超高层写字楼技术研究及对策

超高层写字楼技术研究及对策〖来源:吴庆元2009年09月21日09:57阅读次数:450〗作为房产开发企业对于开发产品的前期技术研究至关重要，如何以科学务实的精神对待所开发的产品，确保产品定位的准确；使用功能的科学、先进；成本控制的有效、合理，直接关系到项目开发的成败。产品的技术特征更是维持物业产品在中长期保持同类领先水平的重要因素。本文意图通过对近期国内在建和竣工的若干有代表性的超高层建筑的研究和分析，对“珈鼎国际”超高层办公楼的结构体系、电梯配置选择和消防等几方面探讨相应的对策。一、“珈鼎国际”项目简介“珈鼎国际”是珈鼎置业公司将于近期开发的一个大型项目，位于长沙市开福区原湖南新华印刷一厂厂址，南临湘春路，北望留芳岭路，东临芙蓉路，西接蔡锷北路，地块南北方最大尺寸约120m，东西向最大尺寸约370m，拟建设成大型建筑综合体，集超高层写字楼、商务公寓、购物中心、商业街、大型超市、大型地下停车场为一体的综合性商业、商务开发项目，其中超高层写字楼建筑面积约9万平方米，地上54层，地下4层，塔楼平面尺寸45.2×45.2m，塔楼主高度218m，第51层以上附加3层设备层，结构总高230m。地下室埋深约17m。裙房平面尺寸92×50m，裙房5层。二、结构体系研究和分析（一）案例研究：1.广州珠江新城西塔：用途为写字楼、酒店，主塔楼面积约25万m2，103层，高432m，高宽比6.9—6.9。平面为圆角等边三角形，70层以下为写字楼，以上为酒店和公寓。塔身沿竖向在中部略为外鼓。采用混合筒中筒结构，钢筋混凝土内筒为不等边六角形，70层以上取消全部内墙而形成酒店的中庭。外筒为新型的钢管混凝土棱形斜交网格筒。楼盖采用钢梁和钢筋混凝土板。2.广州珠江城：用途为写字楼。主塔楼面积约21万m2，71层，高309m，高宽比8.4，平面为微弯曲长方形。结构采用钢筋混凝土——钢混结构，内筒为钢筋混凝土，外周为钢框架，由于内筒短向尺寸小且外框架柱两道内收，造成短向抗侧力能力不足，为此采用了两种措施，其一是加设两道伸臂桁架并利用之以解决外柱内收的连续问题，其二是在短向两侧各设一榀带巨型交叉支撑的框架。3.天津津塔：用途为写字楼。主塔楼面积约20万m2，75层，高333m，高宽比约8。平面为椭圆形，周边成锯齿状，平面沿竖向逐步收小。结构体系为框架由于短向刚度比较单薄，因而设置了4层伸臂桁架及相应的腰桁架。4.广州合景大厦：用途为写字楼。总建筑面积约11万m2，楼高41层，高178m，正立面幕墙高出屋顶20m，高宽比6.3。采用钢管混凝土柱钢梁框架——钢支撑结构，钢梁和钢筋混凝土板组合楼盖。由于钢框架筒偏置，通过强化筒内侧一边刚度和弱化外侧一边刚度，另在平面长向两端框架的中间跨加设每4层一道的交叉支撑以解决扭转问题。（二）案例分析：从以上几个案例可以看出，当前超高层建筑的结构形式体现出以下一些发展趋势。1.多种结构形式同时使用由于建筑规模大，形式变化多样，单一的结构体系如框架结构，剪力墙结构或筒体结构等往往已不能满足结构布置和受力的需要，因而一般都同时使用多种结构形式，或者在常用结构形式上补充其他结构，将之组织成整体，共同受力。例如，广州合景大厦在钢管混凝土柱框架的基础上，在不同部位加设斜支撑和交叉支撑；天津津塔在钢管混凝土柱框架的部分跨内填充钢板组成带边框钢板剪力墙等等。此外，也常常加设伸臂桁架和腰桁架来加强结构。不同的结构采用不同材料，由于同时使用多种形式的结构，因而形成同一栋建筑同时使用多种材料，成为混合结构，一般是同时使用钢筋/型钢混凝土和钢的居多。2.使用强大的抗侧力结构规模大特别是高度高的建筑，对结构的抗侧力能力要求也高，因而随之出现了一些抗侧力能力很强的结构形式。例如，广州西塔的外筒，它是由钢管混凝土柱斜交组成的网格筒体。一般框架结构主要是通过构件的抗弯能力来抵抗侧力，加上它是由轴向强度很高的钢管混凝土组成的，因而这种网格筒具有强大的抗侧力能力，同时它还具有很强的抗扭能力，因为它也是通过轴力来抗扭的。