我國超高層建筑結構的發展與展望

 

隨著改革開放40年國內經濟快速發展以及城鎮化進程的加速，我國高層建筑和超高層建筑呈現出雨后春筍般的發展，我國已成為全球超高層建筑發展的中心，在該領域總體上已達到國際先進水平。首先以時間為維度，概括回顧了我國高層建筑從20世紀二三十年代起源，七八十年代局部發展，到改革開放之后飛躍發展的歷程。其次重點介紹21世紀以來近20年我國超高層建筑結構的新發展：不斷攀升的建筑高度和綜合建筑功能衍生出的結構效率、延性和可建性更佳的結構體系，所采用的抗風設計手段和各種減振措施，基于性能的抗震設計方法和消能減震技術的廣泛應用。精確的計算分析手段和方法驗證了超高層建筑結構設計的可行性，部分影響結構經濟性的整體結構控制指標需要進一步探討。大量的試驗研究和專項技術研究為結構設計的創新提供了依據，同時也提升了其關鍵技術。最后，基于目前超高層建筑發展現狀、存在的問題和面臨的挑戰，對今后超高層建筑結構的發展，包括若干重點技術的研發和突破等方面進行展望，也期待我國早日從超高層建筑的大國成為超高層建筑的強國。

0 概述

1949年10月1日中華人民共和國的成立，是20世紀世界上最為重大的歷史事件之一。偉大的中華民族從此粉碎三座大山的桎梏，走上民族振興之路。70年滄桑巨變，中國發生了翻天覆地的變化，尤其是改革開放40年，中國插上了騰飛的翅膀，一舉發展壯大成為世界第二大經濟體。這個過程中，建設行業做出了巨大的貢獻，同時建設行業自身也上升到了一個新的水平，總體實力和科技水平進入了世界前列。城鄉面貌和人民生活發生了巨大的變化，而其中令人印象深刻的成就之一，是全國各地聳立的大量高層和超高層建筑。

中國是世界第一人口大國，雖然疆域遼闊，但可供建設的土地面積有限。在城市化進程中，上億農村人口涌入城市，更加重了建設用地的緊缺性。因此，在我國適度發展高層與超高層建筑，是一種不可替代的選擇。而改革開放帶來的經濟高速發展，以及由此而形成的經濟實力和技術積累，是高層建筑發展的基礎。正是在這種條件下，出現了中國高層建筑飛躍發展，這也引起了全世界同行的矚目。世界高層建筑與城市人居協會（CTBUH）的統計資料中有詳實的數據表明中國在這個領域中的地位。2018年全世界范圍竣工的高度200m以上的143座高層建筑中，中國有88座，占61.5%，連續23年位居世界之首。根據已經建成和在建項目推測的2020年全球最高的20棟超高層建筑中，中國共有11棟，中國已經當之無愧地成為世界高層建筑第一大國（圖1）。

                           

圖1 2020年全球最高20棟超高層建筑（CTBUH提供）

 

1 高層建筑發展進程的回顧

中國高層建筑的發展，始于20世紀二三十年代。中國發展商利用了兩次世界大戰之間的有利時機，在上海、廣州等沿海城市建設了一定數量的高層建筑，形成了上海外灘等高層建筑群，其中最具代表性的當屬上海國際飯店。這座24層、高83.8m的鋼結構高層建筑在技術上屬國際第二代高層建筑，雄踞中國第一高樓位置近50年。與上海國際飯店同期建造的還有上海大廈、廣州愛群大廈等一批知名高層建筑。然而這一趨勢由于抗日戰爭的爆發而中止。

新中國成立以后，迅速轉入大規模工業建設，這一時期基本沒有高層民用建筑。直至20世紀60年代末、70年代初，由于外事工作的需要，在北京、廣州等城市建設了少量高層民用建筑，代表性的建筑有27層的廣州賓館、17層的北京飯店新樓以及高度突破百米的廣州白云賓館。這些高層建筑均為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。值得一提的是80年代中后期，在北京、上海等地建設了一批高度在20層以下、鋼筋混凝土剪力墻結構的高層住宅，采取了預制與現澆相結合的結構方案。北京稱為“內澆外掛”，上海稱為“一模三板”，屬高層裝配式住宅的早期嘗試，代表性工程有北京前三門大街住宅及上海漕溪北路住宅。

