲劳应力可以满足设计要求。对柱脚的锚固，考虑将桅杆钢管套在下面楼层的巨型柱外，向下插入 2 个楼层，同时将作为嵌固端的屋面层楼板加厚，并设置 SRC 梁拉结巨型柱。有限元分析结果证实这一设计可以保证桅杆钢管的可靠锚固。施工时采用了自爬式提升系统，完成高空吊装的难题。

3.烟台世茂海湾壹号（323m）

结构体系：筒中筒

T1 综合塔楼的抗侧力体系为内筒与外框筒组成的筒中筒结构，内筒由钢筋混凝土剪力墙构成，外框筒由钢骨（型钢）混凝土柱与钢梁构成，外框筒底部楼层通过斜柱、转换桁架等将柱距加大。由于本工程纵横两个方向的刚度相差较大，为加大结构横向（ Y 向）刚度，在 26 层、 46 层（均为避难层）内筒的两个端部沿 Y 向设置钢结构伸臂桁架，形成结构加强层。

外框筒的柱位置是按建筑图的要求确定的，外框筒的外形较建筑外形有局部内收，这样就可通过楼板外挑长度的变化来满足建筑立面变化的需要。外框筒的基本柱距为 5.1m ，由于本建筑的高度和高宽比都较大，通过分析表明其受力特点仍接近框筒，与框架差异较大。为满足建筑功能要求，在底部建筑物两端通过设置斜柱将中间柱距加大，在上、下两侧则通过钢桁架做转换构件使 L4 及以下楼层的柱距加大一倍。在 L54 以上建筑物两侧各向内收进 1.4m ，为避免竖向构件的不连续，在 L53 及 L54 采用斜柱方案。

由于本工程高度较大，超限较多，为满足抗震设防要求且做到经济合理，本工程的框筒柱主要采用钢骨（型钢）混凝土柱，框筒梁主要采用钢梁，但在以下部位，根据本工程的特点又有所变化：为使结构具有良好的受力性能且构造简单、施工方便， L5 及以下各层的框支柱采用了钢管混凝土结构；为节省投资并方便施工， L41 至 L54 的框筒柱采用了钢筋混凝土结构（内加构造钢骨）； L55 、 L56 和 L57 的柱子采用钢结构；

内筒的平面形状为切角菱形，由于高度较大，宽度方向的高宽比也过大，使得宽度方向的抗侧刚度较小。为提高宽度方向的抗侧刚度，结合建筑功能，在 27 层以下将内筒的宽度加大，同时加大了剪力墙的厚度。由于本建筑外框筒的抗侧刚度较一般的外筒要小一些，计算表明本工程内筒承受的楼层剪力和倾覆力矩还是比较大，因此内筒仍然是本工程最主要的抗侧力结构。为满足抗震设防要求且做到经济合理，内筒在底部加强部位剪力墙的边缘构件内设置钢骨（型钢），在底部加强部位以上剪力墙的周边转角及与楼面刚接钢梁相连处也设置钢骨（型钢）。

低区标准层平面布置图

转换层平面布置图

转换桁架节点图

4.广州世茂汇金中心（320m）

结构体系：钢管混凝土框架 - 核心筒

本项目是集商业、办公一体的超高层写字楼，地下 4 层，地上 69 层，屋面高 305.4m ，建筑高度 320m 。

结合建筑平面功能、立面造型、抗震（风）性能要求、施工周期以及造价合理等因素，本工程塔楼的结构受力体系分别由外框架+伸臂桁架+腰桁架与核心筒组成，共同构成多道设防结构体系，提供结构必要的重力荷载承载能力和抗侧刚度。

加强层示意图

框架部分采用圆钢管混凝土柱 + 型钢梁的结构形式。配合建筑造型的需要，从 B4 层至 55 层沿建筑周边共布置 17 根钢管混凝土柱，由于立面收进， 56 层东北角 A-F 轴柱被取消，周边变成 16 根柱， 61 层西南角 A-B 轴柱被取消，周边变成 15 根柱。外框柱基本均为斜柱，但倾斜角度较小，在 0.1~2.9 度之间。在倾斜角度或倾斜方向变化的楼层，根据柱轴压力计算水平分力直接传给楼面钢梁由框架梁平衡。

