杜林晉，張鵬飛，肖婷，張春潮

（中鐵西南科學研究院有限公司，成都 611731）

1 材料

隨著我國現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展，在實際建設中，為了提高社會效益和經(jīng)濟效益，減少市政建設的投資，縮短建設時間，高層建筑被作為首選。而新型建筑材料的使用，則滿足了未來高層建筑建設的高要求及特殊需求。

高層建筑可以節(jié)約城市用地，縮短公共設施和市政管網(wǎng)的開發(fā)周期，減少市政投資。因此，為了更有效地促進高層建筑的發(fā)展，有必要開發(fā)強度高、質(zhì)量輕、耐久性好的新型建筑材料[1]。

1.1 新型墻體材料

隨著綠色環(huán)保理念的推廣，在高層建筑中用新型墻體材料取代傳統(tǒng)建材已成為一種必然趨勢。如活性炭墻體、新型隔墻板、加氣混凝土砌塊等，這類材料能減少環(huán)境污染、節(jié)約生產(chǎn)成本、減輕建筑的重量。同時復合墻體材料集防火、防水、防潮、隔音、隔熱等功能于一體，安全環(huán)保，經(jīng)濟效益高。

1.2 保溫材料

高層建筑的保溫工作也是工程的關鍵。保溫材料是對熱流有明顯作用的復合材料。保溫材料的特點是輕、多孔及纖維狀。更重要的是，無機保溫材料不僅不易燃而且抗化學腐蝕的能力也很好[2]。

1.3 新型建材在高層建筑中的應用優(yōu)勢

新型建筑材料安全可靠的優(yōu)點，使其能更好地適應現(xiàn)代建筑的發(fā)展。

隨著城市用地矛盾的突出，高層建筑的數(shù)量及規(guī)模也逐漸增加，但高層建筑內(nèi)外部的疏導能力非常有限。因此，為了提升高層建筑的安全性，新材料的使用是非常必要的。新材料的應用可以有效改善現(xiàn)代高層建筑的防災體系。同時，在傳統(tǒng)建筑的施工過程中，通常采用黏土實心磚，但黏土實心磚本身在生產(chǎn)中能耗高、污染重，影響了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，加之高層建筑本身規(guī)模較大，建筑材料消耗較高，施工使用的黏土實心磚就會增多，增加環(huán)境污染，在施工中使用堅固耐用的新型材料，不僅可以有效降低建筑的重量和材料消耗，還可以促進機械化施工的發(fā)展，提高施工效率，降低施工成本，促進高層建筑的生態(tài)化建設。

與傳統(tǒng)建筑材料相比，新材料具有輕質(zhì)、高強、節(jié)能等諸多優(yōu)點。在現(xiàn)代化建設中，高層建筑的建設是新型建筑材料開發(fā)和使用的動力源泉，同時，新型建筑材料的開發(fā)和研究也為現(xiàn)代高層建筑的發(fā)展提供了基本保障。

2 不同的結構形式

高層建筑要承受巨大的橫向風荷載，因此，風荷載為結構設計的主要考慮因素之一，這與低層建筑的情況不同。為了抵抗風荷載，需要高性能的建筑材料和高效的抗側向荷載結構形式。以某超高層建筑為例，該建筑主要有3 種結構形式：混凝土結構、鋼結構和鋼混組合結構，如圖1 所示[3]。

圖1 3 種結構形式

混凝土結構的邊柱采用C60 高強度混凝土，梁和樓板采用C30 低強度混凝土；鋼結構由H 形鋼和空心箱形鋼結構組成，使用G50 高強度鋼；鋼混組合結構則采用鋼結構加上鋼管填充混凝土的形式。高層建筑的其他典型結構形式是管中管和支撐管結構。管中管結構包括使用高強度混凝土建造的剪力墻，以及在建筑周邊密布的40 根復合混凝土填充的鋼管柱（間距為4 m）。支撐管式結構通過利用建筑物外墻的斜撐來抵抗重力和橫向風荷載，因此，不需要在建筑物中心設置剪力墻。荷載導致巨型支撐的4 個角的柱子受力更重，與中間的周邊柱子相比，四周的柱子需要更大的橫截面積。另一方面，支撐管結構可以利用斜撐有效地加強框架體系。因此，中間圍護柱主要承擔重力荷載，并且可以在尺寸上更小，間距更寬，達到8 m（見圖2）。

