建筑结构丨【超强总结】超高层建筑结构概述

1  超高层建筑的基本定义

高层建筑的出现是人类美好愿望、社会需求、科技进步和经济发展的完美结合。随着经济和社会的发展，伴随建筑技术的不断进步，摩天大楼在世界各地蓬勃兴建。不同国家和地区对建筑高度的划分并不相同，也就是说什么高度可以定义为超高层建筑，在世界各国是不相同的。1972年8月在美国宾夕法尼亚洲的伯利恒市召开的国际高层建筑会议上，曾经专门讨论并提出高层建筑的分类和定义，将152米（即500英尺）以上的建筑定义为超高层建筑。在日本和法国，规范定义超过60米就属于超高层建筑；在美国，则普遍认为才算是摩天大楼。而在中国，我们的建筑规范将100米以上高度的建筑定义为超高层建筑。我国《民用建筑设计通则》GB50352—2005是这样规定的，建筑高度超过100m时，不论是住宅或公共建筑，均视为超高层建筑。

1909年建成的50层206 米高的纽约大都会人寿保险公司大楼（METROPOLITAN LIFE TOWER）是世界上第一幢高度超过200米的超高层建筑。

2  超高层建筑结构设计需要重点考虑的问题

首先是建筑的形体。合理的抗震体型和有利的抗风体型对于超高层建筑机构设计是最为有利的，下图的几种平面形状应当是超高层建筑首选的。

       
                   

其次是结构的经济性。设计性能目标或设计指标越高，结构的经济性就越低；随着建筑高度的增加，结构的经济性也越低。另外，过分考虑抗震性能，对风荷载和体型研究优化不到位，以及结构选型不合理，都会严重降低结构的经济性。

超高层建筑结构设计中，结构体系的选择是至关重要的，我们先给大家一系列不同结构形式适用的建筑高度的限值，以后还会做专门的介绍。

A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）

结构体系		非抗震设计	抗震设防烈度
			6度	7度	8度		9度
					0.20g	0.30g
框架		70	60	50	40	35	-
框架-剪力墙		150	130	120	100	80	50
剪力墙	全部落地剪力墙	150	140	120	100	80	60
	部分框支剪力墙	130	120	100	80	50	不应采用
筒体	框架-核心筒	160	150	130	100	90	70
	筒中筒	200	180	150	120	100	80
板柱-剪力墙		110	80	70	55	40	不应采用

B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）

结构体系		非抗震设计	抗震设防烈度
			6度	7度	8度
					0.20g	0.30g
框架-剪力墙		170	160	140	120	100
剪力墙	全部落地剪力墙	180	170	150	130	110
	部分框支剪力墙	150	140	120	100	80
筒体	框架-核心筒	220	210	180	140	120
	筒中筒	300	280	230	170	150

钢结构房屋适用的最大高度（m）

结构体系	抗震设防烈度
	6、7度 （0.1g）	7度 （0.15g）	8度		9度 （0.4g）
			0.20g	0.30g
框架	110	90	90	70	50
框架-中心支撑	220	200	180	150	120
框架-偏心支撑（延性墙板）	240	220	200	180	160
筒体（框筒、筒中筒、桁架筒、束筒）和巨型框架	300	280	260	240	180

混和结构高层建筑适用的最大高度（m）

结构体系		非抗震设计	抗震设防烈度
			6度	7度	8度		9度
					0.20g	0.30g
框架-核心筒	钢框架-钢筋混凝土核心筒	210	200	160	120	100	70
	型钢（钢管）混凝土框架-钢筋混凝土核心筒	240	220	190	150	130	70
筒中筒	钢外筒-钢筋混凝土核心筒	280	260	210	160	140	80
	型钢（钢管）混凝土外筒-钢筋混凝土核心筒	300	280	230	170	150	90

建筑高宽比的确定也是超高层建筑结构设计应着重考虑的问题，下面一组表格告诉你不同结构形式适用的最大高宽比。

钢结构民用房屋适用的最大高宽比

烈度	6度、7度	8度	9度
最大高宽比	6.5	6.0	5.5

混和结构高层建筑结构适用的最大高宽比

结构体系	非抗震设计	抗震设防烈度
		6度、7度	8度	9度
框架-核心筒	8	7	6	4
筒中筒	8	8	7	5

混和结构高层建筑适用的最大高度（m）

结构体系		非抗震设计	抗震设防烈度
			6度	7度	8度		9度
					0.20g	0.30g
框架-核心筒	钢框架-钢筋混凝土核心筒	210	200	160	120	100	70
	型钢（钢管）混凝土框架-钢筋混凝土核心筒	240	220	190	150	130	70
筒中筒	钢外筒-钢筋混凝土核心筒	280	260	210	160	140	80
	型钢（钢管）混凝土外筒-钢筋混凝土核心筒	300	280	230	170	150	90

