超高层结构设计经济性问题研究

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摘要：随着我国对外开放以来，经济得到快速的发展，建筑房地产行业也得到了迅猛的发展。超高层建筑开始慢慢地多起来，超高层建筑开始成为一座城市的地标建筑物。但超高层的结构设计带来很多问题，比如结构设计的经济性问题、结构设计的适用性问题；在市场经济下，超高层结构设计的经济性问题越来越重要，本文就超高层结构设计的相关问题进行探讨和研究，并且提出相应的对应方法。

关键词：超高层；结构设计；经济性

1超高层和结构设计的概述

1.1超高层的基本概述。超高层在以前是指建筑物超过40层或建筑物高于100米就为超高层建筑，但随着世界经济的快速发展，100米以上的建筑物越来越多，使用世界超高层建筑学会指定了的最新标准，建筑物300米以上为超高层建筑。超高层建筑一般周期长、投入资金大，一般超高层建筑物也是一个国家和地区的地标性建筑物。超高层建筑在亚洲最多，其次是欧美国家，世界上比较著名的超高层建筑物有：位于阿联酋的世界上最高的建筑物迪拜塔（哈利法塔迪拜828米）、东京晴空塔（日本，634米）、广州塔（中国，600米）、平安大厦（中国深圳，600米）、广州东塔（中国，530米）。1.2结构设计的基本概述。结构设计分为建筑物的结构设计和产品结构的设计两种，其中建筑结构又包括建筑物上部结构设计和基础的设计。建筑主要分为框架结构、砖混结构、钢结构、轻钢结构等。超高层结构设计的主要内容和步骤如下：①根据建筑设计确定结构体系和主要材料；②做好结构平面布置图；③开始选择建筑材料类型、强度等级等，并根据经验初步确定构件截面尺寸；④建筑物结构荷载计算和各种荷载下的内力分析和研究；⑤建筑荷载效应的组合；⑥构件部件截面设计。还包括一些必要的结构措施。应以结构专业的相关规范和图集为基础。

2超高层建筑结构的经济性简述

超高层建筑设计结构经济是指建筑结构经济。它的内容包括注重经济性的建筑设计（包括范围很广的内容）。在传统的设计中，只有一系列节能措施被重视，如提高建筑材料的保温性能，提高建筑的形状系数，提高建筑材料的气密性。随着社会的发展，人们不仅从结构的角度来考虑生活环境，而且从建筑结构（如空间组织、技术组织、结构设置、能源）的经济角度来考虑生活环境。也就是说，要全面确立经济的原则和方法。经济的目的：建筑结构的经济性，即投资相对较低的成本仪表以获得最快的效果。美国建筑师兼工程师R-B-Fuller提出的“少费多用”的原则是一个共同的原则。“多而不少”的原则是利用有效的手段，以最少的物质和资源进行投资，以最少的费用和服务，尽可能多地获得技术开发效益，以适应社会发展的新形势。在超高层的经济性原则中，经济性的目的考虑比较长远，可能需要等十年甚至几十年的时间才能收回成本。但要在建筑业可持续发展的思想中，这一原则显然是一个重要、有效、经济的方法。

3超高层结构设计的相关问题

3.1超高层结构设计的经济性问题。超高层结构设计经济性问题是结构设计最重要的问题之一，都是希望投入较少的费用，获取更大的效益。影响超高层结构设计的经济性问题主要有工程结构设计投入费用、超高层结构设计的材料、超高层建筑控制荷载。3.1.1工程结构设计投入费用。超高层在结构设计上周期长、投资资金大，所以在结构设计上要求高，请专门的团队完成。比如上海环球金融中心结构设计来自于籁思理•罗伯逊联合股份有限公司（LERA），为钢筋混凝土结构（SRC结构）、钢结构（S结构）。在结构设计上就花费了巨额投资，但如何收回这些成本，也是一个很重要的经济性问题。3.1.2超高层结构设计材料问题。一般超高层的材料都有这些特征：超高层建筑周期长、花费资金大，一般对材料的质量要求很高，一是强度高，耐久性好。它主要体现在用作建筑物受力构件和结构的材料中，如梁、板、框等所用材料。二是绝缘性好、隔声性能好、节能性能好。主要反映在建筑围护材料中，如墙体、门窗、屋顶等部分所用的材料。三是环境适应性广，耐久性好，使用功能适应性强。3.1.3超高层结构设计荷载控制。超高层建筑的荷载不同于其他建筑荷载主要受水平荷载影响，还有动态作用或动力作用的影响，使建筑物结构或结构构件产生不可忽略的加速度。在高空施工过程中，会给建筑结构增加一定的施工荷载，如电气设备的振动、室内大量砂石的放置等建筑材料，使建筑局部的荷载值远远超过允许值和设计范围。3.2超高层结构设计的安全性。由于是超高层建筑，所以建筑的安全性也是结构设计的重点，它不仅关系到投资者利益，也是对人民生命财产安全的负责，也关系到地区城市和国家的声誉，在结构设计上会考虑到地震、火灾、雷电、风速、恐怖袭击以及施工中工人的安全等因素。消防安全也成为结构设计中一个重点。火灾荷载是测量建筑区域内可燃物数量的参数。可燃物完全燃烧产生的热量与建筑面积之比称为火灾负荷密度。其来源主要包括：建筑材料、建筑装饰材料、管道电气设备、办公用品与生活用品等。火灾负荷高的潜在危险因素：一方面会增加火灾温度，另一方面会产生大量烟雾和有毒气体。另一方面火灾负荷越大，火灾后建筑物燃烧所涉及的可燃物越多，燃烧释放的热量越多，环境温度越高。闪络时间越短，对人体的威胁越大。

