高层建筑

高层建筑高层建筑发展概况古代建筑高度记录的保持者，主要是服务于王权的高大建筑；中世纪是寄托着人们信仰的宗教塔楼；而现代则是以经济利益为主导的实用型高层建筑。历史上建筑高度竞争的领先地域:古代是埃及，中世纪和工业革命时期是欧洲，而在近现代高层建筑出现之后则转向了美国，到21世纪，高层建筑的竞争热点将会在亚洲。19世纪伴随着工业革命的迅猛发展和资本经济的形成，一种新的建筑类型的出现，这种新的建筑类型就是“高层建筑”（high-risebuilding）。高层建筑的出现，主要得益于钢铁、混凝土等建筑材料的进步和电梯的发明。美国芝加哥家庭保险公司大楼10层、55m高第一座高层建筑，是1885年在美国芝加哥兴建的“家庭保险公司大楼”（HomeLifeInsuranceCompanyBuilding）。这座大楼首次采用了钢框架结构，在结构体系、材料应用等方面开创了历史新纪元。随后，建造高楼在美国蔚然成风。纽约帝国大厦1931年美国纽约建成了381米高的帝国大厦(右图)；在其后数年里，纽约帝国大厦一直在高层建筑中独占鳌头，保持世界最高建筑物的纪录达41年之久。西尔斯大厦1972年，打破帝国大厦最高纪录的是美国世界贸易中心大厦(右图)。这两座双峰并立的摩天大厦高417米和415米，110层，它再次刷新了美国高层建筑的纪录。1974年，美国芝加哥建成了当时世界最高的西尔斯大厦，高443米，110层，它写下了美国摩天大楼辉煌历史的最后篇章。至今，美国最高建筑的桂冠还是戴在西尔斯大厦的头上。吉隆坡双子塔1997年建成双子塔是马来西亚国家石油公司兴建的，双塔高453米，共88层。台北101大楼2004年建成台北101楼高508米，101层，比吉隆坡双子塔高出50米以上。上海金茂大厦1998年建成高420米，88层上海环球金融中心大厦2008年建成上海环球金融中心大厦总高度492米，地上有101层，地下3层，毗邻金茂大厦。世界十大高楼自由塔104层541米101层492米88层453米110层443米89层450米88层420米88层420米80层391米高层建筑发展中存在的问题高层建筑的定义高层建筑：指超过一定高度和层数的建筑。高层建筑：指超过一定高度和层数的建筑。我国现行的《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95适用于:a.10层及10层以上的居住建筑(含首层设置商业服务网点的住宅);b.建筑高度超过24米的公共建筑。（体育馆、影剧院等单层高大空旷建筑除外）…适用于建筑高度超过100米的超高层建筑。不适用于:a.单层主体建筑高度超过24米的建筑。(因空间大,人数多,防火要求不同.)b.建筑高度超过250米的超高层建筑(需进行防火措施专题研究论证)。建筑高度:从建筑物室外设计地面到其檐口或屋面面层的高度.(屋顶楼梯出口小间等局部突出不计)高层建筑结构体系及合理选用高层建筑结构与低层、多层建筑结构相比较，结构体系的选用尤为重要，它直接关系到建筑平面布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期的长短和投资造价的高低等问题。所谓结构体系，即指结构抵抗外部作用的构件组成方式。在高层建筑中，水平力是设计的主要因素。因为低层和多层房屋结构体系以抵抗竖向荷载为主，水平力产生的影响较小，侧向位移小，通常忽略不计。而在高层建筑结构体系中，随着高度的增加，水平力（风荷载和水平地震荷载）产生的内力和位移迅速增大，因而抵抗水平力成为结构的主要矛盾。而抗侧力结构体系的确定和设计也就成为结构设计的关键问题。高层建筑结构的特点是，结构受水平位移控制，结构设计主要使水平位移不超过控制值。一、高层建筑常用的结构体系其优缺点、受力特点以及适用范围目前国内的高层建筑结构以钢筋混凝土结构为主，其结构体系主要有：1.纯框架结构体系2.纯剪力墙结构体系3.框架—剪力墙(筒体)结构体系、4.筒体结构体系等。现浇钢筋混凝土剪力墙结构建筑现浇钢筋混凝土框架结构建筑1.纯框架结构体系1.纯框架结构体系概念：框架——由杆件---梁、柱所组成的结构；优点：框架结构布置灵活，具有较大的室内空间，使用比较方便；缺点：由于框架梁柱截面较小，抗震性能较差，刚度较低，建筑高度受到限制；适用范围：框架结构主要用于不考虑抗震设防、层数较少的高层建筑中。