一、国内(超)高层建筑的发展简史以及发展现状
由于历史的原因,(超)高层建筑在国内出现得较晚,大约20世纪20年代才在少数几个城市开始出现高层建筑。
至于它在国内成规模和成系统的发展,其实也就自上个世纪80年代末90年代初才逐渐开始的,到今天为止仅仅30年左右的时间。所以,与国外(超)高层建筑的发展史相比,国内的发展史在时间跨度上较短,在发展脉络上显得不连贯,并有断层现象的存在。
直到1976年,国内建成了第一幢超过100米的超高层建筑,它就是广州的白云宾馆,楼高112米。
20世纪80年代以来,随着改革开放的不断深入,建筑业也随着发展的大浪潮呈现出了史无前例的一派景象。
1985年,150多米高的深圳国贸大厦以“三天一层”的深圳速度首开大陆超高层建筑建设的浪潮;1990年,北京京广中心突破200米;1996年,深圳地王大厦以“九天四层楼”的新深圳速度将大楼拔高到384米;1998年,金茂大厦以420. 5米的高度跃居当时的世界第三和中国第一。
今天,这些记录还在被不断地被刷新着,2004年台北101大楼的建成一举以508米的高度夺得当时“世界第一高楼”的称号,而2008年上海环球金融中心也以492米的高度夺得中国内陆“第一高楼”的称号。目前在建的上海中心高度为632m,建成后将成为中国第一高楼。
二、目前世界高层著名建筑简介
(1)哈利法塔(迪拜塔)
【动土时间】 2004年9月21日
【封顶时间】 2009年10月
【使用时间】 2010年1月4日
【建筑高度】 总高度: 828米(2,684英尺)
【建筑用途】 综合
【建筑层数】 162层
【结构形式】 钢筋混凝土结构
【抗震能力】 6.3级地震
【建筑造价】 105亿(RMB)
【占地面积】 34.4公顷
【设计单位】 SOM--阿德里安·史密斯
【建筑温差】 底层-顶层: -10℃
【开发单位】 伊玛尔地产
【施工单位】 中国南通六建、韩国三星工程、 BESIX、 Arabtec
(2)台北101
台北101(Taipei 101),在规划阶段初期原名台北国际金融中心,地上101层,极点高度508米,是目前世界第二高楼(2010年)。
位于台湾台北市,由建筑师李祖原设计,KTRT团队建造。
工程结构为了因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃.大楼内设置了“调谐质块阻尼器”(tuned mass damper,又称“调质阻尼器”),是在88至92楼挂置一个重达660公吨的巨大钢球,利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。
(3)上海环球金融中心
【开工日期】:1997年年初;2003年2月工程复工。
【竣工日期】: 2008年8月29日。
【占地面积】: 14,400 m2 。
【建筑面积】: 381,600 m2 。
【建筑层数】: 地上101层、地下3层 。
【建筑高度】: 492米 。
【结构形式】: 钢筋混凝土结构(SRC结构)、钢结构(S结构)。
【建筑造价】: 1050亿日元。
【投资单位】: 森海外株式会社(Forest Overseas Co., Ltd.) 。
【建筑设计】: KPF建筑师事务所 。
【结构设计】: 籁思理·罗伯逊联合股份有限公司(LERA) 。
(4)吉隆坡石油双塔
【建设地点】:吉隆坡市中市KLCC计划区的西北角
【开工时间】:1993年12月27日
【竣工时间】:1996年2月13日
【占地面积】:40公顷
【建筑高度】:452米
【建筑层数】:88层
【结构形式】:高轧制钢梁支托的金属板,钢筋混凝土
【建筑造价】:20亿马币
【投资单位】:马来西亚石油公司
【设计单位】:凯撒培礼建筑事务所·西泽配利
【建设用途】:办公
【别称】:佩重纳斯大厦、马来西亚国家石油大厦、国家石油双塔、双子塔
(5)金茂大厦
【开工日期】:1994年5月10日
【竣工日期】:1999年3月18日
【占地面积】:2.3公顷
【建筑面积】:29万平方米
【建筑层数】:地上88层,地下3层
【建筑高度】:420.5米
【结构形式】:钢筋混凝土结构
【建筑造价】:50亿
【投资单位】:中国金茂(集团)股份有限公司
【建筑设计】:美国芝加哥SOM设计事务所
【英文名称】:Jinmao Building
三、国内部分超高层结构介绍
广州珠江新城西塔 结构体系分析
1.1抗侧力结构体系
