超高层建筑结构设计复盘：经济性

发布于：2023-05-17 09:31:17 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

前言

超高层建筑是现代文明的成果，人类追求站得更高、看得更远的美好愿望早已有之。在近几十年来，中国建筑行业取得了飞速的发展，在超高层建筑建设方面也展现了卓越的实力。在当下中国，经济持续高速发展，人口密度较大，大城市要发展，只能利用天空、地下空间或水平延展。开发地下空间虽被普遍认可，但造价高，工期长。综合考虑土地、投资、出行各方面因素，向天空发展比开发地下空间安全、经济、舒适，也比水平延展更有优势。这使得超高层建筑的建设需求旺盛，建设速度不断加快，建造数量持续增加，而超高层建筑作为现代城市中的地标，对经济基础与周边环境均有较大影响。

随着一大批超高层建筑的开发建设，国家相关部门也连续发文对超高层建筑的审批提出了要求。

2020年4月，住建部、国家发改委发布 《关于进一步加强城市与建筑风貌管理的通知》 ，指出“一般不得新建500米以上建筑”“严格限制新建250米以上建筑”。

2021年6月，国家发改委印发 《关于加强基础设施建设项目管理确保工程安全质量的通知》 ，提到“严格限制新建250米以上建筑”“不得新建500米以上超高层建筑”。

2021年10月，住建部和应急管理部发布 《关于加强超高层建筑规划建设管理的通知》 ，明确城区常住人口300万以上城市严格限制新建250米以上超高层建筑，不得新建500米以上超高层建筑。

2022年7月，国家发改委发布 《“十四五”新型城镇化实施方案》 ，严格限制新建超高层建筑，不得新建500米以上建筑，严格限制新建250米以上建筑。

我国对超高层建筑的“限高”方向日益明确。

如今，我国建筑物数量不断增加，超高层建筑物数量也相应增加，作为城市经济建设速度的标志而存在，逐渐得到社会各界的认可。就目前而言，我国已然是目前全球超高层建筑物发展速度最快的国家，且这种发展速度依旧在保持。超高层建筑物具有面积大以及施工周期长的特征，建造需要耗损大量的人力、物力以及财力，所以需要在保证建筑物安全的情况下，尽可能降低其投入成本，以保证其经济性，减少结构材料用量可降低碳排量，有助于实现绿色建筑和建筑可持续的发展目标。故而， 提高超高层建筑物结构设计的经济性，不管是对节省建造成本，还是促进社会可持续发展，都至关重要 。

一、我国超高层建筑概述

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。

我国200m以上超高层数量约有1300+座，以结构封顶或已建成为准。我国200m以上超高层数量最多的城市分别是 深圳、香港、武汉、上海、广州 。

二、影响超高层经济性的因素

超高层建筑结构经济性可以用 直接经济指标 或 间接经济指标 来衡量。

直接经济指标一般采用结构造价百分比、单位面积结构综合造价或者单位面积材料用量。鉴于超高层建筑具有施工周期长、投资回收慢、竖向构件面积大等特点，也可用间接经济指标来补充衡量，如建筑得房率、竖向构件占楼层面积比、施工可建性、社会效应等。

下面对影响超高层建筑经济性的因素进行分析：

2.1、场地条件

对超高层建筑经济性有影响的场地条件主要包括 风荷载、地震作用、地质条件（基础形式） 等。

风荷载和地震作用是超高层建筑需要承担的主要水平荷载，随着建筑高度的增加，水平荷载往往成为设计的主要控制因素。在水平荷载作用下，轴向力与建筑高度大致成正比，结构弯矩及位移与建筑高度呈指数关系。

风载荷对于高层建筑而言，是最重要的水平荷载之一，尤其是对较柔的超高层建筑而言，它甚至可能是结构设计的控制因素。在风荷载当中，两个比较重要的因素是风压和风振。根据规范计算公式表明，规则高层建筑风压沿着垂直防线呈倒梯形分布，离地面越高，所承受的风压越大。而相对于风压而言，风振的作用更加重要，高层建筑，尤其是超高层建筑，由于自振周期长，阻尼小，其对风振的作用更加敏感，尤其是风速处于跨临界范围时，风速较大，结构正面风压高，结构背后的尾流的漩涡脱落有一定规律但并非按单一的频率脱落，此时，横向风振影响很大，破坏作用最强。

除了风荷载之外，另一个重要因素就是地震的作用。由于高层建筑的高度较大，地震对它的破坏作用也非常大。一般说来，地震效应与建筑的重量成正比，结构重量的增加必然使得地震力也随之增大，并且，由于高层建筑高度大、重心高，地震作用倾覆力矩也随重量的增大而变得更大。

