超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性及相關(guān)問題的研究

江華

摘要：隨著我國對外開放以來，經(jīng)濟得到快速的發(fā)展，建筑房地產(chǎn)行業(yè)也得到了迅猛的發(fā)展。超高層建筑開始慢慢地多起來，超高層建筑開始成為一座城市的地標建筑物。但超高層的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來很多問題，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性問題、結(jié)構(gòu)設(shè)計的適用性問題;在市場經(jīng)濟下，超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性問題越來越重要，本文就超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)問題進行探討和研究，并且提出相應的對應方法。

Abstract： With the rapid development of the economy since the opening up of China， the construction real estate industry has also developed rapidly. Super high-rise buildings began to slowly increase， and super high-rise buildings began to become a landmark building of the city. However， the super high-rise structural design brings many problems， such as the economic problem of structural design and the applicability of structural design. Under the market economy， the economic problem of super high-rise structural design is more and more important. The related issues are discussed and studied， and the corresponding corresponding methods are proposed.

關(guān)鍵詞：超高層;結(jié)構(gòu)設(shè)計;經(jīng)濟性

Key words： super high-rise;structural design;economic

中圖分類號：TU973+.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0166-02

1? 超高層和結(jié)構(gòu)設(shè)計的概述

1.1 超高層的基本概述

超高層在以前是指建筑物超過40層或建筑物高于100米就為超高層建筑，但隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，100米以上的建筑物越來越多，使用世界超高層建筑學會指定了的最新標準，建筑物300米以上為超高層建筑。超高層建筑一般周期長、投入資金大，一般超高層建筑物也是一個國家和地區(qū)的地標性建筑物。超高層建筑在亞洲最多，其次是歐美國家，世界上比較著名的超高層建筑物有：位于阿聯(lián)酋的世界上最高的建筑物迪拜塔（哈利法塔迪拜 828米）、東京晴空塔（日本，634米）、廣州塔（中國，600米）、平安大廈（中國深圳，600米）、廣州東塔（中國，530米）。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概述

結(jié)構(gòu)設(shè)計分為建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計兩種，其中建筑結(jié)構(gòu)又包括建筑物上部結(jié)構(gòu)設(shè)計和基礎(chǔ)的設(shè)計。建筑主要分為框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)等。

超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容和步驟如下：①根據(jù)建筑設(shè)計確定結(jié)構(gòu)體系和主要材料;②做好結(jié)構(gòu)平面布置圖;③開始選擇建筑材料類型、強度等級等，并根據(jù)經(jīng)驗初步確定構(gòu)件截面尺寸;④建筑物結(jié)構(gòu)荷載計算和各種荷載下的內(nèi)力分析和研究;⑤建筑荷載效應的組合;⑥構(gòu)件部件截面設(shè)計。還包括一些必要的結(jié)構(gòu)措施。應以結(jié)構(gòu)專業(yè)的相關(guān)規(guī)范和圖集為基礎(chǔ)。

2? 超高層建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性簡述

超高層建筑設(shè)計結(jié)構(gòu)經(jīng)濟是指建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟。它的內(nèi)容包括注重經(jīng)濟性的建筑設(shè)計（包括范圍很廣的內(nèi)容）。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，只有一系列節(jié)能措施被重視，如提高建筑材料的保溫性能，提高建筑的形狀系數(shù)，提高建筑材料的氣密性。隨著社會的發(fā)展，人們不僅從結(jié)構(gòu)的角度來考慮生活環(huán)境，而且從建筑結(jié)構(gòu)（如空間組織、技術(shù)組織、結(jié)構(gòu)設(shè)置、能源）的經(jīng)濟角度來考慮生活環(huán)境。也就是說，要全面確立經(jīng)濟的原則和方法。

經(jīng)濟的目的：建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，即投資相對較低的成本儀表以獲得最快的效果。美國建筑師兼工程師R-B-Fuller提出的“少費多用”的原則是一個共同的原則?！岸喽簧佟钡脑瓌t是利用有效的手段，以最少的物質(zhì)和資源進行投資，以最少的費用和服務，盡可能多地獲得技術(shù)開發(fā)效益，以適應社會發(fā)展的新形勢。在超高層的經(jīng)濟性原則中，經(jīng)濟性的目的考慮比較長遠，可能需要等十年甚至幾十年的時間才能收回成本。但要在建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的思想中，這一原則顯然是一個重要、有效、經(jīng)濟的方法。

