超高层结构设计和成本控制

超高层结构设计和成本控制广州容柏生建筑结构设计事务所魏捷2010年8月27日一、超高层的定义•我国90年代初期超高层的定义是超过100米的建筑。90年代末期深圳出现了地王大厦324.8米、赛格广场278.8米的超高层，上海也建成了金茂大厦420米。•进入21世纪的十年，高度被不断刷新，已建成最高的建筑是上海环球金融中心，高度为492米。90年代超高层代表超过400米高层一览•从结构设计的角度，一般认为超过《高层建筑混凝土结构技术规程》高度限值规定的高层称之为“超高层”。二、超高层结构的特点•1、超高层的主要受力特点：影响结构布置和结构构件尺寸的主要因素是水平力的作用——地震作用和风作用。•2、地震作用主要是由结构自重产生的惯性力。主要影响因素为：结构自重、结构刚度以及结构的阻尼比。在高烈度地震区（如北京、西安、昆明、海口等8度区）以及Ⅳ类场地的7度区（上海、天津部分地区），地震作用起主导。对结构的要求是在具备一定刚度的同时应尽量减小结构的自重。•3、在沿海地区，深圳、厦门、三亚等地区，由于风荷载较大，对超高层其主要作用的是风荷载。主要是100年一遇对结构变形的影响以及10年一遇对结构舒适度的影响。对结构的要求是具有足够的结构刚度。三、超高层的结构体系•超高层从抗侧力的角度主要有：1、框架；2、剪力墙（含筒体）；3、支撑三类构件。•一般需要设置两道防线。常用的组合为：1+2、1+3、1+2+3三种。•按材料划分主要有：a、钢筋砼结构；b、钢结构；c、钢—砼混合结构。•上述1+2体系多采用a；1+3体系多采用b；•1+2、1+2+3体系多采用c。•1、钢筋砼框架—筒体结构（a，1+2）在较低的超高层（200米以下）中应用较为普遍。它具有：1）刚度大；2）结构自重较大（大于20KN/㎡)；3）阻尼比大（0.05）；4）造价相对低廉等特点。在8度以下地区采用优势较为明显。目前，即使超过300米的结构仍然有一定优势。例如：深圳的汉国大厦。高311.9米，75层。由于核心筒距离外框架柱跨度较小（9米），采用砼体系仍然较为经济。按施工图统计，结构造价约2700元/㎡。深圳汉国大厦提高结构的刚度是本工程的主要目标。设计时以控制风荷载位移为目标，同时验算结构在不同目标风速下的加速度。混凝土楼盖和钢结构组合楼盖的比较——材料用量材料类型构件组合楼盖混凝土楼盖混凝土/组合方案混凝土(m3)墙2915829158柱80028002梁-8598楼板(包含核心筒梁)1982019820总计5697965577115.1%平均(m3/m2)0.500.58115.1%用钢量(t)压型钢板(m2)81500-F15以下墙体内埋666666柱69796979伸臂桁架39073907梁7303-总计188551155361.3%平均(kg/m2)16710261.3%•2、钢框架—支撑体系（b,1+3体系）。•具有：1）刚度较大；2）结构自重轻（10~13KN/㎡）；3）阻尼比小（0.02）；4）造价相对较高等特点。在8度及以上地区采用优势较为明显。例如：天津津塔、北京银泰中心等。由于构件尺寸较小，节省较多建筑空间。北京银泰高250米，标准层仅为40米X40米；在使用空间相同的情况下，比一般的砼结构的45米X45米的平面节省面积26.5%。•北京银泰用钢量168Kg/㎡；•天津津塔用钢量191Kg/㎡。•结构造价超过3000元/㎡北京银泰津塔银泰平面津塔平面•3、钢—砼混合结构体系主要是指框架的梁、柱为钢梁、钢管砼柱或型钢砼柱；核心筒为钢筋砼筒体。应用范围较广。具有：1）刚度大；2）自重适中（17~18KN/㎡）；3）阻尼比0.035~0.04；4）造价介于砼和钢结构之间。目前，国内高度前几位的超高层建筑均采用此种体系。我所设计的安徽国际金融中心（57层，224米）采用此体系，钢结构用量76Kg/㎡、钢筋用量46Kg/㎡；砼用量为0.46m3/㎡。结构造价较便宜。安徽国际金融中心四、超高层结构设计考虑的主要因素•1、选择恰当的抗侧力体系•1）保证足够的抗侧刚度；•2）保证两道抗震防线—筒体、框架；•3）保证结构的舒适度。结构体系第一道防线核心筒第二道防线框架•2、选择恰当的楼盖体系•钢筋砼结构体系宜选择钢筋砼主次梁楼盖。跨度一般在10米以内较为经济。选择宽扁梁，钢筋用量一般增加20%左右。也有采用空心平板体系，跨度在9米以内可考虑。•混合结构、钢结构一般选择钢梁—组合楼板体系。主要是发挥钢结构施工速度快的特点。对于跨度大于12米的情况，经济性明显。组合楼盖主要有楼承板、钢筋桁架板、钢筋砼预制现浇叠合板等形式。