竖向载荷是超高层建筑所长期承受的最基本荷载，直接关系到建筑物的质量、刚度以及安全性等等，在超高层建筑中，框架柱的轴力与建筑高度成正比关系，由此，由于高度的增加，各楼层的重力荷载的累积效益很大，尤其是建筑层数越多，底层柱的轴力越大，由此而产生的压力变形及地基沉降效应不容忽视。

对于土质、软岩区域，一般需采用灌注桩基础，对越200~300m超高层建筑，以800~1200mm桩径为主。对于花岗岩等硬岩区域（中风化、微风化），可以采用大直径灌注桩或人工挖孔桩（超大直径），甚至天然基础，国内已有450m+超高层建筑采用天然基础的案例。由此可见，基础选项与地质条件密切相关，不同地质条件对基础成本的影响也极大。

超高层建筑结构设计复盘：基础设计

2.2、业态分布

超高层建筑的主要业态有办公、酒店、公寓、酒店式公寓、商业、住宅等，辅助业态有观光层、空中餐厅、空中大厅、会议中心、会所等。

上海中心“上海慧眼”

广州塔观光层

现代超高层建筑，单业态的建筑已不多见，绝大多数采用几种业态组合的方式。

酒店+住宅+办公： 代表项目迪拜塔，1~39层为酒店，43~108层为住宅，111~154层为办公，123层设有观景台。

商业+办公： 代表项目台北101大厦、吉隆坡双子塔。台北101大厦，9层以下为商业，9~84层为办公，35、26层为会议中心，59、60层为空中大厅。

商业+酒店+办公： 代表项目上海环球金融中心，地下二层~3层为商业，7~77层为办公，79~93层为酒店，3~5层为会议中心，94~100层为观光层。

办公+酒店： 代表项目上海金茂大厦，3~50层为办公，52~87层为酒店，顶层设有观光层、企业会所。

写字楼+酒店公寓+商业+酒店： 代表项目香港国际金融中心，甲级写字楼+公寓式酒店+顶级购物中心+六星级酒店。

不同的业态功能，从结构平面布置、荷载、层高等方面对结构设计有一定的影响。

办公典型标准层平面布置图

酒店典型标准层平面布置图

公寓典型标准层平面布置图

住宅典型标 准层平面布置图

住宅结构平面布置需考虑对户型的影响，分户墙及户内分隔墙较多，总体平面荷载较大，层高需求不高。酒店结构平面布置需考虑酒店开间的影响，分户墙较多，净高要求高，层高高。办公结构平面布置灵活，分隔墙较少，净高根据办公需求有差异。公寓结构平面布置需考虑公寓开间的影响，同时需考虑是否设置夹层。

典型公寓夹层示意

夹层方案一：钢筋混凝土组合楼板

在砌体墙上夹层标高处做圈梁，圈梁上做预埋件并固定钢梁，楼板采用钢结构压型钢板 +100mm 厚钢筋混凝土板 + 装饰面层。

优点：楼板舒适度好，隔音效果好，应用范围广泛，常规做法。

缺点：施工周期长，自重较大，本项目作为超高层对结构自重敏感，显著增加土建整体成本。

夹层方案二：钢结构水泥压力板组合楼板

在砌体墙上夹层标高处做圈梁，圈梁上固定夹层楼板。次梁檩条（间距600mm左右）+水泥纤维板（或OSB欧松板）+装饰面层

优点：楼板造价低、自重轻、施工工期短，超高层项目可明显降低自重并降低土建造价。

缺点：楼板承载能力受限制，楼面有较大的荷载或有震动荷载时不能选用。

夹层方案三：钢结构轻质板组合楼板

在砌体墙上夹层标高处做圈梁，圈梁上固定夹层楼板。100mm厚ALC加气混凝土板+砂浆找平层+装饰面层。

优点：自重轻、施工工期短，超高层项目可明显降低自重并降低土建造价。

缺点：楼板承载能力受限制，楼面有较大的荷载或有震动荷载时不能选用。

夹层方案四：钢结构檩条+花纹钢板：

在砌体墙上夹层标高处做圈梁，圈梁上固定夹层楼板。次梁檩条（或加劲肋条）间距小于600mm+花纹钢板（或格栅板）+装饰面层（可选）

优点：楼板承重效果好、自重轻、施工方便，超高层项目可明显降低自重并降低土建造价。

缺点：楼板自身保温隔音性能差，作为住宅楼板使用需要装修面层部分解决保温隔音问题。

以上各方案中方案一为常规方案，但是结合超高层项目结构自重敏感的实际情况，更为轻质的夹层楼面往往是优先选择。

2.3、结构布置

高层建筑的高宽比，是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。在结构设计满足规程规定的承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后，仅从结构安全角度讲，高宽比限值不是必须满足的，主要影响结构设计的经济性。一般情况下，在相同设防烈度下，结构体系相同时，当建筑的高宽比越大时，则其经济性就越差，特别是超高层塔楼影响尤为明显。

