中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
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根據理論及經(jīng)驗分析，一般在40層(大約150米)左右，是超高層建筑設計的敏感高度（建筑物的超長(cháng)尺度特性將引起建筑設計概念變化），這種變化促使建筑師必須提出有效設計對策，調整設計觀(guān)念，應用適宜的建筑技術(shù)。
超高層樓宇就像一條豎立起來(lái)的街道，存在著(zhù)安全、內部交通、環(huán)境、能源消耗等多種難以妥善解決的問(wèn)題，越是向高處發(fā)展，安全性、耐久性及適用舒適等問(wèn)題就愈多，對結構、建筑、機電、暖通、電梯等專(zhuān)業(yè)的要求就越高。
難點(diǎn)1——結構系統
由于超高層建筑結構的特殊性，建筑內部的梁柱將會(huì )不可避免的存在，在結構設計中要考慮異形柱的使用，特別是在超高層住宅戶(hù)型設計中，充分全面考慮梁柱的影響、規避及利用是設計的難點(diǎn)。
對于結構設計來(lái)講，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及擬建場(chǎng)地的抗震設防烈度以經(jīng)濟、合理、安全、可靠的設計原則，選擇相應的結構體系，一般分為六大類(lèi)：框架結構體系、剪力墻結構體系、框架-剪力墻結構體系、框-筒結構體系、筒中筒結構體系、束筒結構體系。
90年代以來(lái)，除上述結構體系得到廣泛應用外，多筒體結構、帶加強層的框架-筒體結構、連體結構、巨型結構、懸挑結構、錯層結構等也逐漸在工程中采用。
進(jìn)入90年代后，由于我國鋼材產(chǎn)量的增加，鋼結構、鋼-混凝土混合結構逐漸采用。如金茂大廈、地王大廈都是鋼-混凝土混合結構。此外，型鋼混凝土結構和鋼管混凝土結構在高層建筑中也正在得到廣泛應用。高層建筑結構采用的混凝土強度等級不斷提高，從C30逐步向C60及更高的等級發(fā)展。預應力混凝土結構在高層建筑的梁、板結構中廣泛應用。鋼材的強度等級也不斷提高。
高層和超高層建筑在結構設計中除采用鋼筋混凝土結構（代號RC）外，還采用型鋼混凝土結構（代號SRC），鋼管混凝土結構（代號CFS）和全鋼結構（代號S或SS）。
建筑高度100m，柱網(wǎng)為8.4m，抗震設防烈度為6度，采用框架-剪力墻或框-筒結構體系較為經(jīng)濟合理，這種結構體系的剪力墻或筒體是很好的抗側力構件，常常承擔了大部分的風(fēng)載和地震荷載產(chǎn)生的水平側力，總體剛度大，側移小，且滿(mǎn)足玻璃幕墻的外裝飾要求。
超高層建筑的樓板和屋蓋具有很大的平面剛度，是豎向鋼柱與剪力墻或筒體的平面抗側力構件，同時(shí)使鋼柱與各豎向構件（剪力墻或筒體）起到變形協(xié)調作用。
一般鋼結構建筑物的樓板和屋蓋，都采用軋制的壓型鋼板加現澆鋼筋混凝土（簡(jiǎn)稱(chēng)鋼承混凝土）樓板和屋蓋，厚度一般不小于150mm。目前在設計鋼承混凝土樓板和屋蓋時(shí)沒(méi)有考慮鋼承混凝土樓板和屋蓋與鋼梁共同作用。主要是對于板底呈波形的計算原理不甚了解或認為計算繁瑣，就按平板計算，這樣既不安全又增加了鋼梁的用鋼量。
如果采用鋼梁與鋼承混凝土樓板共同作用，簡(jiǎn)稱(chēng)MST組合梁，只要計算正確，配筋合理，栓釘可靠，則可以節約樓層和屋蓋鋼梁的用鋼量20%左右，而且不需對鋼梁進(jìn)行穩定驗算。