框架结构的适用高度为6～15层，非地震区也可建到15～20层。目前主要用于10层左右住宅和办公楼。在考虑抗震设防要求的建筑中，应用不多；高度一般控制在70m以下。异形柱框架异形柱框架----柱截面为L形、T形、Z型或十字形（图8.1.2）的框架结构称为异形柱框架。其柱截面厚度与墙厚相同，一般为180～300mm。异形柱框架的最大优点是，柱截面宽度等于墙厚，室内墙面平整，便于布置。但其抗震性能较差，目前一般用于非抗震设计或按6、7度抗震设计的12层以下的建筑中。2.纯剪力墙结构体系概念：利用建筑物墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。优点：现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足；缺点：主要是剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，不能满足公共建筑的使用要求。此外，结构自重往往也较大。适用范围：剪力墙体系的房间划分受到较大限制，因而一般用于住宅、旅馆等开间要求较小的建筑，适用高度为15～50层。理论上可建上百层的民用建筑,但从技术经济考虑地震区一般控制在35层,110米内。现浇钢筋混凝土剪力墙体系的高层住宅楼3.框架—剪力墙结构(框架—筒体结构)体系概念：在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来；取长补短；共同抵抗水平荷载，就组成了框架—剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架—筒体结构体系。优点：综合了框架结构和剪力墙结构的优点，避开两种结构的缺点，应用较广。受力特点：框架—剪力墙(筒体)结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙将承受大部分水平力(有时可达80一90％)，是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高．框架则承担竖向荷载，提供了较大的使用空间，同时也承担少部分水平力。适用范围：由于它只在部份位置上有剪力墙，保持了框架结构易于分割空间、立面易于变化等优点；此外，这种体系的抗震性能也较好。所以，框-剪体系在多层及高层办公楼、旅馆等建筑中得到了广泛应用。框-剪体系的适用高度为15～25层，一般不宜超过30层。框支剪力墙体系当高层剪力墙结构的底部要求有较大空间时，可将底部一层或几层部份剪力墙设计为框支剪力墙，形成框支剪力墙体系（图8.1.4）。框支剪力墙结构属竖向不规则结构，上、下层不同结构的内力和变形通过转换层传递，抗震性能较差，烈度为9度的地区不应采用。4.筒体结构体系概念：筒体是由若干片剪力墙围合而成的封闭井筒式结构，(由框架或剪力墙合成竖向井筒，并以各层楼板将井筒四壁相互连接起来，形成一个空间构架----筒体。)由筒体为主组成的承受竖向和水平作用的结构称为筒体结构体系。优点：筒体结构所构成的内部空间较大，建筑平面布局灵活，因而能适应多种类型的建筑。受力特点：筒体结构比单片框架或剪力墙的空间刚度大得多，在水平荷载作用下，整个筒体就象一根粗壮的拔地而起的悬臂梁把水平力传至地面。筒体结构不仅能承受竖向荷载，而且能承受很大的水平荷载。适用范围：能适应多种类型的建筑。筒体结构类型单个筒体可分为实腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墙组成空间薄壁筒体，即为实腹筒；框架通过减小肢距，形成空间密柱框筒，即框筒；筒壁若用空间桁架组成，则形成桁筒。实际结构中除烟囱等构筑物外不可能存在单筒结构，而常常以框架—筒体结构、筒中筒结构、多筒体结构和成束筒结构形式出现，感兴趣的同学可以查阅相关参考书学习。筒体结构由筒体为主组成的承受竖向和水平作用的结构称为筒体结构体系。筒体是由若干片剪力墙围合而成的封闭井筒式结构，其受力与一个固定于基础上的筒形悬臂构件相似。