核心筒由外围墙肢、中部墙肢组成，为提高墙体的抗倾覆能力，外围采用较厚的墙肢，中部墙肢为了减轻结构自重，厚度较薄。核心筒剪力墙在 39 、 54 、 67 层有不同程度的收进。

低区结构平面布置图

高区结构平面布置图

5.深圳前海世茂大厦（300m）

结构体系：钢管混凝土斜柱框架 - 核心筒

本项目是集商业和办公于一体的超高层综合体，其中办公塔楼地上 63 层，建筑高度 294.3m ，结构主屋面高度为 285.72m ，顶部为塔冠，塔冠在中间开槽形成双坡屋面。

塔楼建筑体型由下至上均匀旋转上升，且逐渐内收，外立面为向建筑内倾的扭曲面。为配合建筑体型，并满足幕墙的要求，结构外框柱需随外立面一起旋转内倾，为方便结构计算，将外框柱简化为若干直线段相连，其中底部首段与地面夹角为 4.1 度，中间段相互夹角约为 179.25 度。塔楼首层建筑平面尺寸为 52.5m × 52.5m ，由下至上旋转的同时逐渐内收，至屋面层建筑平面尺寸约为 46.5m × 46.5m ， 该项目是国内最高的扭转建筑 。

外框示意图

根据建筑设计理念及建筑特点，结合结构性能要求、经济合理以及施工方面等因素，经过多种结构方案的分析和比选，塔楼采用钢管混凝土斜柱框架 + 核心筒混合结构。四周有 16 根均布的钢管混凝土柱，钢管混凝土柱内混凝土采用 C70 ，核心筒外围墙厚度由低到高逐步减小。

结构体系

核心筒典型平面布置图

扭转外框的水平向分力通过梁柱节点向楼板传递，传递过程中，该力首先转化为外框梁的轴力，再通过梁上的栓钉传递到楼板。在力的传递过程中，节点附近的楼板受力较大，向远离节点的区域扩散，并逐步降低。因此需要对节点区域的楼板做配筋加强。另外，在外框梁设置加强板带，与混凝土共同分担由外框梁传递来的力。

竖向荷载分解示意

外框梁柱节点与楼板之间力的传递

节点区域受力扩散及加强措施

根据本项目抗震性能目标的要求，节点在竖向荷载、风荷载、小震组合下满足弹性设计要求，在中震组合工况下满足弹性设计要求，在大震组合工况下满足不屈服设计要求。有限元分析中对弹性设计工况、不屈服设计工况分别选取最不利组合，对角柱节点和边柱节点做分析，角柱计算结果如下图所示。

弹性设计组合下，钢材的最大应力小于钢材的设计强度；混凝土压应力小于 C70 混凝土的抗压强度设计值。不屈服设计组合下，钢材的最大应力小于钢材的强度标准值；混凝土压应力小于 C70 混凝土的抗压强度标准值。

角柱节点弹性设计组合应力云图

角柱节点不屈服设计组合应力云图

6.南京世茂国际中心（双塔）（300m）

结构体系：办公塔楼采用框架 - 核心筒，公寓塔楼采用框架 - 剪力墙

南京世茂国际中心集商业、酒店、办公和公寓一体的超高层综合体，其中办公 / 酒店塔楼地上 64 层，总高约 300m( 含 20m 高塔冠 ) ，公寓塔楼地上 66 层，总高约 260m （含 10m 高塔冠）。

办公塔楼采用框架核心筒结构体系，四周有 16 根均布的框架柱，办公区柱距 12.6m ，酒店区柱距 11m 。

办公区典型平面布置图（低中区）

酒店区典型平面布置图（高区）

核心筒典型平面布置图

办公塔楼顶部塔冠，东西两侧顶部幕墙“内凹”，采用斜柱 + 斜撑的结构形式，为了配合建筑的塔冠造型，在塔冠四周设钢立柱以及在顶部设弧形空间钢构架共同支撑幕墙和抵抗风荷载。

公寓塔楼采用框架剪力墙结构体系，主要的抗侧力体系由居中的矩形钢筋混凝土剪力墙和四周的钢筋混凝土框架组成，四周有 16 根均布的框架柱，柱距 10.8m 和 9m ，柱截面为长方形。