難點(diǎn)2——垂直交通設計
超高層建筑，核心筒的設計需平衡采光、節能、易于維護、減少公攤、不同業(yè)態(tài)核心筒上下統一等多方要求，是建筑設計的難點(diǎn)之一。
高層建筑與其他建筑之間的最大區別，就在于它有一個(gè)垂直交通和管道設備集中在一起的、在結構體系中又起著(zhù)重要作用的“核”。而這個(gè)“核”也恰恰在形態(tài)構成上舉足輕重，決定著(zhù)高層建筑的空間構成模式。
隨著(zhù)高層建筑建設的發(fā)展、高度的增加和技術(shù)的進(jìn)步，在高層建筑的設計過(guò)程中，逐漸演化出了中央核心筒式的“內核”空間構成模式。
1.內核式：中央核心筒布局
在建筑處理上，為了爭取盡量寬敞的使用空間，希望將電梯、樓梯、設備用房及衛生間、茶爐間等服務(wù)用房向平面的中央集中，使功能空間占據最佳的采光位置，力求視線(xiàn)良好、交通便捷。在結構方面，隨著(zhù)筒體結構概念的出現、高度的增加，也希望能有一個(gè)剛度更強的筒來(lái)承受剪力和抗扭。
在建筑的中央部分，有意識地利用那些功能較為固定的服務(wù)用房的圍護結構，形成中央核心筒，而筒體處于幾何位置中心，還可以使建筑的質(zhì)量重心、剛度中心和型體核心三心重合，更加有利于結構受力和抗震。
這種“內核”空間構成模式，經(jīng)過(guò)長(cháng)期的實(shí)踐檢驗，以其結構合理、使用方便和造價(jià)相對低廉的優(yōu)勢，很快便成為高層建筑中最為流行的空間布局形式。
盡管中央核心筒式布局的筒體周?chē)姆块g需要人工采光和機械通風(fēng)，總會(huì )多少給人帶來(lái)不適感，但“內核”式的布局形式及其變種在數量上占有絕對優(yōu)勢，大多數著(zhù)名的超高層寫(xiě)字樓建筑也都采用這種形式。但是作為超高層住宅建筑，這種內核式的布局存在著(zhù)諸多不便利之處。
2.外核式：雙側外核心筒布局
隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，人們對建筑需求的變化和設計側重點(diǎn)的不同，以中央核心筒為主流的高層建筑“內核”空間構成模式開(kāi)始受到了挑戰。
第一次變革主要還是出于造型上的需要和建筑設計理念的變化，如 70 年代前后出現的“雙核”構成模式。雙側外核心筒的布局，不僅有利于避難疏散，而且也使高層建筑的外觀(guān)造型產(chǎn)生了巨大的變化。貝聿銘設計的新加坡“華僑銀行中心”和日建設計設計的日本“IBM 本社大樓”等等就是當年風(fēng)行一時(shí)的雙側外核設計手法的代表。
3.多核式：分散多個(gè)外核布局
第二次變革最先對核心筒提出革命性建議的是設備專(zhuān)業(yè)，他們認為隨著(zhù)建筑設備的日趨增多和越來(lái)越復雜，如果把設備用房和管道井從核心筒中分離出來(lái)，可能會(huì )更有利于管理和維修。而80 年代以后，智能化建筑的普及和電信設施的不斷增加，導致了在高層建筑中大量應用計算機和電信通訊設備，甚至許多建筑在竣工之后，仍然頻繁地改造布線(xiàn)系統和增添新設備。智能化辦公樓中的光纜與電腦網(wǎng)絡(luò )管道井、配線(xiàn)箱以及中繼裝置等，每層都必須設置三處以上才算合理。這樣，建筑上為了滿(mǎn)足機電設備經(jīng)常變動(dòng)的需要，便開(kāi)始將“核”分散化，分置多處設備用房和管道井，以便于局部更改。