3? 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)問題

3.1 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性問題

超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟性問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計最重要的問題之一，都是希望投入較少的費用，獲取更大的效益。影響超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性問題主要有工程結(jié)構(gòu)設(shè)計投入費用、超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的材料、超高層建筑控制荷載。

3.1.1 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計投入費用

超高層在結(jié)構(gòu)設(shè)計上周期長、投資資金大，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要求高，請專門的團隊完成。比如上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)設(shè)計來自于籟思理·羅伯遜聯(lián)合股份有限公司（LERA），為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（SRC結(jié)構(gòu)）、鋼結(jié)構(gòu)（S結(jié)構(gòu)）。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上就花費了巨額投資，但如何收回這些成本，也是一個很重要的經(jīng)濟性問題。

3.1.2 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計材料問題

一般超高層的材料都有這些特征：超高層建筑周期長、花費資金大，一般對材料的質(zhì)量要求很高，一是強度高，耐久性好。它主要體現(xiàn)在用作建筑物受力構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的材料中，如梁、板、框等所用材料。二是絕緣性好、隔聲性能好、節(jié)能性能好。主要反映在建筑圍護材料中，如墻體、門窗、屋頂?shù)炔糠炙玫牟牧?。三是環(huán)境適應性廣，耐久性好，使用功能適應性強。

3.1.3 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載控制

超高層建筑的荷載不同于其他建筑荷載主要受水平荷載影響，還有動態(tài)作用或動力作用的影響，使建筑物結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不可忽略的加速度。在高空施工過程中，會給建筑結(jié)構(gòu)增加一定的施工荷載，如電氣設(shè)備的振動、室內(nèi)大量砂石的放置等建筑材料，使建筑局部的荷載值遠遠超過允許值和設(shè)計范圍。

3.2 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性

由于是超高層建筑，所以建筑的安全性也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，它不僅關(guān)系到投資者利益，也是對人民生命財產(chǎn)安全的負責，也關(guān)系到地區(qū)城市和國家的聲譽，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上會考慮到地震、火災、雷電、風速、恐怖襲擊以及施工中工人的安全等因素。消防安全也成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個重點。火災荷載是測量建筑區(qū)域內(nèi)可燃物數(shù)量的參數(shù)。可燃物完全燃燒產(chǎn)生的熱量與建筑面積之比稱為火災負荷密度。其來源主要包括：建筑材料、建筑裝飾材料、管道電氣設(shè)備、辦公用品與生活用品等。

火災負荷高的潛在危險因素：一方面會增加火災溫度，另一方面會產(chǎn)生大量煙霧和有毒氣體。另一方面火災負荷越大，火災后建筑物燃燒所涉及的可燃物越多，燃燒釋放的熱量越多，環(huán)境溫度越高。閃絡(luò)時間越短，對人體的威脅越大。

4? 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟性問題策略研究

4.1 超高層建筑控制荷載問題的研究

4.1.1 豎向荷載組成及優(yōu)化策略

隨著建筑物高度的增加，建筑物的塔壁和塔柱自重的比例會增大，這是由于建筑物塔架橫向剛度的原因，另一方面，建筑物樓層恒載的增加導致了較大的垂直荷載;建筑物樓層恒載的比例一般在20%到25%之間，這就更大了;優(yōu)化樓層恒載不僅可以減輕自身的重量。進一步減小柱、墻的豎向荷載，減小地震作用具有非常大的作用。減輕建筑物塔架重量的方式有：選擇比較高強度的混凝土和高強度的鋼（減小柱和墻的尺寸）;混合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（鋼替換部分混凝土）;使用型鋼復合地板系統(tǒng);使用輕質(zhì)隔墻（如輕鋼龍骨隔斷）;以及額外靜載荷的減少（如使用輕質(zhì)的填充材料）。

