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国内最高的十座超高层建筑的结构都是如何设计的?超高层建筑的结构体系介绍

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国内最高的十座超高层建筑的结构都是如何设计的?超高层建筑的结构体系介绍

国内最高的十座超高层建筑的结构都是如何设计的?超高层建筑的结构体系介绍

1883年,“摩天大楼”一词首次出现在《美国建筑师与建筑新闻》一文中。铸铁行业的发展以及电动升降梯成功安装,标志着摩天大楼时代的来临。1885年的55m高的家庭保险大厦(Home Insurance Building)被称为史上第一座摩天大楼。

▲ 截止2021年,全球已建成的最高的二十座超高层建筑(@CTBUH)

我国的超高层建筑发展始于上世纪90年代。经过二十多年的发展建设,我国的超高层建筑也获得了迅猛发展。根据CTBUH最新统计,截止2021年,全球已建成的最高的二十座超高层建筑中,中国就占了11栋。

▲ 中国已建成的最高十大超高层建筑(@CTBUH)

大家可能都知道上海中心、上海环球金融中心、台北101等这些有名的超高层建筑。那么大家知道我国的这些最高的超高层建筑的结构是如何设计的吗?下面就跟着小编一起来看看中国最高的超高层建筑是如何设计的吧。

1 上海中心

建筑设计:Gensler & TJAD

结构设计:TT & TJAD

结构体系:巨型框架-核心筒-伸臂桁架

上海中心大厦建筑高度632m,结构高度574m,主塔地上124层,裙房地上5层,地下5层,建筑面积约为57.8万平米。2009年开始施工,历时8年,上海中心大厦建筑总体正式全部完工。上海中心的高度全球第二,仅次于全球最高的迪拜哈利法塔(828米)。

▲ 上海中心竖向分区图

其平面为倒角的三角形外形,随着建筑高度不断旋转上升并均匀缩小,每层约扭转1度,共扭转120度,这种平滑光顺的非线性扭转性型体,可以有效降低结构的风荷载,通过风洞试验发现,这种体型降低了约24%的风荷载。

▲ 上海中心平面扭转上升示意图

塔楼抗侧力体系为“巨型框架—核心筒—外伸臂”结构体系。在8个设备布置了六道两层高外伸臂桁架和八道箱型环带桁架。由环带桁架和巨柱形成外围巨型框架。由8根巨型柱,四根角柱(仅布置在地下室及1-5区),8道两层高的环带桁架(位于各加强层)组成巨型框架。6道伸臂桁架分别位于2、4、5、6、7、8区的设备层处。

▲  结构体系组成示意图(@tt)

环带桁架为双榀的箱型空间桁架,相比单榀的环带桁架,其对巨柱的约束效果基本不变,增加了环带桁架抗扭刚度。同时,在加强层还设置了一层高的径向桁架,将外侧悬挑的幕墙荷载传递巨型框架。

▲ 环带桁架及径向桁架示意图(@tt)

▲ 伸臂桁架示意图(@tt)

巨柱采用SRC巨柱,通过6道两层高的伸臂桁架将8根巨柱与核心筒联系起来,使核心筒与外框协调变形,共同抵抗侧向荷载。4根角柱主要是用来减小环带桁架的跨度,减缓外框的剪力滞后效应。

▲ 巨柱布置图(@tt)

巨柱的截面尺寸最大为3.7x5.3m,到顶部收为1.9x2.4m,1~6区巨柱采用王字型钢骨,7~8区 采用日字型钢骨。

▲ 巨柱内钢骨形式(@tt)

由巨柱和环带桁架组成的巨型框架,通过6道伸臂桁架与核心筒相连,使得巨型框架可以和核心筒有效协同工作。在水平荷载作用下,核心筒承担了48%左右的基底剪力及22%左右的倾覆弯矩,巨型框架承担了52%左右的基底剪力和78%左右的倾覆弯矩。可以看到,巨型框架承担了主要的水平剪力和绝大部分的倾覆力矩。

▲ 巨型框架与核心筒剪力与倾覆力矩分配比例(@tt)

