超高层公建结构方案设计要点探讨
时间：2023-04-09 10:35:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘利艳，阙德兴
（1、广州市设计院集团有限公司 广州 510620；
2、华南创图设计有限公司 广州 511300）
随着我国经济和科学技术的发展，超高层建筑逐渐盛行，作为现代城市中的地标，超高层建筑已表现出非凡作用，成为国家、民族以及城市经济崛起的象征。而其中超高层公共建筑所占比例较大，在各大城市的中央商务区树立了地段的标志和城市的形象。超高层公共建筑一般具有业态多、构造复杂、涉及专业系统多而杂，与多层建筑、高层住宅等相比较，结构设计占有更重要的位置，不同的结构选型和结构布置直接关系到建筑平面布置、立面体形、楼层高度、机电管道设置、施工技术要求、工期长短和投资造价高低等，有必要对结构方案设计要点进行单独的探讨。
1.1 结构体系
1.1.1 结构体系的影响因素
结构体系直接影响到建筑的经济合理性，是项目控制成本的重点，所以选择合适的结构体系就显得尤为重要［1-2］。目前超高层公共建筑结构体系，主要根据建筑高度、不同的抗侧力结构对水平荷载效应的适应性等进行分析比较，结合本工程的建筑平面特点、功能业态等情况，并考虑抗震设防烈度、结构侧向刚度、舒适度等因素［3］，多方案比选以确定经济合理的结构体系。
1.1.2 结构体系的选择
通常情况下，超高层公共建筑可选用的结构体系有框架-剪力墙结构、剪力墙结构和框架-核心筒结构（带或不带加强层）、筒中筒结构（带或不带加强层）、巨型框架-核心筒结构等。不同结构高度的结构体系选择如表1所示，可为类似项目提供参考。
⑴剪力墙结构通常用于住宅建筑中，但超高层公共建筑的公寓业态一般宜优先选用剪力墙结构，以更好地实现建筑使用空间，避免房间露柱；
若对建筑功能有影响时，则通常采用框架-剪力墙或框架-核心筒结构。
⑵选取框架-核心筒或筒中筒结构体系时应注意，若核心筒角部开洞，筒体内壁至洞口的距离不应小于500 和墙厚较大值［4］，如建筑功能影响导致无法满足，一般宜修改为框架-剪力墙结构或剪力墙结构。
⑶框架-核心筒结构是超高层建筑中最常用的结构体系之一［5］。一般情况下，建筑高度超限不大、体型较好时，应优先选用框架-核心筒结构或者筒中筒结构，在经济上会占有优势。若建筑体型复杂、高度超限较大，常用结构体系的结构构件尺寸影响建筑功能或外框柱数量对建筑有一定影响时，结合功能布局和结构受力要求，通常考虑采用巨型框架-核心筒结构［6-8］。
⑷框架-核心筒结构、筒中筒结构或巨型框架-核心筒结构需要设置加强层时，应进行加强层的敏感性分析。一般情况下，从对建筑外立面的影响及经济角度考虑，若加强层只设伸臂能够满足结构设计要求，则不设环桁架（巨型框架-核心筒结构除外）。若必须同时设伸臂桁架和环桁架，应对伸臂桁架和环桁架按不同位置、不同数量的各种组合的敏感性分别进行对比分析［9］，找出最优组合。
1.2 楼盖体系
一般根据结构体系、结构高度的不同，可选择钢筋混凝土楼盖或钢梁组合楼盖。当采用钢筋混凝土梁或者型钢混凝土梁时，一般选用钢筋混凝土楼板。当采用钢梁时，可进行钢筋混凝土楼板、压型钢板组合楼板和钢筋桁架组合楼板等不同楼盖体系的可行性、经济性对比分析后选取。不同结构高度的楼盖体系选择如表1所示，可为类似项目提供参考。
表1 不同高度建筑结构体系和楼盖体系选择Tab.1 The Selection of Structure System and Floor System for Different Height
1.3 高宽比分析
结构体系确定后，在建筑方案概念阶段，一般尚应根据建筑体型、体量进行结构方案可行性的初步判断。结构方案的可行性初步判断，可从结构高宽比和核心筒高宽比入手。
结构高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载力和经济合理性的宏观控制，在结构设计满足规定的承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后，仅从结构安全角度讲高宽比限值不是必须满足的，主要影响结构设计的经济性。在同一设防烈度下，结构体系相同时，建筑的高宽比越大则其经济性越差，经济合理的结构高宽比可按文献［4］的最大高宽比参照判断。核心筒的高宽比直接决定了整个结构抗侧能力，一般核心筒高宽比通常为10～12 的情况下，筒体的结构层间位移就能满足规定，超高层的结构效率较高。
