超高層結構設計和成本控制廣州容柏生建筑結構設計事務所魏捷2010年8月27日第1頁，共37頁。一、超高層的定義我國90年代初期超高層的定義是超過100米的建筑。90年代末期深圳出現了地王大廈324.8米、賽格廣場278.8米的超高層，上海也建成了金茂大廈420米。進入21世紀的十年，高度被不斷刷新，已建成最高的建筑是上海環球金融中心，高度為492米。第2頁，共37頁。90年代超高層代表第3頁，共37頁。超過400米高層一覽第4頁，共37頁。從結構設計的角度，一般認為超過《高層建筑混凝土結構技術規程》高度限值規定的高層稱之為“超高層”。

第5頁，共37頁。二、超高層結構的特點1、超高層的主要受力特點：影響結構布置和結構構件尺寸的主要因素是水平力的作用——地震作用和風作用。第6頁，共37頁。2、地震作用主要是由結構自重產生的慣性力。主要影響因素為：結構自重、結構剛度以及結構的阻尼比。在高烈度地震區（如北京、西安、昆明、海口等8度區）以及Ⅳ類場地的7度區（上海、天津部分地區），地震作用起主導。對結構的要求是在具備一定剛度的同時應盡量減小結構的自重。3、在沿海地區，深圳、廈門、三亞等地區，由于風荷載較大，對超高層其主要作用的是風荷載。主要是100年一遇對結構變形的影響以及10年一遇對結構舒適度的影響。對結構的要求是具有足夠的結構剛度。第7頁，共37頁。三、超高層的結構體系超高層從抗側力的角度主要有：1、框架；2、剪力墻（含筒體）；3、支撐三類構件。一般需要設置兩道防線。常用的組合為：1+2、1+3、1+2+3三種。按材料劃分主要有：a、鋼筋砼結構；b、鋼結構；c、鋼—砼混合結構。上述1+2體系多采用a；1+3體系多采用b；1+2、1+2+3體系多采用c。第8頁，共37頁。1、鋼筋砼框架—筒體結構（a，1+2）在較低的超高層（200米以下）中應用較為普遍。它具有：1）剛度大；2）結構自重較大（大于20KN/㎡)；3）阻尼比大（0.05）；4）造價相對低廉等特點。在8度以下地區采用優勢較為明顯。目前，即使超過300米的結構仍然有一定優勢。例如：深圳的漢國大廈。高311.9米，75層。由于核心筒距離外框架柱跨度較小（9米），采用砼體系仍然較為經濟。按施工圖統計，結構造價約2700元/㎡。第9頁，共37頁。深圳漢國大廈提高結構的剛度是本工程的主要目標。設計時以控制風荷載位移為目標，同時驗算結構在不同目標風速下的加速度。第10頁，共37頁。混凝土樓蓋和鋼結構組合樓蓋的比較——材料用量材料類型構件

組合樓蓋

混凝土樓蓋

混凝土/組合方案

混凝土(m3)墻2915829158

柱80028002

梁-8598

樓板(包含核心筒梁)