1978年黨的十一屆三中全會確定的改革開放方針，極大地推動了經濟建設的發展，也帶來了高層建筑的春天。80年代初在深圳等經濟特區及沿海主要城市建成了一批標準較高的高層建筑，其中代表性的有深圳國貿大廈、廣州白天鵝賓館、上海華亭賓館、聯誼大廈等，這些項目的設計基本由國內設計師主導。

在此期間我國頒布了《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規定》（JZ 102-79），適時地為高層建筑結構設計提供了技術支撐和引導。也是在此期間建工部組織了國內部分主要設計院協作編制結構分析用的系列軟件，形成SPS軟件庫，其中包括排架、框架、框架-剪力墻結構等的專用軟件，對結構分析電算化的逐步普及起到了積極的作用。為了滿足廣大結構設計人員學習與交流的需要，始自1975年的高層建筑結構技術交流會在全國各地輪流舉行，延續至今且影響逐步擴大，對高層建筑結構設計技術的發展起到了積極推動的作用。

隨著改革開放的深入，設計市場也開始對外開放，一批國外設計事務所進入中國，他們帶來了新的設計理念和技術。本土設計師在與境外同行合作設計過程中開闊了視野，也得到了提高。這個時期建筑高度進一步提升，結構形式更為多樣，出現了鋼結構和鋼-混凝土混合結構的高層建筑，代表性建筑有上海新錦江大酒店、希爾頓大酒店、北京京廣中心，京城大廈、深圳發展中心、南京金陵飯店等一批有影響的高層建筑。

1990年國家宣布上海浦東開發，使浦東陸家嘴成為高層建筑建設的熱土。東方明珠廣播電視塔的建設是浦東新區第一個標志性項目。這個完全由中國工程技術人員設計建造的工程采用“大珠小珠落玉盤”的建筑形態和空間巨型框架結構體系，以及先進的施工方法，成為世界塔桅建筑中的一顆明珠。隨后大量金融辦公建筑同時開始建設，這些項目體量大、設計標準高、空間變化復雜、結構體系多樣，吸引了大量國際知名設計事務所參與其設計。在短短的10年左右時間，建筑高度跨越了400，500m兩個臺階。我國工程技術人員在參與建設的過程中其設計水平得到了很大提高。浦東陸家嘴CBD代表性建筑有金茂大廈、交銀金融大廈、環球金融中心、森茂大廈、信息樞紐大廈等（圖2）；結構體系中包含了加強層、巨型空間支撐框架、弱聯系雙塔樓、懸掛結構及部分預制裝配結構，體現當時國際水平的先進結構體系和技術得到比較廣泛的應用。

 

圖2 浦東陸家嘴CBD超高層建筑群

進入21世紀以來，改革開放的進一步深入和國力的增強使我國高層建筑的發展進入了一個新的階段。地域分布進一步拓展，除一線城市及環渤海、長三角、珠三角地區之外，在很多二、三線城市也開始大量建造高層與超高層建筑，數量比較集中的有武漢、合肥、重慶、成都、西安、沈陽等城市。建筑高度進一步增加，建成了一批600m級的超高層建筑。結構體系多樣化，當今世界上所有的超高層建筑結構形式，在我國均有建造?；旌辖Y構因其比較符合我國國情，繼續成為應用最廣泛的結構形式。鋼結構也得到大力推廣，尤其是在高層住宅建筑方面勢頭良好，出現了一些有中國特色的鋼結構體系。性能化設計逐步應用于設計，消能減震技術和振動控制技術也在很多重要工程中得到應用。近20年的發展反映了我國在高層結構領域總體上已達到國際先進水平。近幾年我國連續有一些項目（CCTV新臺址、深圳平安金融大廈、上海中心大廈等）被CTBUH評為世界最佳高層建筑雄辯地說明了這一點。

我國已經形成了比較完善的高層建筑結構設計、施工的規范和標準體系，對保證工程質量起了巨大的作用。

 

2 超高層建筑的新進展

近20年來中國超高層建筑和結構的發展主要呈現出以下趨勢^[1-2]：

（1）建筑高度不斷被突破，在上海、深圳、天津、武漢立項了4棟600m級的超高層建筑，目前均已建成或基本建成（其中個別項目因非結構原因建筑高度有調整）。擬建的蘇州中南中心建筑高度達到729m。

