高层建筑结构的发展以及案例分析

高层建筑结构的发展以及案例分析

摘要：

高层建筑的高度在一定程度上反映了一个国家的综合国力和科技水平。 如今世界各国已建或者在建的高层建筑越来越高，数量也随之越来越多。为更好地认识高层建筑的发展，尤其是针对高层建筑结构方面的认识，本文做一个相对清晰的分析。

关键词：高层建筑结构 框架 筒体 剪力墙 正文：

一、高层建筑的定义及分类标准

1、层数或高度超过规定值的房屋建筑称为高层建筑。

不同的国家的定义标准也存在些许差异，例如以下几个国家：美国规定22~25m或7层以上；法国规定50m以上的居住建筑、28m以上的其他建筑；英国规定24.3m以上的建筑；日本规定8层以上或超过31m的建筑，并把30层以上的旅馆、办公楼和20层以上的住宅规定为超高层建筑。

2、对可以称之为高层建筑的建筑物又有进一步的分类。世界高层建筑委员会1972年建议将高层建筑划分为以下四类：第Ⅰ类：高度不超过50m (9~16层)；第Ⅱ类：高度不超过75m (17~25层)；第Ⅲ类：高度不超过100m (26~40层)；第Ⅳ类：高度超过100m (40层以上)。

3 、在中国《住宅设计规范》（GB50096—1999）中，规定住宅按层数分为： 一层至三层为低层住宅；四层至六层为多层住宅；七层至九层为中高层住宅；十层以上为高层住宅；100m以上称为超高层建筑。

二、高层建筑的主要结构类型简介及案例分析

1、框架结构体系

高层建筑中的框架结构体系由纵、横向刚接框架组成，框架既承受竖向荷载，又承受两个方向的水平荷载。框架结构具有布置灵活的优点，容易满足各种不同的建筑功能和造型要求。但是侧向刚度相对较小，其高度受到限制。

为了提高框架结构的侧向刚度，将柱子做成小筒体（即成箱型截面）或格构柱，在筒体与筒体之间每隔若干层设置矩形梁或桁架，形成主框架结构；其余楼层设置次框架，次框架可以落在巨型梁上或悬挂在巨型梁上，次框架上的竖向荷载和水平荷载全部传递给主框架，这种框架称为巨型框架。例如美国芝加哥汉考克大厦就是巨型桁架结构。

汉考克大厦的商业用房占据了底层空间，向上逐渐为停车库，办公空间及住宅区。它就像个小的竖向城中城。如果当初分开建一栋45层的公寓楼和一栋70层的办公楼，那么楼座就会占用基地的大部分，影响私密性和采光；先合盖为100层的大厦，节约的基地被用作露天场地。汉考克大厦设计

了直抵基岩的巨大沉箱基础。楔形塔身由基底处的40000平方英尺(3716.1㎡)面积收缩到顶

部的18000平方英尺(1672.24㎡)面积。

这种造型不仅有利于结构稳定性还有利于有效使用空间。外檐柱与桁梁构成一个钢桶，并由在外立面上清晰同见的斜撑以及与这些斜撑和角柱和连结的结构楼板所加强。其结果是结构体系非常简洁并目十分有效。此项创造性的结构体系而且还十分经济，只需使用传统内柱系统用钢量的一半。

2、剪力墙结构体系

剪力墙结构体系由纵、横剪力墙和楼盖构成，剪力墙既承受两个方向的水平荷载，又承受全部的竖向荷载。剪力墙结构体系的侧向刚度较大，因而可以建造的高度比框架结构体系大。同时，剪力墙结构体系的平面布置受到很大限制，适用于隔墙位置固定，平面布置比较规则的住宅、旅馆等建筑。例如广州白云宾馆，它是我国首栋百米高层建筑。

1972年，为扩大对外贸易，适应交易会的需要，中央决定在广州兴建白云宾馆。1976年年初，投资2000万的白云宾馆基本完工。楼高120米，共34层(包括地下室一层)，拥有客房718间，为当时中国的第一高楼。1976年6月1日，白云宾馆正式开业。

广州白云宾馆的楼群掩映在郁葱的“绿意”中，2000平方米的前庭花园，绿树葱茏，芳草如茵，在车水马龙的环市东路上，俨然是“城中绿岛”。

3、框架—剪力墙结构体系

框架—剪力墙结构体系由框架和剪力墙组成，它克服了框架结构侧向刚度小和剪力墙结构开间小的缺点，发挥了两者的优势：既可以使建筑平面灵活布置，又能够对层数不是很多的高层建筑提供足够的侧向刚度。

由于楼盖在自身平面内的巨大刚度，水平荷载由框架和剪力墙共同承担，一般情况下，剪力墙承担大部分剪力。符合范围内的竖向荷载则由框架和剪力墙各自承担。

4、框架—支撑结构体系

框架—支撑结构体系是在部分框架柱之间设置竖向支撑，框架柱和支撑构成竖向桁架，形成框架+竖向桁架的平面复合结构体系。竖向桁架的侧向刚度比框架大得多，可以承担大部分水平荷载，大大提高了结构的侧向刚度。由于钢框架结构的侧向刚度比混凝土框架结构小，并且钢结构的节点连接较易实现，框架—支撑结构体系一般用于钢结构。

