矩形內核心筒外鋼框架的400 m級超高層建筑關鍵建造技術研究

張 弛

(上海建工二建集團，上海 200080)

0 引 言

一個優秀的超高層建筑，不僅需要滿足審美的要求，與周邊環境和諧，也需要在功能、空間、使用和體型等諸多要素上統一[1]。

目前，超高層建筑的結構材料仍主要是鋼筋-混凝土，但建筑的功能從單一體趨向于綜合體。高度在250 m以上的超高層建筑主要有四種結構體系：框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒，以及巨型框架-核心筒-巨型支撐。高度在250～400 m的超高層建筑主要有兩種結構體系：框架-核心筒和框筒核心筒。而高度超過400 m的超高層建筑的結構體系主要有巨型框架-核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撐。

我國在超高層建筑領域取得了舉世矚目的成就，但過快的發展與科技創新，也暴露了一些創新管理過程中的問題：首先是成本過高；其次是后期維護、消防以及電梯的使用上問題較多，安全隱患多，費用高，風險高；再次，過于復雜的截面設計和過高的樓層給以后的拆除增加難度。因此，我國已于2020年9月頒布了限高令。中國建筑科學院報告顯示，未來五年(“十四五”期間)甚至更長時間內，暫時沒有超過500 m的超高層建造申報。諸多原設計500 m以上的超高層建筑因被限高而降低了設計高度。未來，超高層建造領域將更關注既有建筑的改造更新和功能的提升，比如減隔震技術在超高層建筑改造中的應用，以及拆樓機在超高層建筑降高中的應用等。

因此，400 m級的內核心筒外框架超高層的研究，將很可能更關注于合理高寬比的確定、剪力的合理分配，以及核心筒的優化設計與結構優化等。具體的技術研究方向有：氣動化技術研究、風振控制技術研究[2]、耗能減震技術研究、高性能材料的應用研究，以及數字化建造技術的應用研究[3]。以氣動化技術研究和數字化建造技術研究為例：氣動的優化主要包括平面外形優化(輪廓優化、角部修正)[1]、建筑物外形優化(錐形化立面、階梯縮進平面、隨高度漸變)、局部形態修正(附加開洞、附加擾流翼、塔冠形狀)等；數字化建造研究包括建筑造型與結構設計、復雜設備層的協同設計、鋼構件的設計與深化加工等。

目前，高度級別上的超高層建筑的破壞主要還是在核心筒部分，外鋼框架結構表現良好。外鋼框架是建筑工業化的典型成果，連接形式多樣穩定，輕質高強，是建筑裝配式的典范。相應的標準節與特殊節的安裝也可以通過提前設計與制作達到很好地協同工作的效果[4]。

1 工程概況

本工程主樓高400 m，外立面為玻璃幕墻裝飾，平面的截面形式為矩形，結構形式采用內核心筒外鋼框架，核心筒采用框架-剪力墻鋼筋混凝土結構，豎向支撐采用內嵌勁性H型鋼骨柱的柱-墻體系，橫向鋼梁樓層板，采用樁筏基礎，分區施工。

2 主體結構

該超高層建筑采用鋼管混凝土柱外框-混凝土核心筒體系。外框柱采用型鋼混凝土柱，外框柱距為2.9～3.8 m，外框柱與核心筒距離為10.0～13.5 m，外框梁采用型鋼梁，樓板采用桁架板-混凝土組合樓板。核心筒面積為866.6 m2。該超高層建筑主體結構信息見表1。

表1 該超高層建筑主體結構信息

地上塔樓標準層層高為4.4 m，如圖1～圖4所示，外框架采用密集柱形式，異型截面，共48根鋼柱，84根鋼梁，核心筒內共56根鋼骨柱。

圖1 外框鋼柱分布圖

圖2 幕墻分段系統

圖3 辦公塔樓標準層結構軸測圖

圖4 核心筒鋼骨柱分布示意圖

3 基坑與圍護

如圖5～圖8所示，主樓工程樁采用φ1 200抗壓工程樁，一部分樁端進入中風化泥巖9 m, 一部分樁端進入中風化細砂巖3.5 m，總樁數為331根。裙樓工程樁采用φ700鉆孔灌注樁(其中含部分樁端后注漿)，樁長不小于25 m ，樁端持力層到5-3層細砂層，總樁數為4 770根。采用樁筏基礎，承臺厚度1.8～3.4 m。

圖5 分界支撐

圖6 圍護與地連墻

圖7 圍護支撐與棧橋

圖8 基坑支護

4 總結與展望

4.1 總結

采用矩形截面的400 m級的超高層建筑的結構合理，高寬比適中，內部空間利用率高，結構高度適中。自下而上，質量、剛度、強度分布均勻。內核心筒外鋼框架的形式，通過核心筒內嵌勁性鋼骨柱增加整體性與穩定性。樁筏基礎設計形式靈活，可將主樓與裙樓樁基有效區分，承臺統一，設計合理且經濟效果好。

4.2 展望

未來，隨著超高層建筑領域的新政的推行，相關超高層的研究，勢必將更注重于使用率、功能性、空間利用和體型的研究。未來超高層建筑研究的創新點可能在于：設計業主需求的合適建筑層高、環帶桁架體系的創新、鋼板混凝土組合剪力墻、樁與筏板基礎、高強材料、柔性懸掛幕墻，以及電渦流的TMD的應用等領域。目前超高層建筑發展的特點是建筑功能多樣化、結構體系更為完善、結構材料更為豐富。

近些年，數字化進程加深了包括PKPM-BIM自主平臺在內的適用于超高層建造設計與結構受力分析的軟件和平臺的發展。智能化技術(BIM技術)也已應用到圖紙審查中，首先在湖南省試點。此外，碳纖維等新材料、結構的抗風技術以及建筑節能技術等，將仍為發展的熱點與方向。