對于結構專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，加強建筑周邊的剛度也會(huì )有效地抵抗地震對高層建筑的破壞，所以如果將垂直交通和設備用房等分散地布置在周邊，則無(wú)疑也會(huì )對結構抗震有利。同時(shí)，這種分散的多個(gè)外核的空間構成模式，也正好適用于新興的巨型框架結構，使這種結構體系中的巨型支撐柱具有了使用功能。其最典型的實(shí)例就是丹下健三設計的日本“東京都新都廳”。
而從建筑設計的角度來(lái)看，核的移動(dòng)、垂直交通、服務(wù)性房間和管道井分散到建筑的周邊，對于高層建筑的空間構成模式和立面造型上的變化也是極具革命性的。它不但適應了其它專(zhuān)業(yè)的需求，而且還有利于避難疏散，創(chuàng )造更大的使用空間和使高層建筑的底部獲得解放。這種空間構成模式所具有的靈活性和先進(jìn)性，很快便被推崇技術(shù)表現的歐洲建筑師們所發(fā)現，并創(chuàng )造性地應用在他們的作品之中。羅杰斯設計的英國“倫敦勞埃德大廈”、88木街辦公樓和福斯特設計的“香港匯豐銀行”等等即是分散式核心筒的杰作，它們從內部的空間構成到外部立面，均與中央核心筒式的高層建筑大相經(jīng)庭。
此外，在規模較小的高層建筑中，近年來(lái)還出現一種核與主要使用空間分離化的現象，垂直交通、服務(wù)性用房和設備管道井均分別獨立，與建筑主體分開(kāi)。主要使用空間更加完整，四面對外，核與主要使用空間之間以連廊相接。從結構的角度來(lái)看，核的剛度較大，而主體較柔，兩部分各自分別工作，既受力合理又相對經(jīng)濟。當然，連接部分的設計是這類(lèi)高層建筑設計的關(guān)鍵所在，不過(guò)這種設計方式給建筑外觀(guān)帶來(lái)的變化，已引起了建筑師們的關(guān)注，并很快在歐洲和日本流行起來(lái)。德國的漢諾威建筑博覽會(huì )管理辦公樓、埃森RWE公司辦公樓，以及日本東京的東急南大井大樓和大阪的凱恩斯本部辦公樓。
核與主要使用空間分散和分離還可以使樓梯間、衛生間等直接對外自然采光通風(fēng)，既節約能源，又省去消防所需的加壓送風(fēng)設備，更符合低能耗，可循環(huán)的現代設計原則。因此，近幾年強調生態(tài)、節能的高層建筑多采用這種布局方式。馬來(lái)西亞建筑師楊經(jīng)文設計的高層建筑，不但樓梯、衛生間等全部對外，而且電梯筒壁還被刻意用來(lái)遮擋日曬，可謂“分散外核空間構成模式的生態(tài)設計方式”。“吉隆坡廣場(chǎng)大廈”及其最新設計的“新加坡展覽大廈”就都反映出這一設計特征。而另一位歐洲的建筑師赫爾佐格設計的前述之德國漢諾威建筑博覽會(huì )管理辦公樓，也以其生態(tài)觀(guān)念贏(yíng)得了眾口稱(chēng)贊。
難點(diǎn)3——電梯
在超高層建筑中，快速、高效、平穩的垂直服務(wù)是難點(diǎn)之一。
電梯作為垂直交通工具，對其數量的配置、控制方式及有關(guān)參數的選定將不僅直接影響建筑物的一次投資（一般電梯投資約占建筑物總投資的10％左右），而且還將影響建筑物的使用安全和經(jīng)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。在建筑物內，恰當地選用電梯的臺數、容量、運行速度、控制方式非常重要，而建筑物內的電梯一經(jīng)選定和安裝使用就幾乎成了永久的事實(shí)，以后若想增加或改型非常困難，甚至是不可能的了，因此，在設計中應該在設計開(kāi)始時(shí)對電梯的配置應予以充分重視。