4.1.2 風荷載研究和優(yōu)化策略

風工程研究的主要方法是現(xiàn)場監(jiān)測，這是研究風荷載最直接、最可靠的方法，但是這種方法周期長、成本高。風洞試驗（可以系統(tǒng)地開展研究，但相似性是相關(guān)的）不能完全滿足;數(shù)值模擬是風荷載重要手段和發(fā)展方向，成本比較低，而且周期短，但是目前研究取得的進展不大。高層建筑物由于樓層高、風速大、結(jié)構(gòu)比較靈活，易受渦激振動因素引起的橫風荷載的影響。當進氣道風速增大到某一臨界值時，建筑物周圍會發(fā)生渦脫落，引起渦激振動。通過改變建筑物截面形狀、圓弧倒棱、切角和立面開口沿高度的變化，可以降低高層建筑高度方向渦激振動的一致性，降低建筑物的橫向風荷載。上海市中心有三種方式：圓弧倒棱、鉸鏈立面和橫截面。

4.2 超高層結(jié)構(gòu)體系框架研究

當結(jié)構(gòu)高度達到450m時，剛度重量比成為無支腿桁架管系中弱框架管的主要控制的重要數(shù)值，外框架的梁截面顯著加寬。根據(jù)我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》對框架-核心筒體系的要求，外框架抗震剪力標準值不應小于結(jié)構(gòu)底部剪力標準值的10%。由于框筒體系與弱框筒體系柱距較近，框架梁截面較高，外框架剛度較大，地震剪力分布較大，可滿足規(guī)范10%的要求。對于高屈服E型框架-核心筒體系和巨型框架-核心筒體系的高層建筑，由于框架柱間空間較大，外部框架剛度遠小于核心剛度10%的外框剪管-核心筒體系較好：巨型框架-核心筒體系高450m，基本風壓為0.6kN/m2，結(jié)構(gòu)在450m以下，基本強度為7（0.1g）時，結(jié)構(gòu)的彈性指標由風荷載控制。當?shù)鼗鶑姸刃∮?（0.2g）時，形成地基。當風壓為0.40kN/m2時，結(jié)構(gòu)的彈性指標受地震作用控制;當結(jié)構(gòu)高度達到450m時，結(jié)構(gòu)的剛度重量比成為主要控制參數(shù)，應設(shè)置延伸桁架以提高結(jié)構(gòu)的剛度重量比。當建筑物結(jié)構(gòu)高度超過450m，軟弱框架筒體和管內(nèi)筒體結(jié)構(gòu)體系采用較高截面的外框架梁，鋼耗較大，經(jīng)濟性較差;巨型框架結(jié)構(gòu)體系具有良好的力學性能和經(jīng)濟性，超高層結(jié)構(gòu)體系的選擇需要綜合考慮。因此，在超高層工程規(guī)劃階段，結(jié)構(gòu)體系的選擇需要及早的干預。

4.3 超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性問題的研究

核心是硬件管理好，軟件管理好。

4.3.1 硬件管理

硬件就是不斷提高建筑消防科學技術(shù)水平。超高層對消防設(shè)施要求極高，需要消防設(shè)施具有優(yōu)良的品牌、先進的技術(shù)和完善的功能（高層建筑消防設(shè)計中三大系統(tǒng)——火災自動報警系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)功能完善）。

4.3.2 軟件管理

做好防火管理措施和技術(shù)措施、安全疏散指示和防火能力培訓（教育、培訓、考核、檢查、整改）。

4.3.3 預防的基本原則

實現(xiàn)防火自救的最終目標。

5? 總結(jié)

經(jīng)濟性問題在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中起著重要作用，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計師仍然按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法進行設(shè)計，顯然會造成巨大的浪費。因此，開展和實現(xiàn)資源的合理配置和利用，節(jié)約結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理念的建設(shè)成本勢在必行。建筑業(yè)的發(fā)展也是一項高效、集約的綜合系統(tǒng)工程。因此，建筑師應首先從經(jīng)濟的角度出發(fā)，具有宏觀合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，合理確定建筑設(shè)計標準、經(jīng)濟措施和原則。

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