淺談超高層建筑結構現狀與未來

陳可瀚

摘要：隨著經濟的快速發展以及社會人口的急劇增加，使得超高層類的建筑得以迅速發展，并逐漸成為一個國家或者是一座城市的地標性建筑，標志著其經濟發展的成果。超高層建筑最初主要是以銅筋混領土結構為主，但是由于鋼筋混領土自身所具有的體重較大、體積較大的弊端，讓超高層建筑的實用功能受到了一定的制約。而隨著人們用銅結構代替鋼筋混凝土結構進行建設，逐漸避免了之前存在的缺點，增加了超高層建筑的使用功能，使其更具實用功能。

關鍵詞：超高層；建筑結構；現狀；發展

當前，超高層建筑在我國的發達城市中日益凸顯，且有許多的超高層建筑已經在世界超高層建筑中名列前茅，這也體現出我國在經濟和科技發展上的進步。超高層建筑在結構體系上的創新，不只是影響著超高層建筑的安全性與經濟性，同時也對建筑空間形式以及使用功能的拓展上也具有非常重要的作用，其作為核心技術一直存在于超高層建筑設計和建造過程中。

一、超高層建筑的結構體系

我國建筑業在社會經濟的推動下不斷發展，數量急劇上升的同時，建筑技術也日趨成熟。在超高層建筑設計、施工中，結構體系設計將直接關系到整個建筑的安全性，接下來我們將詳細分析建筑的框架結構、剪力墻體系、全剪力墻結構、避難層等結構組成部分。

（一）框架結構

由于框架結構在高度上存在較大的局限性，在高烈度地區進行規范限值時，容易出現過大的構建截面，既不方便使用造成浪費，又不符合國家規范多道設防的理念，繼而衍生出了框架一剪力墻體系。剪力墻體系實現了多道設防的理念，在建筑物的高度上優于框架，對建筑的承載力、剛度以及延性有很大程度的提高，也具有使用價值。剪力墻體系只需選取建筑物的一處適當位置進行一定比例的剪力墻設置，以達到讓結構不論是從豎向還是水平位置上都能具有合理的承載力和剛度的目的，更合理的滿足規范的要求。

通常來說對空間使用功能有明確要求的建筑，比如說寫字樓、車庫等，在結構設計中，兩個體系所扮演的角色存在明顯的差異。剪力墻一般是起到承受水平方向剪力的作用，而框架主要是承受垂直荷載的作用。框架剪力墻體系中所表現出的位移形式屬于彎剪形。在水平方向承擔作用力，剪力墻和框架一般是依靠剛度較強的樓板以及連續梁相連接，從而構成結構體系。剪力墻在超高層建筑結構中所發揮的優勢非常多，能夠讓結構整體的側向高度提升，水平方向位移降低，框架承擔的水平方向的剪力在很大程度上降低，同時豎向方向內力更加均勻。所以，框架剪力墻體系的建筑物的框架體系會在一定程度上低于建筑物的能建高度。

（二）剪力墻體系

我們知道，高層或者超高層建筑物的受力結構往往都是剪力墻結構來取代的，同時所有由此代替為剪力墻結構。在這些結構體系之內，單片剪力墻在建筑結構內所承擔幾乎全部水平方向的作用力和垂直方向的荷載作用力。因為剪力墻體系結構屬于剛性，所以在位移過程中所產生的曲線形式屬于彎曲型。剪力墻體系的自身優勢非常明顯，其具備良好的剛度和強度，延伸性能良好，能夠均勻的進行力的傳遞，擁有一定的整體性，這一體系的建筑物出現坍塌的可能性非常的小，因此也被更加廣泛的應用到高層或者超高層的建筑結構設計中，能建高度更大，超過框架剪力墻結構或者剪力墻結構體系。

（三）全剪力墻結構

全剪力墻結構自身承擔的橫向荷載以及豎向荷載皆為剪力墻，并無框架柱結構。全剪力墻建筑結構主要應用在高層建筑結構設計中，同時利用這種結構的建筑，樓層一般比框架剪力墻結構要高得多。但是全剪力墻結構的缺陷也比較明顯，即是施工建設成本較高，內部空間無法隨意的進行分隔。在實際的建筑工程設計過程中，設計人員應當對框架剪力墻結構充分而合理的進行考慮，如果框架剪力墻結構不能夠符合建筑工程項目的需求，則可以選擇全剪力墻結構。