低区平面布置图

高区平面布置图

7.深圳坪山世茂大厦（300m）

结构体系：框架 - 核心筒

塔楼主要功能为办公，地上 57 层，地下 4 层，建筑高度 302m ，结构大屋面高度 263m ，塔冠高度 39m 。满足建筑设计与功能的要求下，同时基于安全、适用和经济的原则，并考虑结构抗侧刚度、抗震性能、重量和施工可建性等问题的要求。结合本项目特点，塔楼可采用的结构抗侧体系主要有：带伸臂巨型框架 - 核心筒（混合结构）、带伸臂稀柱框架 - 核心筒（混合结构）、稀柱框架 - 核心筒（混凝土结构）等结构体系。

本项目位于风荷载起控制作用的深圳地区，地基基础采用承载力较高的嵌岩桩的形式，对结构自重敏感性较小，经造价经济性分析表明混凝土结构具有一定优势，且本项目建筑高宽比不大，伸臂桁架的设置对建筑功能及施工进度影响较大，经综合评价后，采用混凝土框架 - 核心筒结构体系。

塔楼采用框架核心筒结构体系，四周有 12 根均布的框架柱，框架柱根据建筑外形的变化采用分段折柱的形式，按建筑分区分六段折柱。角柱折角大于边柱的折角，每一区与相邻区的框架柱折角控制不大于 1 °。

核心筒收进示意图

8.厦门世茂海峡大厦（300m）

结构体系：框架 - 核心筒

本工程为商业综合体，包括 A 、 B 两座超高层建筑和裙楼。 A 塔建筑功能包括 soho 及办公， B 塔建筑功能包括办公及五星级商务酒店，裙房为商业、影院及酒店配套餐饮。 A 塔 64 层，主屋面高度 249 米，屋顶钢架顶高度 300 米。 B 塔 55 层，主屋面高度 249.9 米，屋顶钢架顶高度 300 米。

本工程 A 塔、 B 塔结构体系基本相似，均采用劲性混凝土柱、钢 - 砼组合梁和钢筋混凝土核心筒构成的框架—核心筒混合结构体系，为提高建筑整体刚度，利用建筑避难层沿高度方向设置两道腰桁架，同时适当加大各层外框架环梁的尺寸，以增大外框架的整体刚度。外框架和中心筒体共同抵抗水平风力和地震力产生的倾覆弯矩，承担水平地震剪力。

外框柱采用劲性混凝土框架柱，柱截面沿建筑高度逐级减小。由于建筑立面造型需要， A 、 B 两塔各有一边的外框柱为斜率较小的斜柱。

A 塔、 B 塔核心筒平面均为近似三角形， A 塔在 29 层、 B 塔在 37 层核心筒的一边内收。

标准层结构布置图

加强层结构布置图

9.绍兴世茂天际中心（288m）

结构体系：型钢混凝土框架 - 核心筒

本项目主楼部分地上 54 层，大屋面标高为 218.85m ，总高度为 280m 。 218.85m 至 280m 无使用功能，仅为建筑外形需要，建筑外立面呈台阶式对称内收，顶部 23m 为针状造型。

主楼主要抗侧力系统由内部的钢筋混凝土核心筒、外围框架 ( 型钢混凝土柱与钢梁 ) 及连接钢筋混凝土核心筒与外围框架的外伸臂桁架组成。核心筒外墙是闭合式的，提供建筑大部分的扭转刚度。型钢混凝土柱的截面形式为圆形混凝土加十字形钢骨，通过在 16 和 37 层设备层布置的外伸臂钢桁架与核心筒连接在一起。外围型钢混凝土柱在上述两层各有一道带状桁架在外围连接，从而使柱子更加均匀地受力，增强了结构的整体性，提高了结构的冗余度。

标准层结构布置图

由于主楼 Y 向体形较薄，风荷载下水平位移较大，利用三个设备层设置伸臂桁架及周边带状桁架是很有效的方法。但加强层的施工较为困难并且用钢量大，对建筑使用空间有影响，为此做了 4 个方案进行对比：

可看出方案三的整体刚度比较合适，与方案一、方案二相比更有效控制了水平位移，与方案四相比减少了一层加强层，用钢量减少，施工难度也减小，位移控制也在可接受范围，故采用了方案三的加强层设置方案。