1982019820

總計5697965577115.1%平均(m3/m2)0.500.58115.1%用鋼量

(t)壓型鋼板(m2)81500-F15以下墻體內埋666666

柱69796979

伸臂桁架39073907

梁7303-

總計188551155361.3%平均(kg/m2)16710261.3%第11頁，共37頁。2、鋼框架—支撐體系（b,1+3體系）。具有：1）剛度較大；2）結構自重輕（10~13KN/㎡）；3）阻尼比小（0.02）；4）造價相對較高等特點。在8度及以上地區采用優勢較為明顯。例如：天津津塔、北京銀泰中心等。由于構件尺寸較小，節省較多建筑空間。北京銀泰高250米，標準層僅為40米X40米；在使用空間相同的情況下，比一般的砼結構的45米X45米的平面節省面積26.5%。北京銀泰用鋼量168Kg/㎡；天津津塔用鋼量191Kg/㎡。結構造價超過3000元/㎡第12頁，共37頁。北京銀泰津塔第13頁，共37頁。銀泰平面津塔平面第14頁，共37頁。3、鋼—砼混合結構體系主要是指框架的梁、柱為鋼梁、鋼管砼柱或型鋼砼柱；核心筒為鋼筋砼筒體。應用范圍較廣。具有：1）剛度大；2）自重適中（17~18KN/㎡）；3）阻尼比0.035~0.04；4）造價介于砼和鋼結構之間。目前，國內高度前幾位的超高層建筑均采用此種體系。我所設計的安徽國際金融中心（57層，224米）采用此體系，鋼結構用量76Kg/㎡、鋼筋用量46Kg/㎡；砼用量為0.46m3/㎡。結構造價較便宜。第15頁，共37頁。安徽國際金融中心第16頁，共37頁。四、超高層結構設計考慮的主要因素1、選擇恰當的抗側力體系1）保證足夠的抗側剛度；2）保證兩道抗震防線—筒體、框架；3）保證結構的舒適度。第17頁，共37頁。結構體系第一道防線核心筒第二道防線框架第18頁，共37頁。2、選擇恰當的樓蓋體系鋼筋砼結構體系宜選擇鋼筋砼主次梁樓蓋。跨度一般在10米以內較為經濟。選擇寬扁梁，鋼筋用量一般增加20%左右。也有采用空心平板體系，跨度在9米以內可考慮。混合結構、鋼結構一般選擇鋼梁—組合樓板體系。主要是發揮鋼結構施工速度快的特點。對于跨度大于12米的情況，經濟性明顯。組合樓蓋主要有樓承板、鋼筋桁架板、鋼筋砼預制現澆疊合板等形式。第19頁，共37頁。幾種組合樓板型式第20頁，共37頁。3、選擇恰當的構件組合型式采用鋼筋砼柱時，一般采用鋼筋砼梁；采用型鋼砼柱時，可采用鋼梁和鋼筋砼梁均可。取決于樓蓋體系。采用鋼管砼柱（圓形、方形）時，應盡量考慮采用鋼梁。采用砼梁時應注意節點的處理方式：砼環梁節點影響建筑立面。目前有采用鋼管開孔的節點型式，雖有試驗結論，尚未形成規范。第21頁，共37頁。節點實例第22頁，共37頁。4、選擇恰當的基礎型式基礎型式主要取決于地質條件。恰當的基礎型式造價僅占主體造價的10%以內。選擇合理的持力層；如：強風化承載力低、埋藏淺；微風化承載力高、埋藏深。應進行經濟分析。選擇最適合場地施工、質量易控制的樁型。綜合考慮樁基和承臺的成本。主樓范圍外的地下室抗浮方案對成本影響較大。第23頁，共37頁。五、影響結構成本的幾個主要因素1、基坑支護。超高層結構由于埋深的要求，地下室較深。一般至少三層，深度在15米以上。目前深基坑主要分樁錨體系和內支撐體系兩大類。其中內支撐體系中包含“逆作法”。樁錨體系造價較高，安全性差。施工方便。內支撐體系相對便宜，安全性好。支撐影響上部結構施工。如可采用逆作法，綜合效益會比較明顯。第24頁，共37頁。內支撐體系第25頁，共37頁。15米的深基坑造價在2.2~2.6萬元/延長米。根據50~60層結構項目測算，按單棟10萬平米計算。基坑支護的造價約為80~120元/㎡。2、樁基選型除個別可以采用天然地基的情況外，絕大多數超高層結構采用樁基。樁基分為預制樁和灌注樁兩大類。