桁架具有比框架较好的抗侧力能力，尺寸巨大且杆件粗大的桁架就具有强大的抗侧力能力。这种结构也被用于超高层建筑的结构中。例如，广州珠江城在其长向两侧各设一榀覆盖整个侧面的巨型斜撑框架，解决了整体结构短向的抗侧力问题；广州合景大厦也在两侧面的框架中加设了交叉支撑来加强整体抗侧力能力。设置于平面两侧的强大抗侧力结构，同时能增强整体结构的抗扭能力，用这种措施解决了内筒偏置而产生扭转的问题。3.传统结构形式的变形由于建筑形式的多样化，往往需作必要的变化才能配合建筑的需求。核心筒仍然是较多使用的结构。对于一般建筑，它通常是形式沿高度不变，仅截面逐步收小。但有些高度较大的建筑，由于建筑沿竖向划分功能段或逐步改变平面形状，就使得核心筒需要随之变化，因而往往出现分段变化的核心筒。例如，广州西塔下段为写字楼，具有完整的核心筒，但上段是酒店，核心部分改为高大的中庭而取消所有筒内墙；上海金茂大厦也有此情况；上海环球金融中心随着建筑平面逐步收缩，核心筒从下而上由方形变为六角形再变为狭长六角形。又如，高宽比较大的高层建筑常用伸臂桁架，它原来的功能是加强抗侧能力减小水平位移，但有时却被同时或单独用来作结构转换或者装置粘滞阻尼器之用；广州珠江城就是用伸臂桁架来转换外框柱内收的竖向连续问题。4.结构构件有相应的进展为了适应新的结构形式，相应地也发展了一些构件。使用最多的是钢管混凝土，这种结构较早时已有应用，由于它具有强大的抗压能力，主要用于柱。近来使用更为普遍，而且不仅用于柱，还用以组成新的结构形式，或用作某种结构的杆件。例如，珠江新城西塔的外筒就是用钢管混凝土作为构件组成的；广州新电视塔也采用钢管混凝土斜柱；天津津塔和合景大厦用的都是钢管混凝土柱和钢梁组成的框架。另一种较新的构件是钢板剪力墙。例如，天津津塔平面中央竖向交通部分用的是钢管混凝土柱和钢梁组成的框架，在短向各榀和长向框架部分跨内填充钢板成为带边框钢板剪力墙。这种剪力墙不参与承担重力荷载，仅通过斜向拉力承担水平剪力。钢板剪力墙比钢筋混凝土剪力墙重量轻，占用面积小，抗剪能力强，但要通过节点设计或施工措施来解决不承担重力荷载问题。组合构件也比较多用。包括压型钢板与混凝土的组合楼板、钢梁与混凝土楼板的组合梁等。钢筋混凝土结构中，当某部位受力很复杂而不好布置钢筋时，也会用钢板代替钢筋通过栓钉与混凝土构成组合结构，为了提高钢筋混凝土柱的轴向承压力而在其内设置钢管混凝土芯柱等。5.节点形式和构造趋于复杂由于结构复杂，而且往往使用不同材料的构件，再加上建筑设计要求的提高，使节点变得越来越复杂。特点之一是，相交于同一节点的构件数量较多，而且往往是不同材料的构件；特点之二是，由于结构设计控制整体工作状态的需要而规定节点的工作性能，如刚接、铰接或滑动等；特点之三是，设计中考虑使用或美观的需要而对节点的外形有所限定，使节点设计受到相当的约束。上述的特点加上节点设计必须遵循的原则造成节点设计的难度增大。（三）“珈鼎国际”项目的结构体系对策：1.结构体系在6度区，框架——剪力墙结构体系较多适用于160m高层建筑；框架——核心筒结构体系适用于210m高层建筑；筒中筒结构体系适用280m高层建筑。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002，抗震设防B级烈度为6度的框架——核心筒结构体系，B级高度钢筋混凝土高层建筑最大适用高度为210m。综合考虑，“珈鼎国际”超高层办公楼结构体系适合采用框架——核心筒——伸臂结构体系，属于B级高度超限高层建筑。“珈鼎国际”平面布置比较规则、对称，竖向抗侧力构件上、下贯通，核心筒分三级向里收缩，竖向刚度有突变。从结构体系的经济合理性来看，“珈鼎国际”目前的定位和平面功能布置是非常合理的。2.加强层的设置设置加强层位置和数量要合理有效。当布置一个加强层时，位置可设在0.6H附近；当布置2个加强层时，位置可在顶层和0.5H附近；当需要布置3个加强层时，位置可在竖向均匀设置。