臺北101大廈工程結構淺析

張晨曦

摘要：以臺北101大廈為例，介紹了大廈的工程概況以及其獨特的地理位置對結構設計帶來的種種困難。臺灣屬亞熱帶季風性氣候，夏季經常面臨臺風威脅，同時又地處大陸板塊的交界處的板塊活躍區，因此臺北101在設計中不僅要應對強烈的風荷載影響，抗震設計也極具挑戰。通過對臺北101大廈基礎工程以及上部結構工程技術的介紹與分析，對今后的超高層建筑技術進行了展望與思考。

關鍵詞：超高層建筑 基礎工程 抗震 結構設計 綠色建筑

一、工程概況

臺北101大樓坐落于信義計劃區，占地面積達30000余m2，建筑面積約為374000m2。主體建筑的塔樓部分高508m，共101層。[1]設備層在以每八層為一個單元的單元頂層，用于放置空調等機電設備，并且可以起到消防隔離的作用。裙樓主要作為底商以及存車場使用。在抗震設計上，大樓可以承受2500年一遇的地震；在防風方面可以抵擋17級以上的強烈臺風，采用了先進的阻尼器設備，確保大樓內的人員的舒適性。在空間布局上采用超越單一量體的設計，以數字8作為單元，寓意吉祥富貴，外形上像是芝麻開花節節高的竹子，象征中國生生不息的傳統。

為了打造一個理想的時空地標，大樓在建造過程中始終堅持環保可持續理念，將環保主題列入設計規劃。墻面采用斜面處理，有效的減少了光污染帶來的問題，并且使用了高科技的隔熱玻璃，阻止熱量的散失，節省能源[2]。

二、基礎工程技術介紹

對于超高層建筑來說，由于其在單位面積上會產生較一般高度建筑更大的荷載，地基的重要性就顯得尤為重要，尤其是臺北101大廈地處臺北斷層附近，雖然經確認為非活動斷層，不會對基礎工程造成額外的影響，但場地地質條件復雜，不僅地下水位較高，易對筏基產生浮力影響，而且從地表向下有30余米深的軟弱黏土層[1]，這些都對基礎的設計有著不小的挑戰。

臺北101大廈使用的是樁筏基礎。上部結構直接作用在整澆到一起的混凝土基礎底板之上，這樣能夠使高度較低的裙房與高度較高的塔樓在豎直方向產生協調一致的位移，控制不均勻沉降現象的發生。由于軟土層無法有效承重，設計師又設置了共151根鉆孔灌注樁[1]，利用不同排列密度的樁體將所有的載重傳遞到軟土層下面的持力層上。

三、結構工程介紹

大廈地上部分結構由101層的塔樓和6層的裙樓組成，它們之間以伸縮縫形式完全斷開，以減少溫度等因素產生的超靜定內力。地下室共有五層且塔樓裙樓相連以保證整體建筑沉降的一致。塔樓62層以下用鋼-混結構，其余部分都是純鋼骨結構。[2]

塔樓整體為內外框架筒結構體系。內外框架的柱位可簡單的分為內柱和外柱。內柱共16根，每根內柱外側由鋼板焊接成一箱體，并以此為模板向內澆筑高強度混凝土使之形成鋼管混凝土受力構件，大大提升內柱的承重性能；外柱尺寸隨樓層高度不斷變化：在26層以下均為平行于帷幕墻的斜柱，大廈每側都有都配有兩支巨柱和兩支次巨柱，都是由混凝土澆灌而成的方形鋼柱；而26層以上，為增加大廈側向剛度，結構上每側不僅設置有兩根豎直巨柱，還增加了6根H型斜柱，H型斜柱和外筒的框架結構組合為一體，每八層劃分為一個獨立單元。[1]因91層到101層面積變小，每側配置的方形鋼柱直接將荷載傳遞到91層以下的核心鋼柱。

復合型構件的應用也是101大廈的一大特色。施工時混凝土直接澆筑在具有模板及結構承重用途的鋼承板上，養護干燥后與鋼承板協同受力形成復合樓板。同時剪力釘又將鋼梁及混凝土組合成復合梁，這樣荷載就可以由復合樓板過渡到復合梁而后通過各個框架柱最終傳遞到基礎了。

（一）抗風設計介紹

超高層建筑的設計往往由水平荷載起控制作用，海拔高的位置風力大，因此抗風設計是臺北101大廈的重點而臺灣每年夏季又會面臨臺風的侵擾，對于臺北101大廈來說，抗風設計在滿足安全適用性中的地位就顯得尤為突出了。

