劉利艷，闕德興

（1、廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 廣州 510620；2、華南創(chuàng)圖設(shè)計(jì)有限公司 廣州 511300）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超高層建筑逐漸盛行，作為現(xiàn)代城市中的地標(biāo)，超高層建筑已表現(xiàn)出非凡作用，成為國家、民族以及城市經(jīng)濟(jì)崛起的象征。而其中超高層公共建筑所占比例較大，在各大城市的中央商務(wù)區(qū)樹立了地段的標(biāo)志和城市的形象。超高層公共建筑一般具有業(yè)態(tài)多、構(gòu)造復(fù)雜、涉及專業(yè)系統(tǒng)多而雜，與多層建筑、高層住宅等相比較，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)占有更重要的位置，不同的結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置直接關(guān)系到建筑平面布置、立面體形、樓層高度、機(jī)電管道設(shè)置、施工技術(shù)要求、工期長短和投資造價(jià)高低等，有必要對結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)的探討。

1 超高層公建結(jié)構(gòu)選型

1.1 結(jié)構(gòu)體系

1.1.1 結(jié)構(gòu)體系的影響因素

結(jié)構(gòu)體系直接影響到建筑的經(jīng)濟(jì)合理性，是項(xiàng)目控制成本的重點(diǎn)，所以選擇合適的結(jié)構(gòu)體系就顯得尤為重要［1-2］。目前超高層公共建筑結(jié)構(gòu)體系，主要根據(jù)建筑高度、不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)對水平荷載效應(yīng)的適應(yīng)性等進(jìn)行分析比較，結(jié)合本工程的建筑平面特點(diǎn)、功能業(yè)態(tài)等情況，并考慮抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、舒適度等因素［3］，多方案比選以確定經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。

1.1.2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

通常情況下，超高層公共建筑可選用的結(jié)構(gòu)體系有框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-核心筒結(jié)構(gòu)（帶或不帶加強(qiáng)層）、筒中筒結(jié)構(gòu)（帶或不帶加強(qiáng)層）、巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)等。不同結(jié)構(gòu)高度的結(jié)構(gòu)體系選擇如表1所示，可為類似項(xiàng)目提供參考。

⑴剪力墻結(jié)構(gòu)通常用于住宅建筑中，但超高層公共建筑的公寓業(yè)態(tài)一般宜優(yōu)先選用剪力墻結(jié)構(gòu)，以更好地實(shí)現(xiàn)建筑使用空間，避免房間露柱；若對建筑功能有影響時(shí)，則通常采用框架-剪力墻或框架-核心筒結(jié)構(gòu)。

⑵選取框架-核心筒或筒中筒結(jié)構(gòu)體系時(shí)應(yīng)注意，若核心筒角部開洞，筒體內(nèi)壁至洞口的距離不應(yīng)小于500 和墻厚較大值［4］，如建筑功能影響導(dǎo)致無法滿足，一般宜修改為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)。

⑶框架-核心筒結(jié)構(gòu)是超高層建筑中最常用的結(jié)構(gòu)體系之一［5］。一般情況下，建筑高度超限不大、體型較好時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用框架-核心筒結(jié)構(gòu)或者筒中筒結(jié)構(gòu)，在經(jīng)濟(jì)上會(huì)占有優(yōu)勢。若建筑體型復(fù)雜、高度超限較大，常用結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸影響建筑功能或外框柱數(shù)量對建筑有一定影響時(shí)，結(jié)合功能布局和結(jié)構(gòu)受力要求，通?？紤]采用巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)［6-8］。

⑷框架-核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)或巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)需要設(shè)置加強(qiáng)層時(shí)，應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)層的敏感性分析。一般情況下，從對建筑外立面的影響及經(jīng)濟(jì)角度考慮，若加強(qiáng)層只設(shè)伸臂能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，則不設(shè)環(huán)桁架（巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)除外）。若必須同時(shí)設(shè)伸臂桁架和環(huán)桁架，應(yīng)對伸臂桁架和環(huán)桁架按不同位置、不同數(shù)量的各種組合的敏感性分別進(jìn)行對比分析［9］，找出最優(yōu)組合。

1.2 樓蓋體系

一般根據(jù)結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)高度的不同，可選擇鋼筋混凝土樓蓋或鋼梁組合樓蓋。當(dāng)采用鋼筋混凝土梁或者型鋼混凝土梁時(shí)，一般選用鋼筋混凝土樓板。當(dāng)采用鋼梁時(shí)，可進(jìn)行鋼筋混凝土樓板、壓型鋼板組合樓板和鋼筋桁架組合樓板等不同樓蓋體系的可行性、經(jīng)濟(jì)性對比分析后選取。不同結(jié)構(gòu)高度的樓蓋體系選擇如表1所示，可為類似項(xiàng)目提供參考。