“珈鼎国际”可利用建筑避难层或设备层设置3个加强层，加强层伸臂和窗裙梁可采用普通钢筋混凝土大梁，伸臂梁底满足建筑高度要求。3.水平构件楼盖结构形式有钢架+压型钢板复合楼板、钢梁+普通混凝土楼板和普通混凝土梁板结构。普通混凝土梁板施工技术要求低，混凝土用量差别不大，成本较低。“珈鼎国际”可以采用普通混凝土梁板结构。4.竖向构件“珈鼎国际”可以采用钢筋混凝土实腹筒体。钢筋混凝土实腹筒体刚度大，适合承担大楼大部分剪力和倾覆弯矩。外围框架拟采用圆形或矩形钢管混凝土柱，这两种形式柱造价较低，占用建筑空间较少，施工技术要求比较低。5.基础形式超高层建筑竖向荷载大，水平作用大，竖向和水平方向变形较大。因此，基础形式必须保证满足足够的强度，合理的刚度和变形及抗倾覆要求。“珈鼎国际”基础根据地质情况，经技术经济分析比较，可以采用底板+桩基础形式。三、电梯配置调研和分析（一）案例研究：1.超高层写字楼电梯可分成以下几类：（1）高区办公专用电梯（2）中区办公专用电梯（3）低区办公专用电梯（4）消防电梯（兼货运电梯或VIP电梯）（5）地下室短程接驳电梯2.电梯的配置标准：电梯的配置是衡量写字楼等级的硬性指标之一，直接关系到入驻客户的办公效率和对写字楼的满意程度。与电梯配置有关的因素包括：建筑种类及用途、电梯服务楼层数、楼层高度、电梯的行程、入口楼层、每层人数。电梯配置的甲级评价标准：每部电梯服务的办公面积约5000平方米（或3层/台），平均候梯时间约40秒钟，电梯5分钟载客率在11%—15%之间。平均候梯时间和5分钟载客率是最重要的两个参数。办公建筑的电梯主要是满足上行高峰，一般来说，如果能够满足上行高峰，那么就具备午餐时间和下行高峰1.2到1.8倍的处理能力。3.调研中国部分城市大厦电梯配置情况如下表：建筑名称地点高度/层数平面形状建成年电梯/扶梯（台）最高速度（m/s）电梯制造商1金茂大厦上420/88方形199861/19.0三菱海82地王大厦深圳325/81矩形199657/125.0三菱3中信广场广州322/80方形199751/126.0日立4赛格广场深圳292/72八角形199816/167.0奥的斯三菱5上海交银金融大厦上海230/55直角梯形199823/45.0三菱6世界贸易广场武汉229/58方形199817/266.0奥的斯7上海浦东国际金融大厦上海226/56弧形199825/76.0三菱8恒隆广场上海288/63弧形200037/297.0迅达9荣超经贸中心深圳216/52方形2006176.0奥的斯10中航广场深圳221/48橄榄形200922/47.0奥的斯11深交所广场深圳243/47方形2010489.0奥的斯12长沙泰贞广场长沙210不规则矩形201022待定待定（二）案例分析：综合以上案例电梯数据及技术状况，我们可以得到以下几方面的结论：1.OTIS、迅达、蒂森、通力、三菱为全球电梯行业五强企业，以北京为例，北京甲级写字楼配备电梯的品牌多集中在三菱（Mitsubishi）、奥的斯（Otis）、日立（Hitachi）、迅达(Schindler)、富士达（Fujitec）、蒂森克虏伯（ThyssenKrupp）、通力（Kone）等进口品牌。日本三菱、美国奥的斯和日本日立三大品牌占据了整个市场的2/3。从目前几大厂商的情况来看，安装质量决定了电梯运行质量，由于所有电梯企业的安装都属于分包性质，所以选择合作伙伴非常关键。2.目前主流电梯采用VVVF或永磁同步技术。进口电梯的任何品牌都是全球采购，其钣金部分基本都是国产，包括轿厢、轿厢门等，如原产三菱其轿箱都是在上海三菱生产；进口的只有轨道、电引机、控制箱。3.有的电梯（迅达）有层选择功能，即在首层按下自己要到达的楼层，会得到选择哪部电梯的指示。但应用很少，原因在于：乘客一般不习惯，需要学习；万一上错梯则不能到达目的楼层，且没有修正机会。4.双层轿箱电梯的应用：必须在1、2楼分别设单、双层大堂，之间用扶梯联系。优点：减少梯数，减少井道；平均运行时间与单层电梯比差不太多但运力倍增