▲ 上海中心

2 深圳平安金融中心

建筑设计:KPF & CCDI

结构设计:TT & CCDI

结构体系:巨型框架-核心筒-伸臂桁架

深圳平安金融中心,建筑高度599.1m,结构高度562.2m,地上115层,地下5层,于2017年正式完工,目前是深圳最高的建筑,同时也是中国第二高以及世界第四高的建筑。

▲ 平面尺寸

建筑平面约为正方形,角部向内切角,底部平面尺寸约为65x65m,平面尺寸沿高度逐渐收进。结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”,巨型框架由8根巨柱、7道环带桁架以及巨型斜撑组成,并设有4道两层高的伸臂桁架,将巨型框架与核心筒协调共同作用。

▲ 结构体系组成

与上海中心类似,其环带桁架在正立面采用双榀环带桁架,角部采用单榀桁架。相比于单榀环带桁架,其截面较小,与巨柱的连接较为方便,如下图所示。

▲ 环带桁架示意图

巨柱采用异形截面的SRC柱,柱内采用王字型型钢。巨柱最大截面尺寸为6525x3200mm,到顶部收为3120x1400mm,含钢率为4%~6%,如下图所示。

▲ 巨柱布置及截面示意图

在水平荷载作用下,核心筒承担的剪力与倾覆力矩比例分别为52.%和28.2%,巨型框架承担的剪力与倾覆力矩比例分别为47.5%和71.8%。可见,在伸臂桁架的协同作用下,巨型框架承担了一半左右的剪力和主要的倾覆力矩,形成了有效的双重抗侧力体系。

▲ 深圳平安金融中心(@CTBUH)

3 广州周大福金融中心

建筑设计:KPF &  GZDI

结构设计:ARUP & GZDI

结构体系:巨型框架-核心筒-伸臂桁架

广州周大福金融中心(广州东塔),建筑高度530m,结构高度495.5m,地上111层,地下4层,于2016年正式完工,目前是中国第三高、世界第七高的超高层建筑。

▲ 建筑平面沿高度变化

主塔楼建筑平面底部为正方形,平面尺寸约为58x58m,在中上部平面收进,立面效果为节节收进,如上图所示。

▲ 结构体系示意图

结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”,设有4道两层高的伸臂桁架,分别位于F23~24、F40~41、F68~69、F93~95层。并设置了6道环带桁架。

▲ 伸臂桁架示意图

巨型框架由8根巨柱和6道环带桁架组成。8 根巨柱从地下室一直延伸至办公区顶部(68 层),之后减掉 1 根,余下 7 根继续延伸至公寓区顶。6 道刚度较大的双层空间环桁架充当巨型梁,能有效地提高外框的抗侧刚度,一方面可协调外框架各竖向构件的变形差,使之受力均匀;另一方面还能将次结构上的竖向荷载传递到巨型柱上,有效减小巨柱在大风或罕遇地震作用下受到的拉力;同时,环桁架还可作为巨型柱的侧向支撑,有效减小计算长度。环带桁架均为双榀桁架,如下图所示。

▲ 加强层示意图

▲ 环带桁架、伸臂桁架与巨柱及剪力墙的连接节点

巨柱采用CFT柱,截面尺寸底部最大为3.5x5.6m,到顶部收为2.0x1.5m,含钢率为4.5%~9.0%。F1~43层柱内混凝土采用C90高性能混凝土,F44~69层采用C80,其余采用C60。

▲ 巨柱截面示意图

▲ 巨柱钢骨示意图

外墙厚度从1800mm过渡到500mm,内墙厚度为750~400mm,B5~F32层,剪力墙外墙采用箱型钢板剪力墙,如下图所示。

▲ 单层与双层钢板剪力墙

水平荷载作用下,核心筒承担了约78%的剪力和43%的倾覆力矩,巨型框架承担了约22%的剪力和47%的倾覆力矩。在伸臂桁架的约束作用下,巨型框架与核心筒共同抵抗水平荷载,剪力主要由核心筒承担,巨型框架承担大部分的倾覆力矩。

▲ 巨型框架与核心筒之间剪力与倾覆力矩分配

▲ 广州周大福金融中心(@CTBUH)