表1 不同高度建筑結(jié)構(gòu)體系和樓蓋體系選擇Tab.1 The Selection of Structure System and Floor System for Different Height

1.3 高寬比分析

結(jié)構(gòu)體系確定后，在建筑方案概念階段，一般尚應(yīng)根據(jù)建筑體型、體量進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案可行性的初步判斷。結(jié)構(gòu)方案的可行性初步判斷，可從結(jié)構(gòu)高寬比和核心筒高寬比入手。

結(jié)構(gòu)高寬比是對結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、承載力和經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)定的承載力、穩(wěn)定、抗傾覆、變形和舒適度等基本要求后，僅從結(jié)構(gòu)安全角度講高寬比限值不是必須滿足的，主要影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。在同一設(shè)防烈度下，結(jié)構(gòu)體系相同時(shí)，建筑的高寬比越大則其經(jīng)濟(jì)性越差，經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)高寬比可按文獻(xiàn)［4］的最大高寬比參照判斷。核心筒的高寬比直接決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力，一般核心筒高寬比通常為10～12 的情況下，筒體的結(jié)構(gòu)層間位移就能滿足規(guī)定，超高層的結(jié)構(gòu)效率較高。

對于常規(guī)辦公類超高層，由于辦公人數(shù)較為密集，根據(jù)豎向交通計(jì)算，其本身所需的交通核較大，較容易或基本滿足核心筒的高寬比要求。但對于公寓類的超高層來說，由于建筑平面扁平、核心筒占比小等原因，導(dǎo)致核心筒高寬比經(jīng)常超過規(guī)范限值［10］。因此建議當(dāng)結(jié)構(gòu)高寬比或核心筒高寬比超出限值20%以上時(shí)，應(yīng)初步建模試算確定可行后再深入方案設(shè)計(jì)。

2 超高層公建結(jié)構(gòu)布置原則

2.1 外框柱或斜撐

框架柱一般采用鋼筋混凝土柱，建筑高度較大、柱截面影響建筑功能時(shí)可選用鋼管混凝土柱或者型鋼混凝土柱。斜撐的形式一般有十字交叉斜撐、單斜撐、人字形斜撐、V 字形斜撐等。一般情況下，建筑外立面不允許有斜撐。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度不足，確需增加支撐提高結(jié)構(gòu)剛度時(shí)，應(yīng)選取最有效、對建筑立面影響最小的布置方式。

框架柱的位置，一般宜在有建筑隔墻的位置、次要房間的角部。框架柱的柱距一般為7～12 m，宜為8～10 m；框架-核心筒結(jié)構(gòu)外框柱到核心筒的常用距離為9～13 m，宜為10～12 m。外墻采用玻璃幕墻時(shí)，外框柱到幕墻外邊的距離，不應(yīng)小于幕墻的安裝尺寸要求。建筑功能一般要求首層大堂應(yīng)避免主要的電梯廳正對著外框柱。

特殊情況下，建筑從景觀視野出發(fā)，會(huì)要求辦公、公寓業(yè)態(tài)的平面角部無柱，此時(shí)應(yīng)論證無柱方案的可行性，除計(jì)算指標(biāo)外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)特別關(guān)注超限專家注重的外框架的封閉性、外框柱是否與核心筒有可靠連接等結(jié)構(gòu)概念可行性問題。

2.2 核心筒或剪力墻

剪力墻一般采用鋼筋混凝土剪力墻，建筑高度較大時(shí)可選用內(nèi)含型鋼的剪力墻或鋼板剪力墻。

剪力墻布置時(shí)，應(yīng)盡量避免布置短肢剪力墻和一字型剪力墻，當(dāng)建筑平面出現(xiàn)上述情況時(shí)，短墻肢可通過直接取消或調(diào)整設(shè)備管井、樓梯間門洞位置的方式優(yōu)化，一字型剪力墻可利用建筑隔墻增設(shè)翼墻提高其穩(wěn)定性。剪力墻開洞時(shí)，需盡量遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)角、縱橫墻相交處斷開或開洞，避免上下錯(cuò)洞，上方洞口邊線一般不宜超出下方洞口的范圍。