在抗風的設計中，設計師參考了大量的氣候資料，經風洞實驗后，確定了一系列設計參數，為滿足人們的舒適性要求，需要降低大樓在風荷載作用下的加速度響應，為此設置了巨型質量塊阻尼器降低大廈在水平荷載下的震動反應。阻尼器的質量塊設置于87到92層之間，阻尼器類似于單擺結構，由八根超高強度的鋼索通過支架拖住質量塊下部。為了將660噸的阻尼器懸掛于92層[4]，支架周圍還設置了八組油壓式阻尼器，以達到削能減震的目的。為了避免大風或強震導致阻尼器擺動幅度過大而破壞結構，在阻尼器與質量塊之間設置了緩沖鋼環，一旦擺動幅度超過1米，質量塊下方的鋼筒就會撞擊鋼環以減緩質量塊的運動。

（二）抗震設計介紹

臺灣處在亞歐大陸和菲律賓板塊的交界地帶，板塊運動異常活躍，經常受到地震作用的侵擾，所以臺北101大廈的抗震設計至關重要。

大廈的抗震措施基于基本的“大震不倒，中震可修，小震彈性”和“強柱弱梁、強節點弱構件”理念進行設計，使用回歸期為100年的地震數據進行模擬分析，對部分結構節點進行了加固。在滿足抗風設計的前提下，絕大多數節點都能夠滿足要求，但除了要考慮強度的要求，還要使節點在大震中能夠吸收足夠多的能量來為主體結構耗散多余的地震能量。設計采用國科會專利的高韌性接頭[4]，這種接頭大幅度提升了節點處的韌性，通過延性破壞時形成的塑性變形消耗能量，同時又能保證不會發生脆性的突然破壞發生危險。經最后的檢測，臺北101大樓已經可以達到臺灣震度分級中最高的第七級標準[4]。

質量塊阻尼器同樣也能減輕大廈主體結構在地震作用下的震動反映。雖然在風荷載作用和地震作用下，結構的加速度響應不同，風荷載使結構發生擺動頻率較低，加速度較小，產生的慣性水平作用力也較小；而地震作用劇烈，結構加速度響應大，產生的慣性力大，但質量塊阻尼器可以通過其非常大的慣性來抵消地震作用產生的不利水平荷載，大大減小建筑物頂部的擺動幅度。正是由于臺北101大廈的大膽嘗試，設計師們在看到這種阻尼器的優勢及可行性后紛紛效仿、改良，在包括上海中心大廈在內的新時代超高層建筑中，這種可以減弱結構水平震動的阻尼器得以推廣使用。現有的最新技術是使用電磁力來代替重力產生阻尼效應，這樣不僅減輕了設備自重，還能使這種反力的作用更及時的反饋到主體結構上。

四、總結與展望

臺北101大廈建成約15年，在經濟、環境、社會等方面都取得了一定的成績，向亞洲、向世界展示了臺灣都市的風貌與氣質。2010年以前，臺北101大廈是世界上最高的建筑，是超高層建筑的先例和典范。然而我們很清楚，世界上沒有不會被超越的建筑，不可能有永遠的第一。繼2010年以來，國內外諸多超高層建筑，如迪拜哈迪法塔、上海中心大廈等等均在高度上超越了臺北101，但臺北101大廈的獨特仍然是不可被取代的。它獨具特色的藝術造型、巧妙的結構設計、質量塊阻尼器的大膽嘗試無一不是在向世界證明著我們中國的經濟實力和技術水平都在不斷攀升。如今，越來越多的超高層建筑拔地而起，臺北101大廈作為超高層建筑的代表，影響著世界的建筑設計，為在其它地震區的超高層建筑提供了理論指導。

隨著施工技術的發展、結構設計的優化，我國的超高層建筑越來越普及，在追求高度的同時，我們越來越關注環保與節能方面，為與自然環境協調發展，一些綠色節能技術已經被應用到了超高層建筑的中，如上海中心大廈的雨水收集系統、新風系統和頂層風力發電系統。希望今后“綠色建筑”的概念能夠有所普及，改善傳統超高層建筑高耗能的情況，降低整棟建筑的人均碳排放量，讓我們的綠水長流，青山常在。

參考文獻：

[1]張紹松，張敬昌，鐘俊宏.世界第一樓——臺北101大樓之結構設計[J].建筑施工，2002，27（10）：1-4.

[2]林鴻明，林鈺芳.臺北101：一座永續發展的超高層建筑[A].世界高層都市建筑學會第九屆全球會議論文集[C].上海：中國土木工程學會，2012：66-72.

[3]李祖原.臺北101大樓[J].建筑學報，2005，（05）：32-36.

[4]謝紹松，張敬昌，鐘俊宏.臺北101大樓的抗震及抗風設計[J].建筑施工，2002，27（10）：7-9.

[5]鐘俊宏，謝紹松，甘錫瀅.臺北101大樓鋼結構工程之施工監造[J].建筑鋼結構進展，2005，7（05）：1-10.

（作者單位：洛陽理工學院附中）