采用巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒体系。69层以上,由于建筑使用功能的需要,取消了核心筒的内墙,仅保留部分核心筒外墙并向内倾斜,电梯井道移至核心筒外,形成巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+剪力墙结构体系。水平荷载(包括风荷载和地震作用)产生的倾覆力矩大部份由斜交网格柱外筒斜柱的轴力承担,基底剪力大部份由钢筋混凝土内筒承担。
广州西塔修长挺拔,高宽比达6.5,平面为类三角形,外周边由六段曲率不同的圆弧构成;立面由首层至31层外凸,31层至103层内收,剖面外轮廓也呈弧线。西塔外周边共30根钢管混凝土斜柱于空间相贯,节点层间距离27m;73层以下每节点层间分6层,层高4.5m;其余分8层,层高3.375m。
广州西塔斜交网格外筒的组成包括:①、竖向构件——以一定角度相交的斜柱;②、水平构件——沿外周边布置、连接网格节点的环梁及沿外周边布置、支承于斜柱的楼面梁。斜交网格筒体的几何构成决定了它抵抗水平力的独特优点,侧向刚度和扭转刚度也远优于框筒,但竖向刚度比框筒稍差。水平力由斜柱的轴向力平衡,倾覆力矩引起的竖向力也由交于节点的斜柱的轴力平衡。
斜柱中弯矩产生的原因:一是节间的竖向荷载,并与斜柱的交角和层高相关;二是网格节点的水平位移,相邻层间节点水平位移差越大,斜柱的柱端弯矩越大。网格节点水平位移的大小除取决于斜柱轴力、平面内的交角和平面外的折角外,还取决于网格筒环梁、内外筒间的拉梁和楼板的轴向刚度。节点的水平约束越强,斜柱截面的剪力和弯矩越小,同时,结构的竖向刚度越大。
计算分析表明,西塔的层高不大,斜柱的交角也不大,由13.63゜~34.09゜,自重引起的弯矩也不大;对各节点层施加了体外预应力,阻止了竖向荷载作用下网格节点的向外水平位移,大大减少了斜柱的柱端弯矩和剪力,提高了结构的竖向刚度。不论是竖向还是水平荷载,斜柱的主要内力是轴力,剪力和弯矩均很小。
钢管混凝土柱轴向刚度大,承载力高,延性好,以轴力的形式来抵抗风荷载和地震作用产生的水平力和倾覆力矩,正好发挥了钢管混凝土结构的优势,十分高效。此外,由于斜柱底端弯矩、扭矩很小,即使释放支座处X、Y、Z三个方向的转角约束,结构自振频率的变化甚微,即斜柱支座刚接或铰接对结构的侧向刚度和构件内力的影响很小,这就可以简化支座的设计和构造。
钢管混凝土外筒斜柱断面尺寸:
§从基底开始,钢管直径1800mm,壁厚35mm,每一个节点层直径缩小50mm或100mm,至顶层钢管直径700 mm,壁厚20mm。
核心筒外墙厚: 地下室1100mm,出地面1000mm,沿高度方向逐渐减薄至酒店层下层500mm;酒店层以上4层350mm,其余300mm;
核心筒内墙厚: 500mm。
1.2、楼盖结构体系
首层以下及核心筒内采用钢筋混凝土梁板,板厚130~200mm。内外筒之间采用钢-混凝土组合楼盖,梁跨度约8~15m,工字钢梁高一般为450mm,跨度较大处加高至600mm;办公楼层板厚一般为110mm,酒店楼层板厚一般为130mm,板跨度较大处局部加厚。
1.3、基础
主塔楼位置基础底板已到达中微风化泥质粉砂岩层。考虑到部分柱位下岩石裂隙较发育,采用人工挖孔桩(墩)基础,持力层均为微风化粉砂岩或砾岩,设计要求岩样天然湿度单轴抗压强度不小于13MPa。桩径3200~4800mm,桩长约6~13m。单桩竖向承载力特征值为110000kN~247000kN。部分桩有抗拔要求,单桩抗拔承载力特征值为5000kN~15000kN。
主塔楼位置基础底板厚2.5m。
1.4、主要结构用料
钢材:
Q345B-除节点外的外筒钢管混凝土斜柱,楼盖钢梁及其他钢结构构件
Q345GJC-节点部分的钢管、椭圆拉板及加强环板
1860级高强低松弛钢绞线-节点层体外预应力索
混凝土:
C50-桩及基础底板
C80~C50-核心筒及剪力墙
C70~C60-外筒钢管混凝土斜柱
C90~C60-外筒钢管混凝土斜柱节点
C40~C35-楼板
三、超高层建筑结构总结
从以上著名实例可见,超高层建筑结构体系具有明显的特点:高度高、刚度大、荷载重,外观美。具体表现在
1)框架-筒体结构、筒中筒结构和成束筒结构以及混合结构、巨型框架-核心筒-加强桁架、巨型框架-核心筒-巨型斜撑-伸臂桁架成为主要的结构体系。
2)巨型柱为主要承重结构,巨型柱的荷载极重,超过万吨。
3)塔楼标准层平面结构均为钢结构以减轻结构自重.
4)结构风荷载受力复杂,风荷载在整体荷载作用效应中比例很大。故多采用塔形,既美观,又减小风力。
5)基础平面一般为矩形,方形和三角形,巨型柱布置对称,有利于抗风抗震,受力均匀。
因此,在选择结构体系时各专业应密切配合,综合考虑超高层建筑结构设计的四个控制因素:竖向荷载、水平荷载、地基基础和业主要求,方能选择一个结构先进外形美观、方便施工。既安全有经济的方案。