4 天津周大福金融中心

建筑设计:SOM & ECADI

结构设计:SOM & ECADI

结构体系:带陡斜撑框架-核心筒-环带桁架

天津周大福,建筑高度530m,结构高度439.4m,地上97层,地下4层,于2019年正式完工,目前是中国第三高、世界第七高的超高层建筑。

▲ 竖向平面分布图

结构体系为“带陡斜撑和带状桁架的钢管(型钢)混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构”,未设伸臂桁架。

▲ 结构体系组成(@SOM)

外框由角柱、陡斜撑(斜柱)和普通边框柱组成。塔楼立面设置 3 道环带桁架,第一道设置在中部48M~L51 层。同时也实现下部办公区 9m 柱距到上部公寓和酒店区 4.5m 柱距的转换。其余两道环带桁架设置在 L71~L73 层和 L88~L89 层设备层,在核心筒顶部(471.15m~481.15m)设置一道帽桁架来缩小周边柱与核心筒之间的变形差。

     ▲ 环带桁架示意图(@SOM)

F1~49层办公区框架柱采用CFT柱,上部公寓和酒店区域框架柱采用SRC柱,中间通过第一道转换桁架进行转换,如下图所示。

▲ 框架柱示意图(@SOM)

核心筒外墙厚度沿高度从1500mm收到900mm,内墙厚度从顶到底均为800mm。核心筒外墙从F13 层开始收掉一个角,到 F33 收掉两个角。直至F 44 层全部收掉。核心筒在F45 层至F73层呈“井”字型,F73 层以上仅剩内墙,如下图所示。

▲ 核心筒收分示意图

▲ 天津周大福金融中心

5 北京中信大厦

建筑设计:KPF & BIAD

结构设计:ARUP & BIAD

结构体系:巨型框架—钢板组合剪力墙核心筒

北京中信大厦,建筑高度528m,结构高度515.5m,地上109层,地下8层。平面为方形,底部尺寸为 78m×78m,中上部平面尺寸为 54m×54m;同时顶部逐渐放大为 69m×69m,最终形成中部略有收分的建筑造型。于2018年正式完工,目前是中国第五高、世界第九高的超高层建筑。

▲ 典型平面图

▲ 巨型支撑筒承担的剪力分布图

项目初期的业态为办公、酒店、公寓等混合业态,因此,初期的结构方案是在酒店、公寓区采用密柱抗弯框架的形式,避免在酒店公寓区出现斜撑,在办公楼层采用巨型斜撑的形式。后来随着业态的统一,结构体系才逐渐演变成现在的沿全高布置巨型斜撑的方案。

▲ 结构体系示意图

最终的结构体系为巨型框架支撑外框筒+钢板组合剪力墙核心筒组成的双重抗侧力结构体系。外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架组成。其侧向荷载主要外框的支撑筒与核心筒承担。

▲ 结构立面布置图

F1~6层采用异形多腔体巨型柱,位于塔楼平面四角,巨型柱在F7层开始分叉,由4根转换为8根,柱外形由六边形渐变为五边形、四边形,且柱截面逐渐变小。F7~F17层为六边形田字型巨柱;F18~F19层为五边形田字型巨柱;F20~F92层为四边形田字型巨柱;F93~F106层四边形箱型柱。底部柱截面约63.9m2,顶部柱截面约2.56m2。

▲ 异形巨柱分布示意图

▲ 异形巨柱分布示意图

由于外框筒沿全高设置了巨型支撑,外框筒的刚度得到了显著提高。对于一般楼层, 支撑承担的剪力占相应楼层的剪力约 40%~50% 。结构大多数楼层外框筒承担的剪力超过底部剪力的 20%。对于倾覆力矩而言,支撑筒分担了约67%的倾覆力矩。说明巨型支撑的设置,可以使得外框筒的空间作用得到充分发挥。支撑筒发挥了主要的抗侧作用,成为第一道防线,核心筒内筒成为第二道防线。在实现多道设防的前提下, 降低了混凝土核心筒在罕遇地震下刚度退化、内力重分配对型钢外框架的不利作用, 提高了结构的整体安全储备。