由于建筑使用功能与采光等的要求，超高层建筑一般将公共建筑设施、服务用房及楼梯、电梯等集中布置在楼层平面的中央区域，形成了多个专业共用的核心筒。核心筒结构是超高层建筑结构的主要抗侧力结构，核心筒除承受很大的竖向荷载外，在抵抗风荷载和地震作用方面也发挥了至关重要的作用，承担了 80%~95% 的底部总剪力和 40%~60% 的底部总倾覆力矩，由此可见核心筒结构的合理设计至关重要。

以某超高层公寓为例：

由于公寓建筑功能需求，建筑平面设计时，严格控制平面进深，使得建筑高宽比7.4，核心筒高宽比22.4，均超出规范建议值，尤其是核心筒高宽比，超出规范建议值12较多。

建筑高宽比及核心筒高宽比超出规范较多，导致整体结构刚度偏弱较多，项目结构成本（材料用量）较常规超高层增加了约25%，大大降低了结构经济性。

超高层建筑结构设计复盘：结构布置

超高层建筑结构设计复盘：核心筒

2.4、结构体系

超高层建筑结构的受力特点决定了结构抗侧力体系选择的合理性是结构经济性的关键因素。超高层建筑主要采用抗侧力更为高效的筒体结构及其衍生的结构形式，主要有框架核心筒结构、筒体结构、束筒结构、筒中筒结构、巨型结构、连体结构和其他一些新型结构。每一种结构形式均有其合适的适用高度，200~300m超高层建筑常见的结构形式为框架核心筒。

楼盖是承受竖向荷载和作为横隔板保证抗侧力构件变形协调、分配与平衡水平力，并作为竖向构件和支撑的弹性约束的主要横向构件，超高层建筑中必须保证楼盖具备足够的刚度和整体性。楼盖的主要形式有混凝土楼盖和钢-混凝土组合楼盖两大类，钢-混凝土组合楼盖体系主要由混凝土与压型钢板或钢筋桁架楼承板两部分组成，称为组合楼板。

楼盖采用钢梁+组合楼盖体系时，结构自重轻，对高烈度区有利于减小地震作用，适用于300m~400m及以上超高层建筑，但钢梁造价高；采用钢筋混凝土梁板体系时，结构自重大，从而使得地震作用较大，适用于300mm左右及以下超高层建筑，钢筋混凝土梁板体系造价相对节省。

超高层建筑结构设计复盘：结构体系

2.4.1、典型案例

对于上述300m左右超高层建筑，采用混合结构方案（钢梁+组合楼盖）比混凝土结构方案（钢筋混凝土梁板），成本造价高约20%。

2.4.2、指标分析

建筑高度、建筑体型、结构体系、抗震设防烈度、场地条件、风压等多种因素对超高层建筑结构经济性指标均有影响，对200m~300m超高层建筑结构经济性指标进行初步统计分析，粗略对200m~300m超高层建筑指标进行估算。

混合结构方案（钢梁+组合楼盖）：

采用混合结构超高层建筑，单位面积钢筋含量约为 60~70kg/m 2 ，钢材含量约为 100~110kg/m 2 。

混凝土结构方案 （钢筋混凝土梁板）：

采用混凝土结构楼盖超高层建筑， 单位面积钢筋含量约为85~95kg/m2， 钢材含量约为25~35kg/m2；

指标对比 ：

采用混凝土结构方案与混合结构方案，超高层建筑经济性对比：

1、钢筋用量增加约23%；

2、钢材用量减小约74%；

3、混凝土用量增加约40%；

4、基础成本增加约15%；

5、综合单方材料用量减少约20%~25%。

6、间接经济性略差（竖向构件占比、施工进度、楼层净高等）

三、提高超高层经济性的措施

3.1、减轻结构自重

对于高层建筑而言，从地基承载力以及地震效应的角度来说，减轻结构自重意义重大，不仅意味着减少基础造价和处理措施，而且可有效防止地基沉降以及框架柱的压力变形，同时也提高了结构的抗震性能。为了达到减轻结构自重的目的，可以采取的措施有两点。