加强层结构布置图

10.杭州世茂智慧之门（双塔）（279m）

结构体系：带斜撑的巨型框架 - 核心筒

本项目由 2 栋 63 层的塔楼（ A 、 B 楼）， 1 栋 19 层的塔楼（ C 楼）及 1 栋独立 3 层附楼（ D 楼）及 1 栋独立 2 层附楼（ E 楼）共 5 栋楼以及三层地下室组成的城市综合体。 A 、 B 楼为 5A 级甲级写字楼，建筑高度 279.160m （檐口）。

A 、 B 塔楼结构体系基本类似，均采用带斜撑的巨型框架 - 筒体结构，周边的带斜撑组合框架和核心筒一起抵抗侧力，塔楼均设置 2 道环桁架。周边带斜撑框架由钢斜撑，型钢混凝土巨柱及环桁架组成，核心筒采用混凝土结构。

结构体系示意图

本结构体系的周边框架由每边各 2 根带箱形型钢的钢筋混凝土组合柱（ SRC 柱），以及单向的钢斜撑，在立面上形成竖向桁架，以抵抗侧向力。每边两根巨柱避开角部布置，使得角部窗口空间完全打开，实现建筑要求的无柱窗口。

同时，周边带斜撑的框架给塔楼提供了相当大的侧向刚度，承担了很大部分的侧向力，这使得核心筒可以做的很小，墙很薄。另外，斜撑对于竖向力也有很好的传递作用。巨柱之间的小柱子上的重力大部分都可以通过斜撑传递到较大的 SRC 柱上，因此这些小柱子，截面都可以很小，任何一个小柱子，或者某根支撑的破坏，均不至导致结构倒塌，结构冗余度很好。

在外围部分，除了有斜撑之外， A 、 B 塔楼利用避难层空间设置了 2 道环桁架，避难层楼板也进行了加强，环桁架与加强的避难层楼板有效地将核心筒与周边框架联系起来共同抗侧。

由于周边带斜撑的巨型框架给塔楼提供了较大的侧向刚度，因此塔楼可以采用较小的核心筒也能满足结构设计要求。 A 塔楼核心筒的尺寸约为 17.9m × 18.9m ， B 塔楼核心筒的尺寸约为 23.0m × 22.2m 。

A塔标准层结构布置图

B塔标准层结构布置图

建成实景图

11.福州世茂天城（270m）

结构体系：钢管混凝土框架 - 核心筒 - 伸臂桁架 - 环带桁架

本项目由酒店、办公、公寓式办公、商业等四大功能部分构成。主楼地上 58 层，地下 3 层，屋顶标高 245.35 米，屋架顶标高 273 米。

主楼的主要抗侧力系统由内部的钢筋混凝土核心筒和外围钢管混凝土柱与钢梁组成的框架组成。核心筒系统位于主楼的中心，包括电梯、电梯厅、疏散楼梯的墙体。钢筋混凝土的连梁将连接相邻的剪力墙。核心筒的外墙是闭合式的，从而提供建筑大部分的扭转刚度。外围由钢管混凝土柱组成，并通过在 19 和 47 层的 9.0 米高设备层布置的外伸钢桁架与巨型核心筒连接在一起。外围钢管柱在上述两层各有一道钢的边桁架在外围连接，从而使柱子更加均匀地受力。主楼的第二道抗侧力体系是位于建筑外围的钢框架。建筑从上到下，外围钢梁在每层与外围钢管混凝土柱刚性连接形成第二道抗侧力体系。这个系统为建筑总体提供了附加的扭转刚度，增强了结构的整体性，提高了结构的冗余度。

建筑立面图

标准层结构布置图

由于主楼高度较高 , 福州地区的风载又特别大 , 在整体计算中为了控制主楼在风和地震荷载作用下产生的侧移增加了外伸桁架和带状桁架 , 带来了很大的实用效果 , 不过由此也引起了竖向刚度的不规则。外伸桁架及带状桁架位于主楼的以下位置： 19 至 20 层之间、 47 至 48 层之间。

为了尽量减少建筑在风及地震作用下的位移，在整个建筑高度内，利用建筑设备层设置了 2 组 9.0 米高的钢结构外伸桁架将周边的钢管混凝土柱与内部的钢筋混凝土核心筒相联系。设置加强层后，结构的楼层位移减小接近 50 ％。这主要是因为外伸与带状桁架把周边柱和核心筒连接在一起，增大了结构抵抗倾覆弯矩的力臂，与此相应，周边柱会因为风荷载或地震水平作用受到较大的轴向力。