現代超高層建筑大都超過(guò)60層，建筑內人口流動(dòng)大，縱向交通主要依賴(lài)電梯，有效設計超高層建筑的電梯的關(guān)鍵是運用各種局部電梯進(jìn)行服務(wù)，并把局部區域電梯系統組織起來(lái)。通往這些局部區域，通過(guò)由地面始發(fā)站至局部區域的空中候梯廳之間的快速穿梭電梯進(jìn)行服務(wù)，乘客到達空中候梯廳后再換乘區間電梯。為了能夠將乘客以最快的速度運送到達目的地，一般以建筑每30～35層為一局部區域。
由于超高層建筑采用多梯系統，應采用微機電梯控制系統，通過(guò)計算機控制系統及時(shí)地處理大量信息，判斷各站臺的呼叫信息和各電梯的位置、方向、開(kāi)閉狀態(tài)、轎廂內呼叫等各種狀態(tài)，以提高運送能力，改善服務(wù)質(zhì)量，提高超建筑的經(jīng)濟效益。
難點(diǎn)4——供電安全性和穩定性
作為超高層建筑，安全性必然是供電系統設計所需要格外注意的地方，其次是供電可靠性。配電系統的設計上，需考慮多回路供電及備用發(fā)電機組的配置。因超高建筑的高度，變配電房可以考慮設置在塔樓中部的樓層，以減少低壓配電的損耗。備用柴油發(fā)電機設置于地庫層，供電電壓采用10千伏輸出，再經(jīng)變壓器降壓至低壓配電，保證配電至塔樓的高層。
在超高層建筑的配電系統上，供電距離、電纜的長(cháng)度、電纜大小的適當調整以及安裝時(shí)的施工工藝也是難題之一。由于超高層面積大、樓層多，自然會(huì )出現遠距離供電的問(wèn)題，因此后備電源可考慮采用高壓發(fā)電機來(lái)發(fā)電，從而解決了這個(gè)難題。
另外還需要特別注意的是，超高層建筑遇到強風(fēng)時(shí)，可能會(huì )出現左右晃動(dòng)。由于超高層建筑物會(huì )有一定的搖擺度，在上升主干線(xiàn)的設計上可以考慮將電纜連接銅母線(xiàn)槽配電，以減低超高層建筑物在搖擺時(shí)對銅母線(xiàn)槽接駁組件位置的拉扯壓力，減少發(fā)生故障及維修的機會(huì )，也相對地增加了主干系統的壽命。
建成后業(yè)主的使用方便也是必須要考慮到的，在電氣設備的空間安排方面要有可調整的空間。作為超高樓，樓層多，機電方面的設備自然也多，為了讓業(yè)主獲得更多的使用空間，在排布電纜和豎井方面要盡量減少轉換豎井和縮小豎井等所占用的空間，以便提供出更多的空間給業(yè)主使用。
難點(diǎn)5——消防
消防難點(diǎn)：超高層建筑由于其特殊的構造和功能要求，致使其內部火災荷載大，火勢蔓延迅速，人員疏散困難，救援難度大，形成重大火災的隱患大。如2009年2月中央電視臺新址的附屬文化中心大火，造成了人員傷亡及財產(chǎn)損失。
消防設計要點(diǎn)：防火-控火-耐火
防火，建筑工程中使用防火材料、防火構件、防火配件，裝修工程中采用不燃、難燃性建筑材料，易燃易爆場(chǎng)所強化通風(fēng)，設置防爆電氣，使用不發(fā)火地面等。
控火，一是把火災控制在初始階段，包括安裝火災自動(dòng)報警、自動(dòng)滅火系統，進(jìn)行早期探測和初期撲救；二是把火災控制在較小范圍，在建筑物平面和豎向劃分防火分區和防煙分區，在建筑物之間留有適當防火安全距離，切斷火災蔓延途徑，減小成災面積，便于實(shí)施救援。
耐火，加強建筑結構構件的耐火穩定性，使其在火災中不致失效。
難點(diǎn)6——測量