根据开孔的多少，筒体有空腹筒和实腹筒之分（图8.1.6）。几种筒体结构透视图（a）框架核心筒结构；（b）筒中筒结构；（c）成束筒结构筒中筒结构平面布置筒中筒结构一般是由布置一个实腹筒体作为核心，沿建筑物外围再布置一个框筒结构组成的，内外筒通过楼板相连而协同工作.兰州国芳大酒店采用现浇钢筋混凝土筒中筒结构。内筒为剪力墙（平面长宽分别为21m和12.6m），外筒由密柱高裙梁组成（平面长宽分别为45m和36.6m）。新的竖向承重结构体系除上述四种常用结构体系外，尚有悬挂结构、巨型框架结构、巨型桁架结构、悬挑结构等新的竖向承重结构体系（图8.1.8），但目前应用较少。上海环球金融中心大厦高101层，结构高度492m，拟建成为世界上结构主体最高的建筑物。大厦采用了三重结构体系抵抗水平荷载，它们由巨型框架、钢筋混凝土核心筒及构成核心筒和巨型型钢混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架组成；核心筒竖向不连续，由低筒、中筒和上部筒3部分组成；二对角巨型柱在42层以上开始分叉形成倾斜曲面，巨型斜撑只设置在垂直立面上，且采用单向支撑。上海环球金融中心大厦根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)，该建筑总高超过了型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体最大高度190m的限值，同时高宽比8.49，超过了设防烈度7度地区高宽比为7的限值。为研究它在地震作用下的抗震性能，进行了缩尺(1/50)模型的振动台试验。试验结果表明，该结构体系合理，具有足够的水平刚度，在地震作用下位移反应不大，扭转效应比较小，满足我国抗震设防要求。高层建筑结构体系的选择根据建筑高度、功能要求和各结构体系的适用范围选择出较经济合理的结构体系；选择高层建筑结构体系通常考虑两个因素：建筑物的高度和建筑物的用途.不同的结构体系所具有的强度和刚度是不一样的，因而它们适合应用的高度也不同。考虑建筑物的高度:一般说来，框架结构适用于高度低，层数少，设防烈度低的情况；框架—剪力墙结构和剪力墙结构可以满足大多数建筑物的高度要求；在层数很多或设防烈度要求很高时，可用筒体结构。再考虑影响高层建筑结构体系的另一个因素：即建筑物的用途。目前，国内高层建筑大体上可分为住宅、旅馆和公共性建筑。公共性高层建筑:按照建筑功能的要求，需要较大空间而且能灵活划分。剪力墙结构虽然刚度大，空间整体性好，而且不外露梁柱，但不容易形成大空间来布置公共房间，它较适合于住宅建筑。框架－剪力墙结构，既有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力，适用于集商业、办公和旅馆于一身的高层建筑。高层建筑楼盖结构的布置18页-21页选择合适的楼盖体系高层建筑常用的楼盖结构体系有:肋梁楼板结构、无梁楼板结构、叠合楼板结构、压型钢板组合楼板结构等，在学习中注意各类楼板的结构布置，优缺点和适用范围。结构平面布置平面形状有抗震设防的高层建筑房屋，如果平面简单对称，体型规则，建筑平面布置合理，结构布置符合抗震原则，就能保证房屋具有良好的抗震性能。框架柱网的布置综合考虑:建筑使用要求，结构受力合理，且施工方便，较为经济。剪力墙的数量及其布置按照剪力墙布置“均匀、分散、对称、周边”的原则，满足建筑功能的要求，又使得楼层平面刚度分布均匀，最大限度地使刚度中心与质量中心相接近，减少建筑物受到的扭矩，使结构布置更为合理。结构竖向布置沿竖向分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级的方法，使结构的承载力和刚度自下而上递减，变化均匀、连续、没有突变。从施工方便来说，改变次数不宜太多；但从结构受力角度来看，改变次数太少，每次变化则容易产生刚度突变。对同一个高层建筑来讲，与建筑相适应的结构体系、结构布置不是绝对的，在设计中会遇到一些复杂的因素，但合理的结构体系即最优的设计应该是唯一的。我们要把一些互相制约的因素统一协调，取得比较完满的结果，它关系到建筑物的安全性能、使用功能及经济造价。高层建筑的造型设计平面构思建筑的平面形状基本的有正方形、矩形