1）超高層建筑可以采用預應力管樁的情況較少。主要采用鋼管樁，如上海金茂采用Φ914的鋼管樁。承載力一般，造價較高，施工速度快。第26頁，共37頁。2）灌注樁。按成孔形式分為人工挖孔和機械成孔兩類。按受力型式分為摩擦樁和摩擦端承樁。軟土地質條件都是摩擦樁。由于其承載力較低，一般按群樁和厚筏板共同工作的方式設計。其特點是承臺較厚。在受力上，布樁與板厚的關系比較密切，需要做不同的方案進行經濟比較。巖層埋藏較淺的地質條件，應首選大直徑摩擦端承樁。盡量做到一柱一樁，核心筒的樁布置在墻下。目的是減小承臺厚度。第27頁，共37頁。根據經驗統計，灌注樁的造價在100元/㎡~150元/㎡之間。而筏板的厚度不同的方案相差較大，因此基礎選型的成本控制關鍵點是筏板，樁基是相對次要的。第28頁，共37頁。3、主體結構1）剪力墻超高層的剪力墻一般抗震性能目標都是將底部加強區設定為中震彈性。其抗剪承載力是小震的2.8倍左右。墻體的配筋率一般在0.6%以上，暗柱一般需要設置型鋼。底部加強區的范圍取結構總高度的1/8取整后再加一層的高度。設置剛性加強層的結構，其加強層以及上下層也常常需要設定為中震彈性。配筋同底部加強區。剪力墻的造價在主體構件中占35%左右。第29頁，共37頁。底部加強區剛性加強層非底部加強區剪力墻部位指示非底部加強區，一般按構造配筋。分布筋為0.3%。第30頁，共37頁。2）框架柱型鋼砼柱：在底部加強區按中震彈性設計。其余部位應按規范4%的最小配鋼率配置型鋼。鋼管砼柱：除底部加強區外，其余部位應按計算值控制。在鋼管或型鋼的設計中，應特別注意材質和鋼板厚度的需選擇。普通的Q345B、C鋼材其強度按厚度分組，厚度超過35mm時，強度僅為265MPa，因此厚鋼板應優先選擇Q345GJ的高建鋼，其強度不分組。第31頁，共37頁。此外，當鋼板厚度超過40mm小于60mm時，必須提供Z15的Z向性能要求；大于60mm時需要Z25性能。這樣的材料價格一般比中厚板高15%~20%，且有一定的訂貨期。設計中應盡量避免采用。當柱斷面較大時，應注意核算每層型鋼或鋼管的重量。盡量避免單件重量過大的情況，這往往是施工選擇塔吊的決定因素。超過36B的塔吊費用將成幾倍的增加。在較長的工期中，成本和用電量都很明顯增大。柱的鋼材用鋼量一般占40~45Kg/㎡。第32頁，共37頁。3）樓層梁選擇鋼梁體系的樓蓋其成本主要分為：鋼梁、樓承板、鋼筋砼板三部分。成本主要與跨度有關。以12米跨為例，鋼梁40Kg/㎡、樓承板100元/㎡、砼0.12m3/㎡、鋼筋6Kg/㎡。樓層造價約500元/㎡（含鋼梁防火涂料）。選擇鋼筋砼體系成本約為鋼結構的60%~70%。（當然建筑效果沒有可比性）第33頁，共37頁。結構成本構成分析（以230米高度為例）項目鋼材用量（Kg/㎡)造價（元/㎡）備注基坑支護80~120基礎及底板250~300剪力墻600~800柱45500~700梁板40500第34頁，共37頁。總結只要掌握了超高層結構的特點及其成本控制的要點。實現一個經濟合理的超高層結構是可以做到的。文中的數據只代表個別項目，對普遍情況僅具有參考意義。但其內容已基本涵蓋。

第35頁，共37頁。謝謝！第36頁，共37頁。內容梗概超高層結構設計和成本控制。魏捷。90年代末期深圳出現了地王大廈324.8米、賽格廣場278.8米的超高層，上海也建成了金茂大廈420米。從結構設計的角度，一般認為超過《高層建筑混凝土結構技術規程》高度限值規定的高層稱之為“超高層”。1、鋼筋砼框架—筒體結構（a，1+2）在較低的超高層（200米以下）中應用較為普遍。設計時以控制風荷載位移為目標，同時驗算結構在不同目標風速下的加速度。混凝土/組合方案。平均(m3/m2)。壓型鋼板(m2)。平均(kg/m2)。2）結構自重輕（10~13KN/㎡）。3）阻尼比小（0.02）。由于構件尺寸