1）使用轻质高强材料

目前，在使用轻质材料方面，高强钢材、高强混凝土、钢管混凝土、轻骨料混凝土等材料在国内外的高层建筑当中得到了广泛的应用，大量的工程实例表明，使用这些轻质材料，对于减轻结构自重起到了重大的作用。同时，减轻结构自重另一个重要方面就是减轻填充墙体材料的重量。国内外已经出现了不少高质量的轻质板材，如各种蜂窝低芯复合板，它们轻质、高强，对于减轻填充墙体的重量意义重大。

2）用优化方法减轻自重

高层建筑有不同的结构形式，其中有部分的结构形式可以进行优化设计。高层建筑结构的优化设计从方法上来说即是以建筑物的总重最轻及造价最低为目标函数，以结构构件如框架梁、柱截面及剪力墙数为设计变量，以强度、刚度、稳定等为约束变量。在满足约束变量的情况下，变换其设计变量以达到最优化的设计。通过这样的对结构的优化，可以减少工程造价，并且减轻结构自重。

3.2、减小水平荷载影响

对于高层建筑而言，水平荷载是结构设计的决定因素，为了减少水平荷载对建筑结构的影响，必须采取如下措施。

1）选择合适的体型

针对水平载荷对高层建筑的影响，首要的问题是为高层建筑选择合适的体型，不同的体型水平作用力的分布有着不同的变化。一个总的原则是建筑物的平面形状力求简单对称，尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式，避免使用凹型或凸型结构，当然，考虑到城市规划的要求以及建筑场地的限制，这一原则只是一个目标，实际工程实例当中，很难做到高层建筑的平面形式非常对称简单，但仍然要尽可能建筑平面形式对称，并将不规则部分的比值控制在许可的范围之内。同时，为了防止扭转振动的发生，必须尽可能使得高层建筑的重心、刚度重心以及几何中心合一。

2）提高结构的侧向刚度

采用高刚度材料

从材料的角度来说，目前我国200~300m超高层建筑主要采用钢筋混凝土结构，因此，如何充分发挥混凝土与钢筋的综合优势，对于提高结构的刚度意义重大。这两种材料根据设计要求可以有多种组合，比较常见的是型钢混凝土结构和钢管混凝土结构。型钢混凝土结构充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能，钢筋混凝土与型钢，共同受力，外包混凝土对型钢有较强的约束作用，可防止型钢的局部屈曲，提高了结构的整体刚度和抗扭能力。而钢管混凝土结构在超高层建筑结构中的优势更加明显，由于在钢管中填入混凝土，混凝土受到钢管的套箍而有了更高的抗压强度，而结构自身的刚度也得以大幅提高。

采用合适的抗测力体系

超高层建筑的抗侧力体系主要有剪力墙、框架-剪力墙、框架-核心筒、筒体等结构。这些结构抵抗水平荷载的能力各不相同，适用范围也不一样。针对超高层建筑而言，简体体系是最有效的抗测力体系，其在我国的工程实例当中，应用的也最广泛。这种体系由若干个筒体作为竖向承重结构，靠简体承受水平荷载，其抵抗水平荷载的特点是整个建筑犹如一个固定于基础的封闭空心悬臂梁，相对于单片平面结构而言，这种结构具有更大的抗侧及抗扭刚度。当然，在工程实例中，这种结构也并非十全十美，由于这种结构具有剪力滞后效应，其抗推刚度和水平承载力也被大大削弱，对此，可以采取相关措施，如用刚臂或刚性圈梁提高框筒的抗推能力，或使用斜撑提高外框筒的抗推能力等等。

3）采用减振装置

对于超高层建筑而言，无论采用哪种结构体系或者抗测力体系，侧向振幅是不可避免，对此，我们可用附加阻尼器(如粘弹性减震器)或动力阻尼器(如调谐液体阻尼器，即TLD)减少侧向振幅。粘弹性减震器由三块钢板夹以聚丙烯粘弹性材料组成，由它连接楼面拓架与外框筒柱，能够很快将水平动力转化为应变能或热能耗散掉。动力阻尼器，一般设置在建筑物的顶部，其自振周期等于或接近建筑物的第一自振周期，这样，它的惯性便可以抵消建筑结构的部分振幅。如调谐液体阻尼器就是放置于顶层的注水刚性容器。结构的振动引起容器中水的振动，当水振动与结构的自振频率接近时，便能够取得很好的减振效果。

如何将节能、生态技术有效应用于超高层建筑，发展低能耗、低日常维护费用是未来的主要课题。同时，将良好独特的景观视野与自然生态环境融为一体，也是未来超高层建筑设计的重要研究方向之一。保证标准层的使用面积，并在一定程度上提高超高层建筑的实用性，避免出现低使用率现象。既能提升项目的建设效率，又能提升城市土地的利用率以及建筑的安全性、实用性和经济性。