300m 以上超高層建筑的結構材料與選型比較分析

瞿佳綺 莊葵 周劼競

1 世界高層建筑與都市人居學會（CTBUH）

2 CCDI 悉地國際

3 SOM 建筑事務所

1 300m以上超高層建筑全球發展概覽

截至2021年3月，根據世界高層建筑與都市人居學會（CTBUH）數據庫顯示[1]，全球一共有191座300m以上超高層建筑，其中中國擁有95座，占全球總數的49.7%，位居世界第一，阿聯酋擁有31座，美國擁有28座，分別位居世界第二和第三。圖1展示了中國、美國、阿聯酋在過去30年300m以上超高層建筑的數量，可以明顯看到，我國自2010年超越了美國成為世界上擁有300m以上超高層建筑最多的國家，呈現明顯增快的趨勢。2010年至今，我國和阿聯酋每年都有300m以上的超高層建筑完工。相比之下，美國起步最早，但數量上沒有快速增長。在2010—2020年的10年中，美國總計建成的300m以上超高層建筑數量與我國在2019年一年建成的數量一致，均為14座。

1 中國、美國、阿聯酋擁有的300m 以上高層建筑數量

2 超高層建筑結構材料使用情況分析

2.1 300m以上超高層建筑材料使用的發展歷史

世界上第一座300m以上的超高層建筑是位于美國紐約的克萊斯勒大廈，于1930年完成，高319m，其世界第一的高度于1931年被帝國大廈（Empire State Building）以381m超越。克萊斯勒大廈與帝國大廈均采用鋼結構，當時美國市場上最常用的結構鋼材屈服強度在270MPa，含有比現今鋼材更多的碳、硫、磷等元素，使得其難于焊接[2]。而目前全球最高的鋼結構建筑是1974年建成于芝加哥的威利斯大廈（Willis Tower），高442m。1990年起，屈服強度為350MPa的鋼材逐漸成為美國市場的主流，這與我國目前市場常用的鋼材Q355強度一致。

混凝土因其自重大、平均強度低、延展性不好等因素，難以單獨成為超高層建筑的結構材料，在300m以上超高層建筑中出現較晚，第一次使用為芝加哥的慎行廣場二號大廈（Two Prudential Plaza）（圖2），于1990年建成。2020年，紐約的中央公園大廈（Central Park Tower）（圖3）以472m刷新了混凝土結構的建筑高度。高層建筑設計中，我國高層建筑常用混凝土C40，與美國常用的6ksi混凝土強度基本一致。

2 芝加哥慎行廣場二號大廈

3 中央公園大廈

第一座300m以上的復合結構建筑特拉維斯街600號（600 Travis Street）（圖4），于1982年在美國休斯頓建成。我國與阿聯酋的第一座300m以上超高層建筑均為復合結構，分別是位于香港的中國銀行大廈（1990年建成）（圖5）和迪拜的帆船酒店（1999年建成）（圖6）。世界最高的復合結構建筑為2015年建成的上海中心，高632m。型鋼混凝土的組合結構第一次突破300m便是在世界最高建筑哈利法塔中（2010年建成，高828m），其與2016年建成的廣州周大福金融中心，都使用了C80高強度混凝土。美國2014年完工的世貿一號樓使用了14ksi（材料強度約為96MPa）混凝土。

4 特拉維斯街600 號

5 中國銀行大廈

6 帆船酒店

2.2 300m以上超高層建筑材料的使用現狀

根據CTBUH 數據庫，對中國、美國、阿聯酋300m以上超高層建筑進行基于材料的分類（表1），并結合 CTBUH2020對建筑材料的統計可以看出（圖7），早期的高層建筑多用鋼結構，并且集中在北美[3]。隨著全球最高的100座建筑的平均高度不斷上升，復合材料因結合了混凝土可塑性強、防火性能好和鋼材自重輕、強度高的優點，逐漸被廣泛使用。亞洲和中東地區開始在全球最高的100座建筑中占有一席之地。

表1 不同結構材料在中國、美國、阿聯酋300m以上超高層建筑中的占比

7 世界最高的100 座建筑的材料與地區分類統計

在對300m以上超高層結構材料的統計中發現，我國多用復合材料，阿聯酋在初期嘗試少量復合材料，之后建造的大多數建筑都使用混凝土材料。對比美國在2000年以前和2000年以后完工的300m以上超高層建筑，鋼結構從64%下降至12%，而復合材料和混凝土材料的占比明顯增加。總體來說，美國300m以上超高層建筑顯示出明顯的多樣性，這和其建造歷史長、市場和規范的包容度廣有密不可分的關系。