对于常规办公类超高层，由于办公人数较为密集，根据竖向交通计算，其本身所需的交通核较大，较容易或基本满足核心筒的高宽比要求。但对于公寓类的超高层来说，由于建筑平面扁平、核心筒占比小等原因，导致核心筒高宽比经常超过规范限值［10］。因此建议当结构高宽比或核心筒高宽比超出限值20%以上时，应初步建模试算确定可行后再深入方案设计。
2.1 外框柱或斜撑
框架柱一般采用钢筋混凝土柱，建筑高度较大、柱截面影响建筑功能时可选用钢管混凝土柱或者型钢混凝土柱。斜撑的形式一般有十字交叉斜撑、单斜撑、人字形斜撑、V 字形斜撑等。一般情况下，建筑外立面不允许有斜撑。当结构刚度不足，确需增加支撑提高结构刚度时，应选取最有效、对建筑立面影响最小的布置方式。
框架柱的位置，一般宜在有建筑隔墙的位置、次要房间的角部。框架柱的柱距一般为7～12 m，宜为8～10 m；
框架-核心筒结构外框柱到核心筒的常用距离为9～13 m，宜为10～12 m。外墙采用玻璃幕墙时，外框柱到幕墙外边的距离，不应小于幕墙的安装尺寸要求。建筑功能一般要求首层大堂应避免主要的电梯厅正对着外框柱。
特殊情况下，建筑从景观视野出发，会要求办公、公寓业态的平面角部无柱，此时应论证无柱方案的可行性，除计算指标外，根据经验应特别关注超限专家注重的外框架的封闭性、外框柱是否与核心筒有可靠连接等结构概念可行性问题。
2.2 核心筒或剪力墙
剪力墙一般采用钢筋混凝土剪力墙，建筑高度较大时可选用内含型钢的剪力墙或钢板剪力墙。
剪力墙布置时，应尽量避免布置短肢剪力墙和一字型剪力墙，当建筑平面出现上述情况时，短墙肢可通过直接取消或调整设备管井、楼梯间门洞位置的方式优化，一字型剪力墙可利用建筑隔墙增设翼墙提高其稳定性。剪力墙开洞时，需尽量远离转角、纵横墙相交处断开或开洞，避免上下错洞，上方洞口边线一般不宜超出下方洞口的范围。
核心筒电梯、楼梯较多，当两边都是楼梯间或电梯井时，较多楼层没有楼板约束时，为避免稳定性超限问题，应避免布置剪力墙，电梯与电梯之间做成通井道；
如必须设置时一般通过增加翼墙等措施控制其水平无支长度，或者将梯板钢筋锚入剪力墙减少其竖向无支长度。
2.3 框架梁和次梁
框架梁或次梁一般采用钢筋混凝土梁，跨度较大时可选用组合钢梁或型钢混凝土梁。
框架梁和次梁宜通过调整结构布置或建筑布局避免支承在核心筒连梁或剪力墙连梁上。外框柱之间一般情况下需有双向的梁拉结（局部2～3层通高除外），且外框柱与核心筒应通过梁建立必要的连接。无角柱平面，框架梁是否需要封闭，建议根据建筑功能、结构计算分析结果和超限专家咨询意见确定。
主要功能区的次梁按单向次梁结构布置经济性较佳，公寓、酒店楼层宜沿隔墙布置，办公等其它楼层宜视跨度大小2～4 等分布置。两层通高的大堂和电梯厅位置，建筑一般要求二层架空范围内及外框柱位置不设梁，以免影响建筑效果和使用净高。
2.4 楼板
一般情况下，当采用钢筋混凝土梁或者型钢混凝土梁时，楼板选用钢筋混凝土楼板；
采用钢梁时则选择压型钢板（开口型、闭口型）组合楼板或者钢筋桁架组合楼板。
楼板厚度一般按跨高比30～40 预估，跨度小时取小值，跨度大时取大值，边界条件差时取小值，边界条件好时取大值。普通楼层楼板板厚一般核心筒外取值100～120 mm，核心筒内取值120～150 mm；
当设结构加强层时，加强层的板厚一般取值180～250 mm。有声学设计要求或其它专业特殊提资时，楼板厚度尚应满足各顾问和专业的相关要求。
3.1 核心筒周边楼板不连续问题
核心筒位于建筑的中央部分，是超高层建筑的中心受力构件，并提供垂直及水平交通、安全疏散，各类公共服务性功能，核心筒的布置形式多样［11］，典型平面一般形成四横四纵九宫格，如图1 所示。但建筑方案有时为提高核心筒利用率，核心筒方案会设置较多外挂管井，如图2所示，此种情况下需注意以下两点：
