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1超高层建筑的结构体系中国工程院院士广州容柏生建筑工程设计事务所总裁容柏生我今天想跟大家一起研究一下的是“超高层建筑的结构体系”。看起来这个题目是太大了，因为超高层建筑的结构体系有很多类型，所以在短短的几十分钟内是不可能解决问题的，因此我把报告缩短一下，在今天的报告里讲一部分。今天我主要是讲我们国家近期的，超高层建筑的结构体系，再近一步是常用的。要不然40分钟是解决不了问题的。下面的内容是我们经常碰到的一些情况，下面就开始给大家介绍一下。我们国家最近建了大量的超高层建筑，每个省市都搞了，300米、400米、500米，一直这样搞上去。因此积累了比较多的资料，我个人有幸有机会参加了我们国内很多项目的工作，了解了一些情况，我把它稍微综合一下，形成这么一个内容。最近在超高层建筑里比较常用的结构体系是下面这些，这种核心体系是用得比较多的。基本上每个超高层建筑都有一个核心筒，绝大多数都存在这个概念，中间一个筒，不管是建筑或是设备使用的需要，我们结构也刚好利用了它，因此从各个工种来说这个核心筒是非常有用的，因此多数的超高层建筑都有核心筒在中间。在周边就配上一些支撑结构，现在配上的有下面几种：框架、巨型框架和外框筒，大概是配上这三种的外周边结构。这个情况比较多。几乎每个超高层建筑都有一个核心筒，外周边简单的是加一个框架，沿周边围起来。第二种是在周边加一个框架，但是是巨型框架，我下面会逐步的介绍。另外是周边加一个外筒，所谓筒是一个筒体结构，可能也是一个密度框架，也可能是一个别的形式的筒体。下面我逐步介绍，举一些例子来说明一下。下面说一下框架加核心筒的形式，无论是哪种结构都是基本的，但是往往不一定够，往往在这个基础上还有一个补强的措施，在某个层面加上伸臂桁架和腰桁架。巨框架已经具有腰桁架的形式，可能加伸臂桁架。有的时候还加斜撑，我后面会举一些例子给大家解释。外筒结构，核心筒加上外筒，如果钢度不够还不满足规范要求我们也可以加伸臂桁架和腰桁架。总的来说现在的结构体系大半是一个核心筒一个框架，如果2不够就加一个伸臂桁架、腰桁架或是斜撑，从两百米到五百米基本上都用这种结构。下面每个结构我都简单介绍两个例子，这个例子是我随手拣来的，首先是比较简单的核心筒框架。我举一个例子是柳州的财富中心，这个结构比较简单，看起来比较容易。这个工程高度是303米，是一个矩形底盘44×44，高宽比是6.8，高宽比虽然是一个很粗略的指标，但是可以通过他显示设计难度，高宽比越大设计难度越大，高宽比越小设计难度越小。我个人认为比较正常的是7左右，如果是7以下设计不大，如果超过8难度就来了，如果超过9就非常困难。这个工程是6.8的高宽比，就告诉我们这个设计难度并不太大，这个仅仅是一个方面的指标，不能说是绝对的，还要看当地的自然条件，当地自然条件好了，高宽比大一点也无所谓。大家不要认为7作为一个分界线。这个工程很简单，一个核心筒，另外加了一个外周边的框架，每边四根柱，这个没有角度就变成斜的，这是建筑师的要求，主要利用斜的地方能够满足建筑角上的凹凸变化，这个对结构没有影响。柳州自然条件还是比较好的，六度区、风也不太大，在高宽比也不太大的条件下所以这个结构设计并不困难。它也加了柳州地王国际财富中心位于城中柳州八一路东侧，项目总投资400000万元人民币；项目用地地面积7.1万㎡、绿化率20%，总建筑面积64万㎡。一期工程包括72层、303米高主塔楼，东侧和北侧的4层裙楼，和六层商场，地下层有2层。二期预计为5栋商务办公楼，高度150m。3加强层，我们当时参加审查的时候，这个指标的参数还是非常好，我们建议取消一个，后来他取消了。关于加强层如果后面有时间我会简单给大家说一说。第二个例子核心筒+框架，也就是说外面的框架也未必是矩形，这是一个椭圆型，而且还是半边错开的，这是重庆瑞安的项目，高度440米，高宽比8.6，相当大。但是重庆的自然条件是非常好的，也是六度区，风也不大。