免責聲明：原文章來源DCStructure公衆号，作者：唐波

0概述

近年新建的超高層建築高度主要以200~300m左右為主，本次共收集42個已建及在建超高層結構設計相關資料，共涉及19個城市，最低建築高度179.2m，最高建築高度348m，對200~300m超高層建築進行結構布置複盤。

結構設計的目的就是花最少的錢，做最好的建築，這就要求設計時對結構材料的充分利用，好鋼用在刀刃上，在同等材料用量的前提下，充分利用結構受力原理，提高結構整體效率。

混凝土基本理論的發展也體現了使各種材料充分發揮性能，并相互協同工作的特點：鋼筋混凝土與預應力混凝土之間的區别在于鋼筋混凝土是将混凝土與鋼筋兩者簡單地結合在一起，并讓它們自行地共同工作，預應力混凝土是将高強鋼筋與高強混凝土能動地結合在一起，使兩種材料均産生非常好的性能。從上述結構構件的演化，推而廣之，在結構設計中，隻有當構件越多處于軸心受力狀态，其材料的利用率才可以高，隻有當構件處在合理的布置位置，其對整體結構剛度的貢獻才可以提高，結構經濟性也就越好。

風荷載、地震作用是超高層建築非常重要的外部輸入荷載，通過合理的結構布置，提高整體結構抗風及抗震能力，對結構設計合理性、經濟性都是及其重要的。

1、抗風設計

所有超高層建築基本都受風荷載的影響，風荷載是結構設計的主要控制荷載，因此風荷載的大小對結構的經濟性起着至關重要的作用。風荷載的大小主要與建築的體形、結構的動力特性、大氣風環境以及建築物周邊環境等因素有關。對于風荷載效應，最重要的考慮因素還是結構本身，優化超高層建築的外形、立面開洞以及在場地上的朝向，都會極大地影響超高層建築風荷載大小，并且在強度和正常使用抗風設計工況中顯著減少材料用量。

采用對稱平面可減小風荷載作用下的結構扭轉效應，常用的雙軸對稱建築平面如下圖所示：

典型超高層建築結構平面布置如下：

高層建築的樓層平面采用流線型形狀，可顯著減小高樓的風荷載效應，流線型平面的風荷載體型系數要比帶棱角平面小得多。不同平面形狀的順風向體型系數如下圖所示：

高層建築是否需要考慮橫風向風振的影響比較複雜，一般要考慮建築的高度、高寬比、結構自振頻率及阻尼比等多種因素，一般而言，建築高度超過150m或高寬比大于5的高層建築可能出現較為明顯的橫風向風振效應，并且效應随着建築高度或建築高寬比增加而增加。

超高層建築橫風向荷載往往是主控風載，減小橫風向荷載的一些常用措施如下：

橫向減風措施典型超高層建築如下：

如果條件允許，可通過調整優化建築物平面朝向，使大樓産生最不利氣動響應的風向遠離當地主要的強風方向，從而達到減小風荷載的效果。

建築規範根據曆史氣象數據以及基于理論和試驗的荷載公式确定風荷載，由于風荷載的複雜性，模拟邊界層的風洞模型對于高層結構非常重要。近年來，計算流體動力學（CFD）建模技術廣泛地應用于研究高層建築的抗風性能，但風洞環境中的物理建模是确定一般風效應的最佳方法，通常可以得到最準确的結果，同時，風洞試驗應該考慮現有和未來新建結構的影響。

根據《高層建築混凝土結構技術規程》，房屋高度大于200m或有下列情況之一時，宜進行風洞試驗判斷确定建築物的風荷載：

1）平面形狀或立面形狀複雜；

2）立面開洞或連體建築；

3）周邊地形和環境較複雜；

風洞試驗主要研究内容建議如下：

風洞試驗結果，有條件時，建議考慮風向折減計算結果。

1）高度超限

房屋高度(m)超過下列規定的高層建築工程，屬于超限高層建築：

2）一般不規則超限

同時具有下列三項及以上不規則的高層建築工程，不論高度是否超限，屬于超限高層建築。

3）特别不規則超限

具有下列某一項不規則的高層建築工程，不論高度是否超限，屬于超限高層建築。

4）其他高層建築

建築設計應根據抗震概念設計的要求明确建築形體的規則性。不規則的建築應按規定采取加強措施；特别不規則的建築應進行專門研究和論證，采取特别的加強措施；不應采用嚴重不規則的建築方案。

1）平面布置原則

平面宜簡單、規則、對稱，減小偏心；

應盡可能采用方形、圓形等雙軸對稱的簡單平面形狀；

平面布置應減小扭轉效應的影響。

2）結構平面抗側效率

當平面面積和柱面積之和一定時，各個平面形狀抗剪剛度相同，但平面抗彎剛度不同；随多邊形邊數的增加，平面抗彎剛度不斷變小，三角形抗彎剛度最大，圓形抗彎剛度最小。

相同方形樓層平面，當各平面的柱總面積相同時，柱的不同布置對平面抗彎剛度産生影響。當柱集中布置在4個角點時，平面抗彎剛度最大；而集中布置在平面各邊中點時，平面抗彎剛度最小。

1）立面布置原則

豎向體型宜規則、均勻，結構剛度下大上小；

立面形狀宜采用矩形、梯形或三角形等沿高度均勻變化的簡單幾何圖形；

避免采用樓層平面尺寸存在劇烈變化的階梯形立面。

1）當結構上部樓層收進部位到室外地面的高度H1與房屋高度H之比大于0.2時，上部樓層收進後的水平尺寸B1不宜小于下部樓層水平尺寸B的75％(圖a、b)；

2）當上部結構樓層相對于下部樓層外挑時，上部樓層水平尺寸Bl不宜大于下部樓層的水平尺寸B的1.1倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m(圖c、d)。

2）結構立面抗側效率

當結構高度和立面面積不變時，不同的立面形狀對結構的抗側剛度會産生較大的影響。立面形狀應盡量采用“下大上小”。

建築的高寬比是建築的高度與最小結構寬度的比值，對于超高層建築，充分利用建築物的整個結構寬度是很重要的。

典型超高層建築，高寬比統計如下所示：

超高層建築的高寬比是對結構剛度、整體穩定、承載能力和經濟性合理性的宏觀控制。複盤超高層建築高寬比平均值為5.7，超高層建築高寬比在5~7之間，處于合理範圍，高寬比一般不應超過8，當高寬比超過10以後，結構的經濟性會存在較大問題。

對國内200~300m典型超高層建築進行了研究分析，得出如下結論：

1）合理的結構布置能有效改善超高層建築風荷載，提高整體經濟性；

2）合理的平面布置及立面布置能有效避免不規則程度，提高結構抗側效率；

3）超高層建築高寬比平均值為5.7，高寬比宜控制在5~7之間。

參考文獻

[1]周建龍.超高層建築結構設計與實踐[M].同濟大學出版社.

[2]MarkSarkisian.高層建築設計-以結構為建築[M].中國建築工業出版社.

[3]建築與市政工程抗震通用規範.

[4]超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點.

[5]相關項目資料.

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