2.3 300m以上超高層建筑材料的選擇

鋼結構和復合樓板可實現的跨度更大，其開放空間符合辦公建筑的使用要求，并且開洞更靈活，可以加建內部樓梯。混凝土建筑隔音效果好、震動少，更適用于住宅建筑。在美國300m以上擁有住宅功能的8座超高層建筑中，6座使用混凝土材料。然而建筑功能并不是決定結構材料的全部因素，我國擁有住宅功能的300m以上超高層建筑全部為復合材料；在阿聯酋帶有辦公功能的7座300m以上超高層建筑中，5座使用混凝土材料。可見，使用功能并不主導結構材料的選擇。

受晝夜溫差大、沙漠和海洋交接氣流影響，迪拜的鋼結構超高層建筑位移控制難度增加，同時當地鋼結構報批流程比混凝土更復雜，材料加工人工費用更多，多重因素都使得混凝土成為迪拜超高層建筑的主要材料。

美國規范所允許的鋼筋混凝土材料強度上限要略高于中國規范，其混凝土設計規范ACI 318-19對混凝土的最高強度等級不做具體限制，只在針對框架柱設計的條文說明里提到若抗壓強度超過15ksi（約為103 MPa）因實驗數據匱乏應謹慎使用[4]。鋼筋的最大的屈服強度可以采用100ksi（689MPa），此時建筑高度不得超過130m。位于西雅圖的Premiere on the Pine項目就使用了15ksi的混凝土柱和90ksi（620MPa）的鋼筋[5]。中國混凝土規范列出的混凝土最高等級為C80，鋼筋的最大可用屈服強度為500MPa，略低于美國規范[6]。使用高強度混凝土與鋼筋可以減少柱的截面尺寸與配筋率，從而使施工更加便捷。因為美國的建造人工成本高于我國，使用強度更高的混凝土材料在造價上比使用復合材料更有優勢，在一定程度上可以減少對復合材料（如內埋型鋼混凝土）的需求。

鋼材作為可回收的建筑材料，在碳排放上有明顯優勢，同時鋼材的強度高，可以減少構建體積和結構自重，進一步節約項目成本。我國關于裝配式鋼結構的要求就是為了減少對環境的影響、提高工程質量。但是抗火性能及造價是純鋼結構在超高層建筑使用中的重要限制，在2001年美國世貿大廈倒塌事件后，美國純鋼結構的高層建筑明顯減少，鋼結構在火災、爆炸等極端情況下都遠不如混凝土結構。

兩國規范對鋼材強度要求較為一致。根據美國第15版鋼設計手冊，熱軋工字型鋼普遍運用的是ASTM A992 屈服強度為50ksi（345 MPa）的鋼材，與中國鋼設計標準所列出Q355鋼材對標[7-8]。美國ASTM A572鋼材可以達到的最大屈服強度為65ksi（448 MPa），與Q460鋼材對標。

混凝土和鋼材在目前建造技術方面均可以達到高度和功能的設計要求，但是由于各地區實際環境不同，出于對規范、施工以及實際構建尺寸的考量，不同地區的項目選擇了不同材料。綜合考慮，混凝土與鋼的混合結構成為我國超高層建筑最主要的結構材料，同時也成為近20年全球超高層建筑使用最多的材料。

3 超高層建筑結構體系分析

3.1 超高層建筑結構體系現狀分析

超高層建筑中最常采用核心筒+抗彎框架的結構體系，主要目的是使外圍柱以其力臂優勢參與抵抗側向力，從而減少低區核心筒的彎矩。在對全球最高的50座建筑的統計中，超過一半的項目使用了伸臂梁結構來實現外圍抗彎框架，少量超高層建筑采用了其他結構形式。例如，哈利法塔（圖8，9）因為其超高的高度使用了Buttress Core（支撐核心筒），以減少結構構件尺寸和平面進深，優化使用體驗。另一個例子是位于紐約的中央公園大廈，使用了核心筒+剪力墻結構，該項目因平面過窄，高寬比過大，外框架不能實現足夠的力矩，所以部分外墻被作為剪力墻納入結構體系。Moon在對100層純鋼結構的建模比較中發現，相同情況下，伸臂梁結構比支撐筒和斜交網格筒結構多近兩倍的鋼用量。盡管在材料用量上沒有節省，但伸臂梁結構卻因其對立面設計沒有限制而被更廣泛地應用[9]。