核心筒電梯、樓梯較多，當(dāng)兩邊都是樓梯間或電梯井時(shí)，較多樓層沒有樓板約束時(shí)，為避免穩(wěn)定性超限問題，應(yīng)避免布置剪力墻，電梯與電梯之間做成通井道；如必須設(shè)置時(shí)一般通過增加翼墻等措施控制其水平無支長度，或者將梯板鋼筋錨入剪力墻減少其豎向無支長度。

2.3 框架梁和次梁

框架梁或次梁一般采用鋼筋混凝土梁，跨度較大時(shí)可選用組合鋼梁或型鋼混凝土梁。

框架梁和次梁宜通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置或建筑布局避免支承在核心筒連梁或剪力墻連梁上。外框柱之間一般情況下需有雙向的梁拉結(jié)（局部2～3層通高除外），且外框柱與核心筒應(yīng)通過梁建立必要的連接。無角柱平面，框架梁是否需要封閉，建議根據(jù)建筑功能、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果和超限專家咨詢意見確定。

主要功能區(qū)的次梁按單向次梁結(jié)構(gòu)布置經(jīng)濟(jì)性較佳，公寓、酒店樓層宜沿隔墻布置，辦公等其它樓層宜視跨度大小2～4 等分布置。兩層通高的大堂和電梯廳位置，建筑一般要求二層架空范圍內(nèi)及外框柱位置不設(shè)梁，以免影響建筑效果和使用凈高。

2.4 樓板

一般情況下，當(dāng)采用鋼筋混凝土梁或者型鋼混凝土梁時(shí)，樓板選用鋼筋混凝土樓板；采用鋼梁時(shí)則選擇壓型鋼板（開口型、閉口型）組合樓板或者鋼筋桁架組合樓板。

樓板厚度一般按跨高比30～40 預(yù)估，跨度小時(shí)取小值，跨度大時(shí)取大值，邊界條件差時(shí)取小值，邊界條件好時(shí)取大值。普通樓層樓板板厚一般核心筒外取值100～120 mm，核心筒內(nèi)取值120～150 mm；當(dāng)設(shè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層時(shí)，加強(qiáng)層的板厚一般取值180～250 mm。有聲學(xué)設(shè)計(jì)要求或其它專業(yè)特殊提資時(shí)，樓板厚度尚應(yīng)滿足各顧問和專業(yè)的相關(guān)要求。

3 常見問題分析

3.1 核心筒周邊樓板不連續(xù)問題

核心筒位于建筑的中央部分，是超高層建筑的中心受力構(gòu)件，并提供垂直及水平交通、安全疏散，各類公共服務(wù)性功能，核心筒的布置形式多樣［11］，典型平面一般形成四橫四縱九宮格，如圖1 所示。但建筑方案有時(shí)為提高核心筒利用率，核心筒方案會(huì)設(shè)置較多外掛管井，如圖2所示，此種情況下需注意以下兩點(diǎn)：

圖1 核心筒典型平面Fig.1 Typical Plan of Core Tube

圖2 帶外掛管井的核心筒平面Fig.2 Plan of Core Tube with External Tube Well

⑴ 外框柱和剪力墻之間的結(jié)構(gòu)梁寬會(huì)影響管井有效大小，需與設(shè)備專業(yè)配合，考慮結(jié)構(gòu)梁的影響保證設(shè)備管井尺寸滿足規(guī)范要求及正常使用要求。

⑵尤其會(huì)影響核心筒與外框之間水平力的有效傳遞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)方案概念上不成立而無法通過結(jié)構(gòu)超限審查，且可接受程度根據(jù)項(xiàng)目地不同也不盡相同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)情況下，沿核心筒邊長的開洞寬度不超過核心筒邊長的1/2 為樓板連續(xù)的最低要求，供類似項(xiàng)目參考。

3.2 豎向構(gòu)件不連續(xù)問題

超高層公共建筑一般含公寓、辦公、酒店等多業(yè)態(tài)，建筑下部為各業(yè)態(tài)大堂，下部結(jié)構(gòu)柱距布置需滿足建筑立面要求，而上部建筑功能、開間不同或建筑立面有收進(jìn)要求，導(dǎo)致上下結(jié)構(gòu)柱無法對齊，為與建筑功能的開間、幕墻的分隔配合，需在“結(jié)構(gòu)體系合理高效”與“滿足建筑功能和外觀”兩者之間協(xié)商一個(gè)平衡點(diǎn)。通常利用避難層以斜柱轉(zhuǎn)換過渡是對結(jié)構(gòu)來說較為理想的處理方式，建筑不能接受斜柱影響或斜柱角度過大無法有效傳力時(shí)，可在避難層設(shè)置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