4超高层结构设计经济性问题策略研究

4.1超高层建筑控制荷载问题的研究。4.1.1竖向荷载组成及优化策略。随着建筑物高度的增加，建筑物的塔壁和塔柱自重的比例会增大，这是由于建筑物塔架横向刚度的原因，另一方面，建筑物楼层恒载的增加导致了较大的垂直荷载；建筑物楼层恒载的比例一般在20%到25%之间，这就更大了；优化楼层恒载不仅可以减轻自身的重量。进一步减小柱、墙的竖向荷载，减小地震作用具有非常大的作用。减轻建筑物塔架重量的方式有：选择比较高强度的混凝土和高强度的钢（减小柱和墙的尺寸）；混合结构系统（钢替换部分混凝土）；使用型钢复合地板系统；使用轻质隔墙（如轻钢龙骨隔断）；以及额外静载荷的减少（如使用轻质的填充材料）。4.1.2风荷载研究和优化策略。风工程研究的主要方法是现场监测，这是研究风荷载最直接、最可靠的方法，但是这种方法周期长、成本高。风洞试验（可以系统地开展研究，但相似性是相关的）不能完全满足；数值模拟是风荷载重要手段和发展方向，成本比较低，而且周期短，但是目前研究取得的进展不大。高层建筑物由于楼层高、风速大、结构比较灵活，易受涡激振动因素引起的横风荷载的影响。当进气道风速增大到某一临界值时，建筑物周围会发生涡脱落，引起涡激振动。通过改变建筑物截面形状、圆弧倒棱、切角和立面开口沿高度的变化，可以降低高层建筑高度方向涡激振动的一致性，降低建筑物的横向风荷载。上海市中心有三种方式：圆弧倒棱、铰链立面和横截面。4.2超高层结构体系框架研究。当结构高度达到450m时，刚度重量比成为无支腿桁架管系中弱框架管的主要控制的重要数值，外框架的梁截面显著加宽。根据我国《高层建筑混凝土结构技术规范》对框架-核心筒体系的要求，外框架抗震剪力标准值不应小于结构底部剪力标准值的10%。由于框筒体系与弱框筒体系柱距较近，框架梁截面较高，外框架刚度较大，地震剪力分布较大，可满足规范10%的要求。对于高屈服E型框架-核心筒体系和巨型框架-核心筒体系的高层建筑，由于框架柱间空间较大，外部框架刚度远小于核心刚度10%的外框剪管-核心筒体系较好：巨型框架-核心筒体系高450m，基本风压为0.6kN/m2，结构在450m以下，基本强度为7（0.1g）时，结构的弹性指标由风荷载控制。当地基强度小于8（0.2g）时，形成地基。当风压为0.40kN/m2时，结构的弹性指标受地震作用控制；当结构高度达到450m时，结构的刚度重量比成为主要控制参数，应设置延伸桁架以提高结构的刚度重量比。当建筑物结构高度超过450m，软弱框架筒体和管内筒体结构体系采用较高截面的外框架梁，钢耗较大，经济性较差；巨型框架结构体系具有良好的力学性能和经济性，超高层结构体系的选择需要综合考虑。因此，在超高层工程规划阶段，结构体系的选择需要及早的干预。4.3超高层结构设计安全性问题的研究。核心是硬件管理好，软件管理好。4.3.1硬件管理。硬件就是不断提高建筑消防科学技术水平。超高层对消防设施要求极高，需要消防设施具有优良的品牌、先进的技术和完善的功能（高层建筑消防设计中三大系统———火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统、消火栓系统功能完善）。4.3.2软件管理。做好防火管理措施和技术措施、安全疏散指示和防火能力培训（教育、培训、考核、检查、整改）。4.3.3预防的基本原则。实现防火自救的最终目标。

5总结

经济性问题在超高层结构设计中起着重要作用，如果结构设计师仍然按照传统的设计方法进行设计，显然会造成巨大的浪费。因此，开展和实现资源的合理配置和利用，节约结构优化设计理念的建设成本势在必行。建筑业的发展也是一项高效、集约的综合系统工程。因此，建筑师应首先从经济的角度出发，具有宏观合理的结构设计理念，合理确定建筑设计标准、经济措施和原则。

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作者:江华 单位:中建华帆建筑设计院有限公司江西分公司