8 哈利法塔標準層結構平面圖

9 哈利法塔

我國與美國在結構體系的選擇上有一定差異。我國多采用核心筒+一定形式的巨型框架結構體系，上海中心大廈（632m）（圖10，11）與深圳平安金融中心（599m）均在外框布置了型鋼混凝土巨柱，同時采用了帶狀桁架、伸臂桁架與頂層阻尼器等多重結構措施，深圳平安金融中心（圖12，13）還在此基礎上在外筒增設了斜撐[10]。在美國，盡管大多數建筑也采用了核心筒+外框的結構體系，但是外框形式相對傳統簡單，位于紐約的世界貿易中心一號樓（541m）（圖14，15）僅采用了鋼筋混凝土核心筒+外部鋼結構框架及頂部鋼伸臂桁架；位于舊金山的Salesforce Tower（326m）（圖16，17）盡管處于地震烈度較高的區域，也只采用了混凝土核心筒+鋼重力柱體系。

10 上海中心辦公樓層結構平面圖

11 上海中心

12 深圳平安金融中心標準層結構平面圖

13 深圳平安金融中心

14 世界貿易中心一號樓標準層結構平面圖

15 世界貿易中心

16 Salesforce Tower 標準層結構平面圖

17 Salesforce Tower

3.2 中美超高層建筑結構規范比較

中美兩國的規范差異，成為中美超高層建筑結構體系不同的重要依據。我國2010高層建筑混凝土結構技術規程限定了在非抗震設計下，剪力墻結構的最大適用高度為180m[11]，超過此高度則需選擇框架+核心筒或筒中筒的雙重結構體系，且最大適用高度為300m。在抗震設計下，最大適用高度會根據震烈度而降低，并且框架部分需承擔的最大樓層剪力應大于10%的基底剪力，這些要求在超過規范適用高度的超高層建筑結構設計（超限審查）中同樣適用。因此，為了使外部框架的剛度與強度達到要求，外筒的豎向構件尺寸普遍偏大，甚至需要額外布置斜撐。

美國ASCE 7-16規范在非抗震設計與烈度較低區域的抗震設計中對常規結構體系的適用高度幾乎不做限制[12]，對滿足特殊構造要求的剪力墻或斜撐體系、框架體系，以及剪力墻+框架結構體系均不做高度限制。在烈度較高的抗震設計中，剪力墻與斜撐結構的最大適用高度僅為49m，而框架與剪力墻+框架結構則不受限制。在規范中，剪力墻+框架體系中的框架特指滿足特殊構造要求的鋼結構框架或混凝土框架，并且框架部分可以獨立承擔25%的地震荷載，否則需按剪力墻體系確定設計參數。因此，在主要由風荷載控制的區域（如紐約市），由于結構體系不受高度限制，如果采用了核心筒作為主要抗側體系，外框的主要功能可以僅用于承受重力，從而尺寸普遍偏小。在需要控制地震荷載的區域（如舊金山市），由于剪力墻核心筒體系的適用高度較低，以及核心筒體系+框架體系的造價大于核心筒+重力柱體系，不少高層與超高層項目選擇了核心筒+重力柱體系并進行超限同行審查。PEER與LATBSDC分別發表的抗震超限設計指導性文件，為超過高度限制的核心筒體系提供了設計依據[13-14]。

綜上所述，我國規范對結構外框（筒）作為第二道防線的要求比美國規范更加嚴格，因此外框的結構形態更加復雜，尺寸也普遍偏大。但是這種差異在未來有減小的趨勢。例如，在2021年6月1日起實施的廣東省《高層建筑混凝土結構規程》中將重力柱+核心筒體系作為高層建筑的體系之一，對框架承擔一定比例基底剪力的要求也進行了刪減[15]；迪拜也在2020年10月發布了更新的建筑規范以減少建造成本。

4 結語

近10年，我國有大量300m以上超高層建筑建成，在結構體系上呈現非常明顯的一致性，復合材料的核心筒+巨型框架（筒）結構體系成為主流。與之相比，美國超高層建筑受其建造歷史的影響，材料使用和結構選型更多元化；阿聯酋的建筑規范多借鑒于歐美，結合自身氣候和社會因素，形成以混凝土為主的結構。總而言之，復合材料因結合了鋼材和混凝土的優勢，成為了現今在全球300m以上超高層建筑中最多使用的材料，核心筒+伸臂桁架結構體系是300m以上超高層建筑最常用的結構體系。但是在外框形式上各地區有明顯不同，我國規范對外框所需要承擔的荷載比例要求更高。隨著我國超高層建筑設計實踐，以及與全球的交流日趨增多，或許未來我們將看到超高層建筑更多樣的結構造型與材料運用。