（四）避難層的設置

對高層建筑火車超高層建筑的結構設計來說，避難層的設計是十分重要的，因為如果高層建筑或者超高層建筑發生火災之后，人們能夠前往避難層，因為避難層一般來說空間范圍較大，通風性能良好。一般情況之下，如果建筑物的高度超過了100m，就應當在建筑物中設置避難層，有助于消防安全。避難層的設置應當遵循嚴格的規定，第一層和避難層之間的層數應當盡可能的控制在十五層之內，避難層的面積設計必須要符合高層建筑人員避難要求，應當在避難層位置設置好消防電梯口，避難層應當配置完善的消防設備等。

（五）簡體結構

簡體結構一般來說選擇抗側力構建，簡體結構建筑體系所包含的形式非常豐富，比如說有單簡體形式、筒中筒形式以及簡體框架形式等。簡體體系主要囊括了實體以及空腹兩種，是空間式的承力構件。實腹筒是一種三維豎向的結構單體，主要是由曲面或者平面墻構成，空腹筒通常是由密排柱和開孔形式的鋼筋混凝土外墻組成，或者是密排柱和窗裙梁構成。簡體體系的剛度以及強度相對較大，其中的結構構件受力非常均勻，抗震性能以及抗風性能非常強，該結構一般是應用到超高層建筑或者跨度較大的建筑中。

二、超高層建筑結構分析

（一）超高層建筑材料分析

混凝土是最常用的建筑材料，在超高層建筑應用上也不例外。鋼材具有強度高、自重輕、彎曲變形量大，施工方便快捷等特點，但因為鋼材受熱后強度將大幅下降等，限制了純鋼材結構的建筑高度。將鋼與混凝土結合可以發揮二者的優勢，并使它們的缺點得到互補。

（二）抗風優化

1、平面形狀

平面形狀是承受風荷載能力的重要方面。研究對比發現，平面為圓形、橢圓形、三角形、Y形、月牙形的建筑相對于矩形平面的建筑而言，對于風荷載作用力的抵抗效果更為出色。此外，通過將建筑物頂部拐角變為倒角、削角或者圓形化的措施也有助于抗風。

2、變截面

隨著高度的增加改變界面的形式也可以有助抗風，一般變截面的形式有兩種：①錐形化立面與階梯縮進平面；②隨著高度的變化來改變平面的樣式。研究表明，隨著高度的增加，錐形化立面與階梯縮進平面的平面寬度會逐漸減小，并且產生渦激共振的臨界風速也減小。而邊界層內的風剖面表明，風速與高度是成正比的，這就有效地降低了渦激共振給建筑物帶來的危害。

3、改變局部形態

在建筑物上適當的留有洞口、附加擾流翼、以及設計復雜的塔冠形態。研究表明，合適的開洞位置，附加擾流翼和復雜的塔冠形態都能夠有效的減小風致影響。

（三）耗能減震技術研究

為增加結構抗震，通常把在結構上添加一些能夠減弱機能，在發生地震時能夠吸收所產生的能量從而能夠消能減震，保護建筑物的結構稱為耗能減震結構。耗能減震結構中所使用的耗能部件按照相關性可以分為位移相關性耗能部件和速度相關性耗能部件。

三、結語

超高層建筑數量不斷增加，分布地區由長三角、珠三角地區向全國其他區域擴展，環渤海地區以及部分二線城市超高層建筑發展迅速。

隨著建筑結構高度的增加，巨型框架和巨型支撐應用較多，鋼—凝土混合結構在超高層建筑結構中應用廣泛。

超高層建筑土建工程造價約占建筑造價的30%—40%，隨著塔樓高度的增加，土建造價將有所提高。

將合適的空氣動力學優化方法，在超高層建筑中通過具體的建筑與結構設計來實現，可以同時達到減小建筑的風致響應與保證建筑形態優美的目的。

結構高度越高，長周期振型越多；超高層建筑總動力響應中，長周期模態的基底剪力占結構地震總響應的50%以上；長周期模態的傾覆力矩占地震總響應的90%以上。長周期地震作用對超高層建筑結構影響顯著。

耗能減震技術可有效降低結構的地震作用響應，提高超高層建筑結構抗震性能，是未來超高層建筑結構抗震的發展力一向。