超高層建筑，一般由超高層塔樓和多層地下室組成，工程測量難度大，施工測量如果失誤，造成的損失會(huì )非常嚴重，并且難以彌補和修復，因此工程測量是超高層建筑的重點(diǎn)、難點(diǎn)。
難點(diǎn)7——側向風(fēng)影響
高層、超高層建筑要承受側向的風(fēng)力，一般說(shuō)，在正常的風(fēng)壓狀態(tài)下，距地面高度為10m處，如風(fēng)速為5m／s，那么在90m的高空，風(fēng)速可達到15m／s。若高達300-400m，風(fēng)力將更加強大，即風(fēng)速達到30m／s以上時(shí)，摩天大樓產(chǎn)生的晃動(dòng)將十分劇烈。對大樓的這種晃動(dòng)，首先要考慮它對電梯的影響，電梯被視為超高層建筑的“生命線(xiàn)”。當電梯高速運行的同時(shí)，如果大樓的晃動(dòng)超過(guò)一定尺寸，電梯的鋼纜就會(huì )因時(shí)緊時(shí)松的受力不均受到傷害，并造成危險。
難點(diǎn)8——煙囪效應
冬天，在氣溫較低的情況下，會(huì )由于低層(特別是一層大堂)和地下室的冷空氣竄入電梯井，經(jīng)煙囪效應形成強大氣流，造成電梯關(guān)不上門(mén)。而且會(huì )將底層的一些氣味帶到高層，如廚房的氣味、油煙味等，此時(shí)如在底層或地下室有電焊操作或燃氣泄漏就可能將火源隨氣流帶到高層，極端危險。同時(shí)，由于電梯轎廂與井壁間的縫隙很小，在電梯移動(dòng)時(shí)，氣流的摩擦會(huì )產(chǎn)生嘯叫，這種現象在金茂大廈也有出現。目前，這是個(gè)國際性難題，目前尚未找到很好的解決辦法。
難點(diǎn)9——管理維護問(wèn)題
一些超高層大樓都曾出現過(guò)斷電、跑水等事故。從管理上看除了做好預案，防止事故發(fā)生和做好備用系統以外，一旦事故出現，如何搶救，是否有一位掌握全局、了解本系統一切 細枝末節的人十分重要。上海金茂大廈的管理層就曾對沒(méi)有一位掌握該建筑14000多個(gè)閥門(mén) 的人感到十分遺憾。 擦玻璃也成了管理這些龐然大物的一個(gè)麻煩。金茂大廈的幕墻有10.l8萬(wàn)平方米，據說(shuō)兩架擦窗機連續工作，一年才能把所有的玻璃擦一遍，而且，由于建 筑外形凹凸起伏太大，檐部又挑出很多，有的地方達3m以上，擦玻璃相當困難。
難點(diǎn)10——施工難點(diǎn)
1.超高層基礎采用深基礎。由于建筑高，體量大，支撐高層的地基必須達到足夠的強度，所以多采用深基礎，持力層嵌入微風(fēng)化巖層。
2.超高層地下室深度大、層數多、面積大。一是要滿(mǎn)足建 筑功能方面的要求，比如人防面積、停車(chē)位數量 等；二是要解決在施工過(guò)程中的結構抗浮問(wèn)題。
3.超高層結構形式多為混合型。如型鋼混凝土、鋼管混凝土、鋼筋混凝土結構或全鋼結。它們的共同特點(diǎn)是：施工簡(jiǎn)便、工期短、結構性能好且大大節約建筑材料，目前已成為超高層建筑群最為實(shí)用和主要的結構形式。
4.超高層裝飾工程裝飾富于變化，工程量大，技術(shù)含量高、要 求高。超高層建筑的裝飾工程的安全性功能尤其 重要，抗風(fēng)壓，風(fēng)、水、氣的密閉性要求高。
5.建筑功能復雜，子系統多，安裝工程工 程量大，要求精度高。
6.新技術(shù)、新材料、新工藝大量采用。
針對超高層建筑的特點(diǎn)，在施工中應當采取如下對策：
1.施工技術(shù)必須有新突破