▲ 巨型支撑筒承担的剪力分布图

▲ 北京中信大厦

6 台北101大厦

建筑设计:CY Lee & Partners

结构设计:Evergreen Consulting Engineering & TT

结构体系:巨型框架-核心筒-伸臂桁架

台北101大厦,建筑高度508m,结构高度438m,地上101层,地下5层。于2004年正式完工,目前是中国第六高、世界第十高的超高层建筑。

▲ 结构平面及剖面

结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”结构。底部平面尺寸约为63.5x63.5m。周边设置8根巨型CFT柱和12根小的CFT柱,巨柱截面从2.4x3.0m收到1.6x2.0m,钢板厚度由70收到50mm。在26层以上只剩下8根巨柱直到90层。从基础顶到26层为斜柱,设置三道双层高环带桁架,27层以上为直柱,每隔8层设置一道环带桁架。90层以上立面收缩,设斜撑将外柱连接到内筒柱。

▲  结构平面及剖面

内筒由16根箱形柱与斜撑形成桁架筒,延伸到95层,在9层以下钢柱与600mm厚的混凝土剪力墙浇筑成整体,96层以上退缩为4根柱子,为增加平面缩小后的结构刚度,从94层到99层在箱型钢柱内灌68.9Mpa的混凝土。

▲ 巨柱截面形式

▲ 台北101大厦

7 上海环球金融中心

建筑设计:KPF & ECADI & IMAE

结构设计:LERA & ECADI & MORI

结构体系:巨型框架—核心筒—伸臂桁架

上海环球金融中心,建筑高度492m,结构高度474m,主楼地上 101 层,地下3 层。于2008年正式完工,目前是中国第7高、世界第11高的超高层建筑。

▲ 典型平面布置图

▲ 上海环球金融中心的结构体系组成

上部结构同时采用以下三重抗侧力结构体系:1)由巨型柱,巨型斜撑(主要的斜撑)和周边带状桁架构成的巨型支撑筒;2)钢筋混凝土核心筒(79层以上为带混凝土端墙的钢支撑核心筒);3)联系核心筒和巨型结构柱之间的外伸臂桁架。

▲ 伸臂桁架及环带桁架(@LERA)

核心筒在 79 层以下为钢筋混凝土剪力墙,在 79 层以上则为钢支撑核心筒体系,其端部墙外包钢筋 混凝土。核心筒既承担重力荷载,又承担由风和地震引起的部分剪力和倾覆弯矩。为改善混凝土核心筒的延性,在钢筋混凝土核心筒每个角部沿墙体全高布置了型钢。

▲ 核心筒构成示意图(@LERA)

由巨型柱、巨型斜撑以及环带桁架组成的巨型框架空间作用强,具有很大的抗侧刚度,在建筑底部的巨型框架承担了60%以上的倾覆力矩和30~40%左右的水平剪力,而且与框筒相比,避免了剪力滞后效应的不利影响,也减轻了结构自重。

▲ 核心筒与巨型框架的剪力分布图(@LERA)

结构体系内外筒抗震防线的分布与传统框架-核心筒结构体系相比发生了明显的变化,巨型框架为主要的抗侧力构件, 成为结构的第一道防线, 内部核心筒成为体系的第二道防线。

▲ 上海环球金融中心(@CTBUH)

虽然在该项目中设置了伸臂桁架,但是由于巨型框架的空间作用已经发挥的较为充分,因此,与普通的框架-核心筒或框筒-核心筒结构相比,伸臂桁架所起的作用已大大降低,因此伸臂桁架并未贯穿核心筒筒体。

8 环球贸易广场

建筑设计:KPF

结构设计:ARUP

结构体系:巨型框架-核心筒-伸臂桁架

环球贸易广场,建筑高度484m,结构高度468.8m,地上108层,地下4层。于2010年正式完工,目前是中国第8高、世界第12高的超高层建筑。

▲ 建筑平面布置图

结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”,设置了一道混凝土伸臂桁架和三道钢结构伸臂桁架。

▲ 建筑立面图

▲ 环球贸易广场

9 长沙国际金融中心

建筑设计:王董国际有限公司 & ECADI

结构设计:ECADI

结构体系:巨型框架-核心筒-伸臂桁架

长沙国际金融中心,建筑 高度452.1m,结构高度431m,地上94层,地下5层。于2018年正式完工,目前是中国第9高、世界第16高的超高层建筑。

▲ 结构体系组成(@ECADI)

