超高层结构秘典之六脉神剑

 

少商剑

全钢筋混凝土结构

优势：结构刚度大，风荷载下侧移较小;节点简单，造价较低，施工作业面及塔式起重机的使用率要求不高。

劣势：结构自重大，地震作用增加明显;柱截面占比高，减少了建筑使用空间;施工速度较慢，每层施工时间平均比钢结构多约1.5~2d，约为6.5~7.5d。

商阳剑

型钢混凝土柱+钢筋混凝土核心筒

+钢筋混凝土楼盖

优势：延性好，抗震性能优于混凝土结构;柱截面较混凝土减小约30%~40%，造价低于钢管混凝土柱。

劣势：柱截面较大，占用较多建筑空间;节点较复杂，通长钢筋的施工难度较大，施工质量较难保证;造价略高于钢筋混凝土结构。主体施工周期相对钢管混凝土外框结构长约1~2个月。

中冲剑

型钢混凝土柱+钢筋混凝土核心筒

+型钢混凝土楼盖

优势：结构延性较好，抗震性能较优，施工速度快，平均4d一层。

劣势：型钢梁对施工技术要求较高，钢骨梁柱一般需要现场预拼装，对施工单位的管理和技术水平提出更高要求，同时需要更大的现场施工堆放区域，对塔吊的使用率要求更高。

关冲剑

矩形钢管混凝土柱+钢筋混凝土核心筒

+钢筋混凝土楼盖（或钢梁与压型钢板楼盖）

优势：结构延性好;柱截面略小，结构刚度较圆钢管柱好;梁柱节点简单易施工，施工速度快。

劣势：相对圆形钢管竖向承载力较弱，截面较大时，为防止屈曲，需要设置加劲或约束拉杆，矩形钢管管壁较厚;因而工艺较复杂，不易加工，用钢量多，需要防锈、防火处理，造价较高。

少冲剑

圆钢管混凝土柱+钢筋混凝土核心筒+

钢筋混凝土楼盖

（或钢梁与压型钢板楼盖）

优势：外框钢管柱由于钢管的套箍作用，极大提高混凝土的抗压强度，同时结构延性好;柱截面较小，增加建筑使用面积;工艺较简单，框架节点成熟可靠，施工速度较快。

劣势：梁柱节点相对普通混凝土结构复杂，采用高强度混凝土对混凝土要求提出了严格要求，同时现场混凝土的浇捣要求更高，需要进行防火防锈处理，造成因涂刷防火涂料，造价高于型钢混凝土。

少泽剑

钢管柱（型钢柱）+钢筋混凝土核心筒+

加强层（水平伸臂桁架）

优势：有效减少结构侧移，增大结构抗侧移刚度。利用避难层或设备层设置水平加强层，有效解决了建筑空间问题，提高净面积、毛面积。设置加强层与未设置加强层的结构相比，混凝土用量节约12%左右。

劣势：结构刚度发生突变，加强层区域抗震等级提高，节点处理较困难，成本上升;伸臂桁架的设置不合理会造成建筑空间使用不合理，伸臂桁架会造成施工周期增加，约增加25d左右/道。

　　高度和高宽比是超高层结构设计的主要控制因素，也是决定结构刚度的重要指标；基底倾覆力矩与建筑高度的平方成正比；建筑顶部侧移与建筑高度的四次方成正比，并按结构宽度的三次方递减。高宽比直接与超高层结构的受力性态相关：高宽比5，弯曲变形为主；高宽比>9，塔楼风荷载下加速度较大， 舒适度需要重点考虑。超高层结构由于占地和功能的限制，基底尺寸通常不会过大，一般为60~80m左右，因此，对于超过400m以上超高层，高宽比一般为7~9。 当高宽比超过8时，通常外筒设计为巨型框架或巨型支撑框架（框筒），有效提高结构的抗侧刚度。当高宽比超过8时，横风向效应显著增强，在8度设防以下地区，风荷载通常成为控制因素。

　　对于常规的框架-核心筒结构体系，核心筒承担着大部分剪力和倾覆力矩，故核心筒高宽比也是一个重要参考因素。但对于超高层而言，巨型框架、支撑框筒等高度更大的外框结构常常取代了一般框架，因此，核心筒的承担剪力和倾覆力矩比例会降低。
核心筒面积比例指核心筒的围合面积占楼面面积的比例，是另一个重要参考指标。围合面积比例27%，核心筒刚度较大，承担剪力和倾覆力矩比例大幅提高，应尤其注重核心筒的性能化设计及二道防线设计。

　　从结构经济性角度出发，350m高度选择框筒-核心筒体系较优； 450m高度选择巨型框架-核心筒体系较优；对于450m以下的超高层建筑：当结构处于基本烈度7度（0.1g）、基本风压0.6kN/m2时，结构弹性指标受风荷载控制；当结构处于基本烈度8度（0.2g）、基本风压0.40kN/m2时，结构弹性指标受地震作用控制；当结构高度达到450m时，结构刚重比成为主要控制参数，宜设置伸臂桁架以提高结构刚重比；当结构高度超过450m时，弱框筒和筒中筒结构体系采用外框梁截面较高，导致用钢量较大，经济性较差；随着结构高度增加，巨型框架结构体系表现出良好的受力性能和经济性；超高层结构体系选型需要综合考虑结构经济性、施工的可行性及周期、建筑功能与景观的影响，因此，结构体系选型需要在超高层项目方案阶段尽早介入。