图1 核心筒典型平面Fig.1 Typical Plan of Core Tube
图2 带外挂管井的核心筒平面Fig.2 Plan of Core Tube with External Tube Well
⑴ 外框柱和剪力墙之间的结构梁宽会影响管井有效大小，需与设备专业配合，考虑结构梁的影响保证设备管井尺寸满足规范要求及正常使用要求。
⑵尤其会影响核心筒与外框之间水平力的有效传递，导致结构方案概念上不成立而无法通过结构超限审查，且可接受程度根据项目地不同也不尽相同。根据经验，多数情况下，沿核心筒边长的开洞宽度不超过核心筒边长的1/2 为楼板连续的最低要求，供类似项目参考。
3.2 竖向构件不连续问题
超高层公共建筑一般含公寓、办公、酒店等多业态，建筑下部为各业态大堂，下部结构柱距布置需满足建筑立面要求，而上部建筑功能、开间不同或建筑立面有收进要求，导致上下结构柱无法对齐，为与建筑功能的开间、幕墙的分隔配合，需在“结构体系合理高效”与“满足建筑功能和外观”两者之间协商一个平衡点。通常利用避难层以斜柱转换过渡是对结构来说较为理想的处理方式，建筑不能接受斜柱影响或斜柱角度过大无法有效传力时，可在避难层设置水平转换构件实现转换。
建筑方案还会出现上部楼层所需的核心筒尺寸比下部楼层小的情况，建筑此时会从经济适用角度考虑收筒以增大建筑可使用面积，造成上下剪力墙错位。在结构方案设计中，为避免直接收筒导致上下层结构刚度突变的不利影响，斜墙转换已成为目前较为常用的处理方式。在实际工程中，建议根据项目的具体情况分析斜墙转换的可行性，包括斜墙区段周边楼板的受力分析和加强措施、当地斜墙施工工艺情况、斜墙周边管井处理等。
3.3 净高分析
合理的层高，主要考虑建筑功能需求、设备管线需求、结构构件高度需求三者的平衡，尤其是避难层（加强层）受建筑面积计算规则的影响，需在界限层高内选择合理的结构形式。
一般楼层的核心筒外墙连梁由于刚度要求梁高会较大，加之核心筒设备机房走管线需要，难以满足净高要求，此种情况下结构梁通常按双层连梁考虑以最大限度提高核心筒周圈走道、公共电梯厅的净高。外框柱与核心筒的梁跨度相对较大，按常规设计难以满足建筑净高，通常可采取的措施如下：主管线位置梁做变截面留出走管空间、次要管线穿梁板或平行梁板布置、优化管线布置、根据建筑功能的档次压缩净高等措施，对于局部楼层的大跨度位置（例裙房宴会厅、功能厅等）尚可采用桁架梁形式，桁架出管留洞，设备管线穿桁架，从而满足建筑净高。
当计算需要需设置加强层时，首先应从经济合理的角度出发，尽量减少加强层层数的设置，其次，结构加强构件（伸臂桁架、环桁架等）的选择尚需考虑层高、设备机房、擦窗机、通风百叶等因素，在界限层高范围内选择合适的加强层数量及加强构件组合，以满足建筑净高的要求或尽可能提高使用净高。
3.4 塔冠结构
塔冠作为超高层建筑顶部上的一种围护结构，不仅功能及形状各异，其本身所处高度也达到几十米，风力对塔冠结构作用效应较大，需对其进行专项设计及分析［12］。塔冠设计时应先划分塔冠部分幕墙设计和结构设计的界限，在满足建筑效果的情况下确定塔冠结构布置。塔冠结构主要由幕墙立面支撑结构、中部支承框架和屋面支撑系统组成，幕墙立面支撑结构通常尽量直接支撑在主体结构上，传力明确，经济合理；
若无法满足要求，则需根据幕墙单元板块、大屋面支撑条件及建筑要求另外设计支撑结构。塔冠结构设计尚应结合救援直升机坪、擦窗机轨道系统、外立面效果、屋面设备布置等诸多因素统筹考虑。
基于过往参与的超高层公建项目，对其从结构体系、楼盖体系、高宽比、结构布置原则及常见问题处理等方面进行了探讨和归纳总结，可供超高层公建项目结构方案设计参考。
⑴在结构设计之初，应选择合理的结构体系和楼盖体系，并根据结构高宽比和核心筒的高宽比初步判断结构方案的可行性。
⑵结构平面布置时，外框柱、核心筒、框架梁及楼板可根据项目情况选择合适的形式，并符合相关的原则。
⑶在结构方案设计过程中，应注重与建筑、设备、幕墙等其它专业的配合，在平衡各专业要求的条件下做到结构合理、高效。
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