所以在重庆搞超高层建筑条件有利。虽然它高宽比比较大，但是在比较好的自然条件下它还是能解决。由于它比较高，高宽比比较大，所以它用了五道加强层，如果下面有时间我也做些介绍。“嘉陵帆影”位于渝中区化龙桥，形似一叶扬帆屹立嘉陵江畔，投资约80亿人民币，建筑高度将达到468米，共99层，是一个集商贸、休闲、酒店、办公等于一体的未来高端商务大楼，预计2017年6月整体竣工。第三个例子京基，安排我们后天参观，京基高度439米，它是矩形平面。高宽比9.5，这个高宽比是非常大的，在几个月前一直保持我们国内最大的高宽比的记录，当时设计难度非常大，深圳条件不是很好，风很大，地震也是七度，所4以当时花了很大的工夫。它用的是框架+核心筒，但是这个远远不够，必须再加。我刚才说往往不够的时候再加腰桁架、伸臂桁架，他加了3道伸臂桁架和5道腰桁架。为什么两层用不同的伸臂，这是伸臂的敏感性分析出来的结果，下面有时间我也会讲一下加强层伸臂和腰桁架的敏感性分析。这个工程由于高宽比大，这个结构是比较硬来的，据我所知，原来这个工程地块不大，所以底盘并不是很大，才57m×46m，原来是打算建300多米的，后来由于业主想增高，要高过广州的，可以是广东最高，但现在不是了，广州东塔已经五百多了。由于它只能增高又不能把底盘扩大，所以它的高宽比非常大，设计非常困难。现在已经封顶了，据我的记忆，内筒的外墙是1.9米厚，已经是相当厚了，这个柱子大概是4米×5米，尤其是四个角柱，其实它结构占的面积是相当大，这个有点牵强。京基100大厦由世界著名的TFPFarrells建筑事务所担纲设计，高441.8米，共100层。京基100大厦是集超甲级写字楼、铂金五星级瑞吉酒店、国际时尚精品购物中心KKMALL、高级公寓、住宅于一体的世界级城市综合体，总建筑面积602401.75平方米。5不但如此，加了这些东西算还过不了关，满足不了标准的要求。当时已经降了四百多分之一，他申诉了很多理由，还不能满足，最后又在外面加了斜撑，等于两边又增加了它的刚度，才马虎满足规范要求，还不完全满足，还讨价还价放宽了一点。情况是这样，这个框架+核心筒不够的时候必须加强。如此以外就没什么办法了，所有能用的方法基本上都用上去了。另外一个比较高点的有的时候用核心筒+巨型框架，什么是巨型框架呢？这里举个例，用少数的巨型柱，四根到八根。所谓巨型框架在两边，跟若干层通常是结合设备层布置了巨型桁架作为它的水平构件，这就组成了一个巨型框架，巨型框架的跨度很大，层高也很多，这里需要布置第二层的桁架。这个结构有什么好处呢？把巨型的东西，影响它使用的东西放在不重要的地方，一些重要的地方需要用的我们改为小的构件结构。次框架大家可以看到，这个仅仅是若干层，而且重的荷载很小，放在这里不影响建筑，这种用的是比较多的。这个是巨型框架。如果巨型满足不了还加斜撑，单撑、斜撑。“上海中心”位于上海浦东陆家嘴金融贸易区内，设计总高度达到632米，集国际标准的24小时甲级办公、超五星级酒店和配套设施、精品商业、观光和文化休闲娱乐、特色会议设施五大功能于一体。有几个例子，上海中心，630多米，实际高度是580米，因为顶上还有一个塔冠，这个塔冠也有差不多五十米，这个就是它的平面。上海中心高宽比是7.0，6上海的条件是七度，风力比较大，高宽比7.0，做起来也没有太大的困难，它加了六道伸臂，上海中心外面看是三角形，其实它真正的结构是圆形，这是里面圆形的结构，中间一个核心筒，每面两根柱，这些柱子靠得很近，这样就组成一个矩形桁架。另外还有一个圆弧型的环梁，这是它的结构体系。这个环型的环梁这样组成，它的形式大概是这样。这个结构由于两个柱比较靠中间，圆弧四个角的跨度很大，而且环梁又是弧形的，弧形有一个问题是受扭，这个是完全解决不了问题的，那么大的跨度要承担很多的竖向荷载，审核之后大大的改进，一个是在若干层以下加了四个角柱减轻它的跨度。另外把圆弧型的腰桁架改为空间桁架，起步是做了单片，我们说抗震比不够。核心筒加巨型框架也是一种形式。