几种组合楼板型式开口式楼承板组合楼板150(130)74(54)76(51)闭口式楼承板组合楼板11065(40)钢筋桁架混凝土楼板51110缩口式楼承板组合楼板100•3、选择恰当的构件组合型式•采用钢筋砼柱时，一般采用钢筋砼梁；•采用型钢砼柱时，可采用钢梁和钢筋砼梁均可。取决于楼盖体系。•采用钢管砼柱（圆形、方形）时，应尽量考虑采用钢梁。采用砼梁时应注意节点的处理方式：砼环梁节点影响建筑立面。目前有采用钢管开孔的节点型式，虽有试验结论，尚未形成规范。节点实例•4、选择恰当的基础型式•基础型式主要取决于地质条件。恰当的基础型式造价仅占主体造价的10%以内。•选择合理的持力层；如：强风化承载力低、埋藏浅；微风化承载力高、埋藏深。应进行经济分析。•选择最适合场地施工、质量易控制的桩型。•综合考虑桩基和承台的成本。•主楼范围外的地下室抗浮方案对成本影响较大。五、影响结构成本的几个主要因素•1、基坑支护。•超高层结构由于埋深的要求，地下室较深。一般至少三层，深度在15米以上。目前深基坑主要分桩锚体系和内支撑体系两大类。其中内支撑体系中包含“逆作法”。•桩锚体系造价较高，安全性差。施工方便。•内支撑体系相对便宜，安全性好。支撑影响上部结构施工。如可采用逆作法，综合效益会比较明显。内支撑体系•15米的深基坑造价在2.2~2.6万元/延长米。根据50~60层结构项目测算，按单栋10万平米计算。基坑支护的造价约为80~120元/㎡。•2、桩基选型•除个别可以采用天然地基的情况外，绝大多数超高层结构采用桩基。桩基分为预制桩和灌注桩两大类。•1）超高层建筑可以采用预应力管桩的情况较少。主要采用钢管桩，如上海金茂采用Φ914的钢管桩。承载力一般，造价较高，施工速度快。•2）灌注桩。按成孔形式分为人工挖孔和机械成孔两类。按受力型式分为摩擦桩和摩擦端承桩。•软土地质条件都是摩擦桩。由于其承载力较低，一般按群桩和厚筏板共同工作的方式设计。其特点是承台较厚。在受力上，布桩与板厚的关系比较密切，需要做不同的方案进行经济比较。•岩层埋藏较浅的地质条件，应首选大直径摩擦端承桩。尽量做到一柱一桩，核心筒的桩布置在墙下。目的是减小承台厚度。•根据经验统计，灌注桩的造价在100元/㎡~150元/㎡之间。而筏板的厚度不同的方案相差较大，因此基础选型的成本控制关键点是筏板，桩基是相对次要的。•3、主体结构•1）剪力墙•超高层的剪力墙一般抗震性能目标都是将底部加强区设定为中震弹性。其抗剪承载力是小震的2.8倍左右。墙体的配筋率一般在0.6%以上，暗柱一般需要设置型钢。底部加强区的范围取结构总高度的1/8取整后再加一层的高度。•设置刚性加强层的结构，其加强层以及上下层也常常需要设定为中震弹性。配筋同底部加强区。•剪力墙的造价在主体构件中占35%左右。底部加强区刚性加强层非底部加强区剪力墙部位指示非底部加强区，一般按构造配筋。分布筋为0.3%。•2）框架柱•型钢砼柱：在底部加强区按中震弹性设计。其余部位应按规范4%的最小配钢率配置型钢。•钢管砼柱：除底部加强区外，其余部位应按计算值控制。•在钢管或型钢的设计中，应特别注意材质和钢板厚度的需选择。•普通的Q345B、C钢材其强度按厚度分组，厚度超过35mm时，强度仅为265MPa，因此厚钢板应优先选择Q345GJ的高建钢，其强度不分组。•此外，当钢板厚度超过40mm小于60mm时，必须提供Z15的Z向性能要求；大于60mm时需要Z25性能。这样的材料价格一般比中厚板高15%~20%，且有一定的订货期。设计中应尽量避免采用。•当柱断面较大时，应注意核算每层型钢或钢管的重量。尽量避免单件重量过大的情况，这往往是施工选择塔吊的决定因素。超过36B的塔吊费用将成几倍的增加。在较长的工期中，成本和用电量都很明显增大。•柱的钢材用钢量一般占40~45Kg/㎡。•3）楼层梁•选择钢梁体系的楼盖其成本主要分为：钢梁、楼承板、钢筋砼板三部分。成本主要与跨度有关。以12米跨为例，钢梁40Kg/㎡、楼承板100元/㎡、砼0.12m3/㎡、钢筋6Kg/㎡。楼层造价约500元/㎡（含钢梁防火涂料）。•选择钢筋砼体系成本约为钢结构的60%~70%。（当然建筑效果没有可比性）结构成本构成分析（以230米高度为例）项目钢材用量（Kg/㎡)造价（元/㎡）备注基坑支护80~120基础及底板250~300剪力墙600~800柱45500~700梁板40500•总结•只要掌握了超高层结构的特点及其成本控制的要点。实现一个经济合理的超高层结构是可以做到的。文中的数据只代表个别项目，对普遍情况仅具有参考意义。但其内容已基本涵盖。••谢谢！