结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”。共设置了2道X型伸臂桁架,分别位于建筑楼层27F~28F、54~55F。设置了5道环带桁架,分别位于建筑楼层 27F、44F、54F、64F、80F。五道环带桁架的设置,配合伸臂桁架,大大加强了结构整体刚度。

▲ 伸臂桁架布置示意图(@ECADI)

外框架由每边 4 个外框柱,每个角部设 1 个外框柱组成(外框总共 20 个柱),其中与核心筒角部对应的 8 根柱最大(底层 2600×2600)。部分外框柱在 70 层开始以小于 1:6 的斜率开始向内倾斜,以 配合建筑立面的高位收进。框架柱混凝土强度等级为从低区 C70 逐渐过渡至高区 C50。

▲ 典型平面布置图(@ECADI)

水平荷载作用下,巨型框架承担的剪力约在7%~8%左右,承担的倾覆力矩比例约为50%。说明核心筒承担了主要的剪力,由于伸臂桁架的协同作用,巨型框架承担了较大一部分的倾覆力矩。

▲ 长沙国际金融中心(@ECADI)

10 苏州国际金融中心

建筑设计:KPF & ECADI

结构设计:ECADI

结构体系:巨型框架-核心筒-伸臂桁架

苏州国际金融中心,建筑高度450m,结构高度399.1m,地上95层,地下5层。于2019年正式完工,目前是中国第10高、世界第19高的超高层建筑。

▲ 结构体系组成(@ECADI)

结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”,设置了4道伸臂桁架,5道环带桁架。伸臂桁架连接巨柱与钢筋混凝土核芯筒,协调内外筒变形,有效提高了结构整体刚度

平面尺寸约为52.7x52.7m,沿建筑周边布置了8根巨柱以及8根角柱,巨柱通过伸臂桁架与核心筒相连,巨柱内型钢采用王字型型钢,角柱采用十字型型钢。

 

▲ 苏州国际金融中心(@CTBUH)

11 南京绿地紫峰大厦

建筑设计:SOM & ECADI

结构设计:SOM & ECADI

结构体系:框架-核心筒-伸臂桁架

南京绿地紫峰大厦,建筑高度450m,结构高度316.6m,地上66层,地下5层。于2010年正式完工,目前是中国第10高、世界第19高的超高层建筑。

▲ 三维模型及平面布置

框架柱采用型钢混凝土柱,直径在1750mm~900mm ,剪力墙厚度从500mm~400mm之间变化。

▲ 伸臂桁架布置形式

结构体系采用“框架-核心筒-伸臂桁架”,在F10、F35、F60 处共设置了三道加强层。结构平面为等腰三角形,边长分别为75m和58m。核心筒也为等腰三角形布置。伸臂桁架布置在弱轴方向。

▲ 南京绿地紫峰大厦(@CTBUH)

小结

最后,我们对上述国内已建成的最高超高层建筑进行一个简单的汇总,如下表所示。

▲ 国内已建成的最高超高层建筑

可以发现,87.5%的超高层建筑采用的都是“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”体系,通过伸臂桁架与环带桁架,使巨型框架与核心筒发挥协同作用,共同抵抗水平荷载。

虽然中国近年来在超高层建筑领域发展迅猛,但是目前国内超高层建筑的设计还是主要以国外知名事务所为主,国内设计单位在超高层领域方面任然是任重而道远。相信在不久的将来,我们与国外事务所的差距会越来越小。

参考资料:  

[1] https://www.ctbuh.org/.

[2] 周建龙. 超高层建筑结构设计与实践[M]. 同济大学出版社.

[3] 高立人, 方鄂华, 钱稼茹. 高层建筑结构概念设计[M]. 中国计划出版社.

[4] 相关项目资料.

来源:结构小站 公众号,作者:严从志,如有侵权请联系我们。

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