建筑方案還會(huì)出現(xiàn)上部樓層所需的核心筒尺寸比下部樓層小的情況，建筑此時(shí)會(huì)從經(jīng)濟(jì)適用角度考慮收筒以增大建筑可使用面積，造成上下剪力墻錯(cuò)位。在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中，為避免直接收筒導(dǎo)致上下層結(jié)構(gòu)剛度突變的不利影響，斜墻轉(zhuǎn)換已成為目前較為常用的處理方式。在實(shí)際工程中，建議根據(jù)項(xiàng)目的具體情況分析斜墻轉(zhuǎn)換的可行性，包括斜墻區(qū)段周邊樓板的受力分析和加強(qiáng)措施、當(dāng)?shù)匦眽κ┕すに嚽闆r、斜墻周邊管井處理等。

3.3 凈高分析

合理的層高，主要考慮建筑功能需求、設(shè)備管線需求、結(jié)構(gòu)構(gòu)件高度需求三者的平衡，尤其是避難層（加強(qiáng)層）受建筑面積計(jì)算規(guī)則的影響，需在界限層高內(nèi)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。

一般樓層的核心筒外墻連梁由于剛度要求梁高會(huì)較大，加之核心筒設(shè)備機(jī)房走管線需要，難以滿足凈高要求，此種情況下結(jié)構(gòu)梁通常按雙層連梁考慮以最大限度提高核心筒周圈走道、公共電梯廳的凈高。外框柱與核心筒的梁跨度相對較大，按常規(guī)設(shè)計(jì)難以滿足建筑凈高，通?？刹扇〉拇胧┤缦拢褐鞴芫€位置梁做變截面留出走管空間、次要管線穿梁板或平行梁板布置、優(yōu)化管線布置、根據(jù)建筑功能的檔次壓縮凈高等措施，對于局部樓層的大跨度位置（例裙房宴會(huì)廳、功能廳等）尚可采用桁架梁形式，桁架出管留洞，設(shè)備管線穿桁架，從而滿足建筑凈高。

當(dāng)計(jì)算需要需設(shè)置加強(qiáng)層時(shí)，首先應(yīng)從經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，盡量減少加強(qiáng)層層數(shù)的設(shè)置，其次，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件（伸臂桁架、環(huán)桁架等）的選擇尚需考慮層高、設(shè)備機(jī)房、擦窗機(jī)、通風(fēng)百葉等因素，在界限層高范圍內(nèi)選擇合適的加強(qiáng)層數(shù)量及加強(qiáng)構(gòu)件組合，以滿足建筑凈高的要求或盡可能提高使用凈高。

3.4 塔冠結(jié)構(gòu)

塔冠作為超高層建筑頂部上的一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅功能及形狀各異，其本身所處高度也達(dá)到幾十米，風(fēng)力對塔冠結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)較大，需對其進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)及分析［12］。塔冠設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先劃分塔冠部分幕墻設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的界限，在滿足建筑效果的情況下確定塔冠結(jié)構(gòu)布置。塔冠結(jié)構(gòu)主要由幕墻立面支撐結(jié)構(gòu)、中部支承框架和屋面支撐系統(tǒng)組成，幕墻立面支撐結(jié)構(gòu)通常盡量直接支撐在主體結(jié)構(gòu)上，傳力明確，經(jīng)濟(jì)合理；若無法滿足要求，則需根據(jù)幕墻單元板塊、大屋面支撐條件及建筑要求另外設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚應(yīng)結(jié)合救援直升機(jī)坪、擦窗機(jī)軌道系統(tǒng)、外立面效果、屋面設(shè)備布置等諸多因素統(tǒng)籌考慮。

4 結(jié)語

基于過往參與的超高層公建項(xiàng)目，對其從結(jié)構(gòu)體系、樓蓋體系、高寬比、結(jié)構(gòu)布置原則及常見問題處理等方面進(jìn)行了探討和歸納總結(jié)，可供超高層公建項(xiàng)目結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)參考。

⑴在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)體系和樓蓋體系，并根據(jù)結(jié)構(gòu)高寬比和核心筒的高寬比初步判斷結(jié)構(gòu)方案的可行性。

⑵結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，外框柱、核心筒、框架梁及樓板可根據(jù)項(xiàng)目情況選擇合適的形式，并符合相關(guān)的原則。

⑶在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注重與建筑、設(shè)備、幕墻等其它專業(yè)的配合，在平衡各專業(yè)要求的條件下做到結(jié)構(gòu)合理、高效。