超高層建筑絕不僅簡(jiǎn)單是建筑樓層數量上的疊加、施工的延長(cháng)，而在施工技術(shù)方面必須注 入新的元素，必須有新突破。
（1）深基礎施工技術(shù)。根據地質(zhì)條件，深基礎一般采用大直徑人工挖孔樁，沖（鉆）孔灌注樁，預制混凝土管樁或預制鋼管樁，為一種或兩種同時(shí)采用。對于施工總承包來(lái)說(shuō)，按照設計的樁類(lèi)型進(jìn)行施工，主要考慮的是技術(shù)能力、設備能力、安全和質(zhì)量控制能力。工程總承包項目就需要考慮成本因素以及獲得這些能力的難易程度。
（2）大基坑土方開(kāi)挖和支護技術(shù)。按照我國 現行的政策和建筑本身的需要，超高層建筑必然有一個(gè)超大、超深的地下室結構部分，這部分工程施工的最大難點(diǎn)在于土方開(kāi)挖和基坑支護。超高層建筑一般在城市的主要路段，場(chǎng)地狹窄，周 圍環(huán)境復雜而且重要。土方開(kāi)挖的方案至少應該 解決以下幾個(gè)問(wèn)題：
a.進(jìn)出土路線(xiàn)的選擇
b.挖運土方設備數量和性能的選擇以及進(jìn)退場(chǎng)安排
c.最后土方的挖、運的具體措施
d.基坑支護技術(shù)的優(yōu)化和周?chē)h(huán)境建（構）筑物以及基坑邊坡的變形監測
e.土方開(kāi)挖和基坑支護，乃至樁基礎施工的配合。
2.施工組織要有新思維
超高層建筑的豎向跨度非常大，在施工組織 中首要解決垂直運輸效率的問(wèn)題。利用有限的機 械設備解決龐大的人員、材料的上下，做到有序并且有效。
（1）合理配置大型機械設備。要核算現場(chǎng)人員流量，在施工高峰期有多少人需要乘電梯到達現場(chǎng)，全部輸送完需要多少時(shí)間。結合工期計劃，核算和分析需要使用人貨電梯運輸的原材料、周轉材料、成品、半成品的總用量以及周轉率要求，核算工作時(shí)間。在此基礎上，合理確定塔吊，人、貨電梯的規格型號和數量；選擇混凝土輸送泵的性能和數量。在實(shí)際中，超過(guò)150m的建筑應考慮布置一臺高速施工電梯和一臺普通施工電梯，分別服務(wù)不同的施工區域。應選用一次泵送到位的混凝土輸送泵，油泵和電泵均要配備。塔吊的性能和布置不僅要滿(mǎn)足鋼筋、模板、鋼管等材料運輸，而且必須考慮鋼結構件的吊裝和安裝需要。慎密規劃，緊貼實(shí)際，科學(xué)統籌大型機械平面布置。分析現場(chǎng)條件和地理位置情況，按照最短運輸路徑和最大運輸能力的原則，進(jìn)行大型機械平面布置?？焖偬嵘芎褪┕る娞菔滓紤]樓層內的運輸路線(xiàn)；塔吊要考慮安裝和拆除的便利、覆蓋面積和附墻的可行性。
（2）既要合理而不富余的配置機械，就必然存在機械使用的沖突問(wèn)題，機械的使用計劃就顯得十分必要。對各工種、工序現場(chǎng)作業(yè)的先后順序要預先安排并強制執行。體現在垂直運輸設備的使用安排計劃上，每個(gè)人、每一件物都要清楚自己的運輸時(shí)間、順序。有計劃有組織地調節設備的使用頻率，提高使用效率。
（3）采取技術(shù)措施，減少對垂直運輸的依賴(lài)。鋼筋網(wǎng)片的使用，機械接頭的使用，大模板的使用，可以有效地提高現場(chǎng)作業(yè)人員的勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少對作業(yè)人員和操作設備的需求，從而減少垂直運輸的壓力。
3.施工質(zhì)量要求高
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