5、筒体结构体系

A、框架—筒体结构体系

为了减小楼面结构的跨度，中间往往设置一些柱子，以承受竖向荷载，而水平荷载全部由框筒结构承担。

B、筒中筒结构体系

筒中筒结构体系由建筑物四周的框筒和内部的核心筒组成。筒中筒结构体系的侧向刚度非常大，是目前超高层建筑的主要结构形式。例如广州国际金融中心亦称广州西塔就是斜交网格外筒与剪力墙内筒结构。

广州国际金融中心为103层，高437.51米，2010年10

月15日投入试运营。44.8万平方米，是集办公、酒店、休闲娱乐为一体的综合性商务中心，“通透水晶”。结构采用钢管混凝土巨型斜交网格外筒与钢筋混凝土剪力墙内筒的结构体系，在世界超高层建筑中是唯一的一例。30根钢筋混凝土圆筒环绕在塔身四周，每根圆筒直径达1.8米。该结构具有足够的抗侧刚度和优异的抗震性能，能有效抵御强风、地震的侵袭。外墙采用全隐框玻璃幕墙系统。主体建筑每隔15层会设置一个避难所以防火灾，设有3个消防楼梯。该层的外墙和天花板均涂有可耐烧3个小时的防火涂料；楼顶贮存有600立方米消防水，可采用重力水流灭火。

C、成束筒结构体系 当筒的高宽比过小（小于3），将发生严重的剪力滞后现象，影响框筒空间作用的发挥。解决的方案之一是将单个筒划分为若干个并列的筒，减小通的宽度，即形成成束筒。例如美国西尔斯大厦。

希尔斯大厦为九个22.9米见方竖筒组成，外形逐渐上收，51到66层截去对角两个筒，67到90层截去另两个对角筒，91到110层截去三个边筒，剩两个。不仅突破了建筑顶部的平头规则，而且减少了风力影响。造成帝国大厦顶摇摆10厘米的巨风，只使西尔斯大厦摇摆2—3厘米！只需55秒钟，从地面一层直达第103层，从那里的观光大厅鸟瞰整个芝加哥市，天气晴朗的时候，可看到美国四个州。

D、核心筒结构体系

核心筒结构体系四周的柱子不落地，四周结构的水平和竖向荷载通过由核心筒外伸的大梁（或桁架）全部传递给核心筒，也称为筒体外伸结构体系，这种结构占地面积小，可在四周留出空间满足绿化、交通、保护古迹等城市规划要求；若四周的柱子仅承担若干层楼面荷载，截面尺寸较小，可开较大的窗户，立面布置灵活。

上海金茂大厦就是框架—核心筒结构，钢筋混凝土核心筒与钢结构外框架结合的组合结构体系。在24—26层、55～57层、85～87层有三道外伸桁架将核心筒与八根巨型柱连接成一个整体。基坑开挖深度约20米，主楼基础承台为4米厚。13500立方米的C50高标号大体积混凝土，主楼泵送混凝土高度达到382.5米。

结束语：

世界各城市的生产和消费的发展达到一定程度后，都会积极致力于提高城市建筑的层数。实践证明，高层建筑可以带来明显的社会经济效益：首先，使人口集中，可利用建筑内部的竖向和横向交通缩短部门之间的联系距离，从而提高效率；其次能使大面积建筑的用地大幅度缩小，有可能在城市中心地段选址；第三，可以减少市政建设投资和缩短建筑工期。

当高层建筑的层数和高度增加到一定程度时，它的功能适用性、技术合理性和经济可行性都将发生质的变化。与多层建筑相比，在设计上、技术上都有许多新的问题需要加以考虑和解决。作为一名土木工程专业的学生更要知道高层建筑在结构方面的问题。主要有：①考虑高层建筑遇到巨大风力和地震力时所产生的水平侧向力。②严格控制高层建筑体型的高宽

比例，以保证其稳定性。③使建筑平面、体型、立面的质量和刚度尽量保持对称和匀称，使整体结构不出现薄弱环节。④妥善处理因风力、地震、温度变化和基础沉降带来的变形节点构造。⑤考虑在重量大、基础深的地质条件下如何保证安全可靠的设计技术和施工条件问题。

中国的高层建筑历史源远流长。古代就开始建造高层建筑，埃及于公元前280年建造的亚历山大港灯塔，高100多米，为石结构（今留残址）。中国建于523年的河南登封县嵩岳寺塔，高40米，为砖结构，建于1056年的山西应县佛宫寺释迦塔，高67米多，为木结构，均保存至今。因此，作为中国的土木工程的学生，应该好好学习专业知识，为了我国以后的高层建筑发展，做出自己的一份贡献。

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