圖2 其他結構形式

每種結構的建筑成本中材料成本（包括混凝土、鋼筋和結構鋼的成本）占比較高。鋼結構的成本最高，其次是混凝土結構和復核結構。這是因為鋼結構建筑需要大量的型鋼、鋼管和板材，而鋼材比鋼筋和混凝土要貴。與鋼結構建筑相比，混凝土建筑需要更復雜的施工程序，包括鋼筋彎曲和固定、模板安裝、預拌混凝土澆筑、模板拆除和硬化混凝土養(yǎng)護。由于鋼筋混凝土建筑需要許多工人和機械以及輔助材料（如模板），鋼筋混凝土建筑所需的人工和設備成本會變得非常大，占總建筑成本的68%。相比之下，與混凝土結構和鋼結構建筑相比，組合結構建筑的成本效益更高。

圖3 為某高層建筑中建筑材料和結構形式對高層建筑的建筑成本的影響。從圖3 可知，鋼結構建筑的建筑成本最高，為4 575 港元/m2（約3 952 元/m2），其次是混凝土建筑（約3 623 元/m2）和組合結構建筑（約3 230 元/m2）。如果結構形式確定，建筑成本就會隨著建筑高度的增加而線性增加。理解不同結構形式與高層建筑的建筑成本之間的關系，可改善建筑設計的可持續(xù)性，并推動建筑業(yè)的快速發(fā)展。

圖3 成本分析

3 地基

深基礎對于高層建筑非常重要。因為地基在承載建筑物的豎向和橫向荷載方面起著重要作用。本文對地基建設中方形樁的應用進行討論。

在復雜的土層和不理想的地下水條件下，方形樁的使用深度已經(jīng)超過80 m。一根方形樁基可以取代一組傳統(tǒng)的鉆孔樁或打入式樁基，因此，可以形成一個更緊湊、更可靠的地基系統(tǒng)，具有節(jié)省時間和成本的優(yōu)勢。當需要將很大荷載傳遞到更深的持力層時，傳統(tǒng)的樁基往往變得不切實際和不經(jīng)濟。在高地下水位條件和涉及沙子、淤泥和黏土的可變土壤中，問題變得更加困難。地基系統(tǒng)除了承載豎向荷載外，還需要抵抗側向荷載和巨大的彎矩。在這種情況下，樁基使用矩形截面而不是圓形截面會更有利。通過采用方形樁，工程師能夠在橫向增加荷載和彎矩的抵抗力，而不必增加樁基截面積。圖4 為方形樁示意圖。

圖4 方形樁

方形樁的突出點在于能承載巨大豎向荷載，因此，一根方形樁可以取代幾根傳統(tǒng)的圓形樁，從而節(jié)省了施工時間、混凝土和鋼材的數(shù)量、樁帽的量等。圖5 所示為某工程中方形樁的應用。

圖5 某工程中方形樁的應用

應用方形樁已被認為是支撐重型結構和地下室墻壁的有效和高度可靠的方法。它在歐洲和其他地區(qū)的國家中已得到了廣泛的應用。

4 結語

當代高層建筑依然面臨許多挑戰(zhàn)，但也吸引著工程師不斷創(chuàng)新。材料將更加完美，結合所有的優(yōu)點，也許在未來，可以在不需要鋼筋混凝土和鋼筋的情況下建造高樓，材料將更輕，更堅固。隨著技術的發(fā)展，高層建筑不再需要挖很深的地基，就像許多民房一樣，可以在更短的時間內(nèi)建成，而且可以更容易移動。傳統(tǒng)的技術和工藝最終會被淘汰，高層建筑突破地理因素，環(huán)境和經(jīng)濟的限制也指日可待。