弹性层间位移角限值

结构类型	[θe]
钢筋混凝土框架	1/550
钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒	1/800
钢筋混凝土抗震墙、筒中筒	1/1000
钢筋混凝土框支层	1/1000
多、高层钢结构	1/250

3  一些超高层建筑实例

美国贝壳广场建于1970年，位于休斯敦，高218m，52层，办公建筑，是当时世界上最高的钢筋混凝土结构的超高层建筑。

广州中信大厦建于1997年，高391m，83层，办公建筑，是目前世界上最高的钢筋混凝土结构的超高层建筑。

美国贝壳广场          广州中信大厦 

纽约世贸中心双塔          芝加哥西尔斯大厦

上世纪六七十年代普遍认为，全钢结构优于混凝土结构，更适合于超高层建筑。这个时期建造了大量300m 以上的钢结构高层建筑，如下图所示1971年建成的纽约世界贸易中心双塔（412m）、1974年建成的芝加哥西尔斯大厦（442m）。

到了上世纪八九十年代，纯钢结构已经不能满足建筑高度进一步升高的要求，原因在于钢结构的侧向刚度提高跟不上建筑高度的迅速增长。从此，钢筋混凝土核心筒加外围钢结构就成为超高层建筑的基本形式。建筑实例有：上海环球金融中心（2009，492m），上海金茂大厦（1997，420m），上海中心大厦（2016，632m）。

上海环球金融中心，上海金茂大厦和上海中心大厦

 台北101大厦         香港国际金融中心

另外还有台北101大厦（1998，448m），香港国际金融中心（2010，420m），广州西塔（2010，460m），广州电视塔（2009，460m）。

广州西塔                    广州电视塔

与以上几个钢结构超高层建筑相比较，迪拜的世界第一高塔哈利法塔下部采用混凝土结构、上部采用钢结构。-30m~601m 为钢筋混凝土结构，601~828m 为钢结构，其中601~760m 采用带斜撑的钢框架。对比一下，纯钢结构的纽约世贸中心，顶部412m 处的最大侧移为1000mm；而哈利法塔的钢筋混凝土结构部分顶部601m 处的最大侧移仅450mm。

目前，混合结构是超高层建筑的主要形式。

迪拜的世界第一高塔哈利法塔

4  超高层建筑的结构体系

超高层建筑主要的结构体系及其优缺点是这样：

1) 框架 剪力墙(（核心筒）

优点	缺点
传统的结构体系，一般用于低地震区超高层塔楼	对超高层建筑不是很有效，一般结构高度不超过200m
双重抗震体系，坚固性较好能满足建筑造型需要	结构自重较大

 

2)  框架 核心筒 伸臂桁架

优点	缺点
传统的结构体系，一般用于低地震区超高层塔楼	对超高层建筑不是很有效，一般结构高度不超过300m
双重抗震体系，坚固性较好视野较好，建筑师比较喜欢

 

3) 框筒 核心筒 伸臂桁架

优点	缺点
传统的结构体系，一般用于地震区高层塔楼	对超高层建筑不是很有效，结构效率较低。
双重抗震体系，坚固性较好	视野受限制

 

 

4) 斜交网格 核心筒

优点	缺点
强且刚的结构位于幕墙处（抗侧力结构最有效的位置）	针对斜交框架需要特别的室内空间设计
顶部不需要核心筒，可以创造宏伟的酒店大堂空间	斜交框架交点处有大的节点
最为经济有效的方案
尖细形塔楼的理想选择

 

 5)  巨型柱 核心筒 伸臂桁架

优点	缺点
幕墙处结构构件占地最小：楼面视野开敞	无双重抗侧系统，高地震烈度区的坚固性问题尚待研究

6)  巨型柱 巨型斜撑（单、交叉） 核心筒

优点	缺点
强且刚的结构位于幕墙处（抗侧力结构最有效的位置）	幕墙处可见斜结构构件
双重抗震体系	不很适用于尖细形塔楼
经济有效的结构系统	非常大的角柱

 
 

7)  其他结构形式 （巨型框架结构、框架 支撑结构等）

优点	缺点
不需要核心筒，可以创造宏伟的大堂空间	结构效率较低
可以带来大的使用开间	巨型框架交点处有大的节点

 

来源：BIAD知识中心 作者：束伟农（北京市建筑设计研究院有限公司(BIAD)结构专业总工程师）。