深圳平安大厦，平安大厦高度是648米，看起来最高，实际上真正的结构高度只有540米，为什么？他把桅杆算在里面，这个桅杆差不多一百米高，这个高度我们不去考虑了。这个结构采用了矩形刚架也是八根柱，八根柱比较靠边，这个跨度比较大，为什么留了角度？这个是建筑师的需要，我们根据建筑师的需要随便他们怎么布置。这里布置了次框架，它的结构体系就是这样的情况。这个总的体系等于核心筒加上外面的核心框架再加上若干个加强层，4道伸臂。最后感觉不够，因为它很高，高宽比达到9，也是比较大的，最后还增加了单斜撑外框。深圳平安国际金融中心设计单位：CCDI；承建单位：中建一局；开工时间：2011年11月15日；竣工时间：2016年3月18日；总用地面积：18931.74㎡；总建筑面积：460665.0㎡；塔顶高度：660米；主体高度：597米；建筑层数：地上118层,地下5层；结构形式：带外伸臂的混合结构。7天津117，天津117说实在的，它从实际高度来说还算是国内最高的，它是597米，下面是餐厅，餐厅上面是顶盖，所以597米应该算是真的，实实在在的。它的地盘也利用了矩形框架，但是高宽比达到9.7了，京基是9.5当时都很困难了，后来他的9.7也感觉很困难。天津条件不太好，7.5度，风又大，比上海要大，没深圳大，条件很不好，所以它的设计也是非常困难，他采用了矩形框架，用四柱放在角上，做完了还有很多设备层，最后还是不够，最后加了斜撑，斜撑还是双斜撑，打叉叉的，这边一个叉，双斜撑才能解决问题，因为它的高宽比太大了。结构高度597米；单体建筑面积83万平方米；单体建筑基坑土方开挖200万立方米；桩长度100米以上；桩长细比120；水下浇注混凝土C55；桩钢筋规格直径50毫米三级钢；底板C50大体积混凝土体量7万立方米；自密实砼强度之最：C70；钢结构巨型钢柱尺寸世界之最：24米*22.8米。这里有一个小插曲，起初不是双斜撑，不是X交叉的。因为那个时候业主不同意，业主说风水不好，每个都是叉叉，他说只能用人字型的，人字型太陡，最后算起来没办法只能用交叉，最后说服了业主。他说里面看见好了，外面不要看见，所以它的外框是比较复杂的，次结构方面是在外面做四根柱，斜撑部分竖在8里面，因此外面矩形框架每一层的桁架是双重的，外面一层是竖向力，里面是抵抗水平力的交叉，因此这个还是比较复杂的。不管怎么样，总归通过核心筒加上巨型框架再加上加强层和交叉的斜撑，总算是解决了问题，这个也过了关。最后一种就是内筒加外筒，这是一个真正的筒体，所谓筒体和框架不一样，主要是从受力性质上分，筒体是属于三维结构，框架还是二维结构，要是框架做非常非常密就变成了框架筒。下面我讲的是真正的筒体，先说一个简单的，天津搞了一个广东大厦，这个广东大厦高度四百多米，高宽比8.2，有一定的难度。由于它的平面变化很多，慢慢收，越收越小，他用了一个结构体系，他下面用框架，上面用外框筒，大家看到上面是密柱的，密柱框架就变成框架筒，下面没有，因为下面是功能项的需要，用的是普通框架，十米、十二米，因为它太单薄了，因为要上面的平面缩进去，外筒是回字型的框架筒，详细的我不说了。富力广东大厦项目位于响螺湾商务区7、9号地块，由富力集团投资建设，委托美国GP建筑设计有限公司进行建筑方案设计。作为响螺湾商务区最高建筑，富力广东大厦高度达到480米，占地2.3万平方米，总建筑面积约40万平方米，投资额约40亿元人民币。2008年11月已完成试桩，项目建成后，将具备酒店、商务写字楼、商业设施等功能，成为响螺湾商务区又一地标式建筑。上面这部分可以说是核心筒加外筒，下面应该是核心筒加外框，他毕竟还是框架，双重框架不等于筒体，还是框架。上面是筒体，这是一种形式。下面两种是纯粹外筒的。广州西塔是三角形的平面，里面是六角型的筒体，外面纯粹是筒体结构，这9个是斜交网格，用柱子组成交叉的组织，既然是交叉组织大家看看它的立面，变成很完整的结构，它是核心筒加外面的筒，这个筒体是用斜交网格，用钢团混凝土做的斜交网格。这个外筒抗力是非常强的，无论是抗扭、抗震，它的抗震能力比它的