（2）建筑的功能呈現出多樣化和綜合化發展，通常以辦公、住宅、公寓及酒店為主要使用功能。

（3）結構抗側力體系以框架-核心筒為主并呈現出多樣性，如連體結構、斜交網格筒、桁架筒以及鋼板剪力墻等更高效的結構體系逐漸增多。

（4）基于性能的抗震設計方法逐步普及，消能減震（振）技術在超高層建筑結構抗震或抗風設計中應用日益廣泛，結構材料更加注重高強和延性。

（5）由本土結構工程師自主設計的超高層建筑的數量和高度在不斷增加，原創最高建筑高度已突破500m；本土工程師和國外事務所發揮各自優勢，共同推動我國超高層建筑結構技術的發展。

（6）開發商對超高層建筑結構的安全、結構造價和可持續性發展日益關注，并引入了結構設計第三方同業審核制度。

 

2.1 超高層建筑結構體系

 

超高層建筑結構抗側力體系是決定超高層建筑結構是否合理和經濟的關鍵。此外，隨著建筑高度的不斷增加，建筑功能越來越復雜，對結構抗側力體系的效率要求也越來越高，對結構體系的創新也越來越迫切。超高層建筑結構抗側力體系的發展除了從傳統的框架、剪力墻、框架-剪力墻、框架-核心筒、框筒結構逐步向框架-核心筒-伸臂、巨型框架、桁架支撐筒、筒中筒、束筒等結構體系轉變外，還衍生出交叉網格筒、米歇爾（Michell）桁架筒以及鋼板剪力墻等新型結構體系，并進化出了多種體系雜交混合使用^[3]。結構材料也從純混凝土結構、鋼結構向鋼-混凝土混合結構轉變。

結構體系呈現主要抗側力構件周邊化、支撐化、巨型化和立體化的特點。建筑業態綜合化、高度不斷突破、消防疏散等因素也促使其由單幢超高層建筑朝若干超高層建筑塔樓組成的“空中城市”以及連體結構發展。

2.1.1混合結構和組合構件迅速發展成為主流

鋼筋混凝土結構自重較大導致可使用樓面效率低，純鋼結構剛度偏弱導致用鋼量高、結構造價昂貴。兩種結構體系各自存在的不足限制了其在超高層建筑中的應用。除了超高層住宅或公寓外，當建筑高度超過250m時采用鋼筋混凝土結構或鋼結構的超高層建筑相對較少。20世紀90年代初設計的廣州中信大廈為國內大陸建成最高的鋼筋混凝土結構^[4]，建筑高度391m（含屋頂60m高避雷塔），采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，底層剪力墻厚度1600mm，結構自重達3.01×10⁶kN。目前國內已建成最高的純鋼結構為深圳漢京中心，建筑高度350m，采用核心筒完全偏置的鋼框架支撐結構，其用鋼量達到300kg/m²?？捎行Оl揮鋼與混凝土自身優點、適合我國國情的鋼-混凝土混合結構逐漸增多。據中國建筑科學研究院（CABR）統計^[1]，已建成的150m以上的高層建筑中,混合、組合結構約占22.3%；200m以上的高層建筑,混合、組合結構約占43.8%；300m以上的高層建筑,混合、組合結構約占66.7%。近年來混合結構發展更為迅速，2014年同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司對258幢建筑高度250m以上超高層建筑的結構材料進行了統計^[5]，其中鋼-混凝土混合結構占98.4%。國內500m以上高度的在建或已建的超高層建筑結構全部采用鋼-混凝土混合結構體系（表1）。

500m級超高層建筑結構體系一覽         表1

工程名稱	建筑高度/m	結構體系	巨柱形式
蘇州中南中心*	729	1	SRC
武漢綠地中心*	636	1	SRC
上海中心大廈	632	1	SRC
深圳平安大廈	599	2	SRC
天津高銀117大廈	597	2	CFT
合肥寶能CBD-T1*	588	1	SRC
沈陽寶能城*	568	2	CFT
廣州東塔	530	1	CFT
北京中信大廈	528	2	CFT
大連綠地中心*	518	1	SRC
合肥恒大中心*	518	1	SRC
南京江北綠地中心	500	1	SRC

注：1）*表示在建的超高層建筑高度或有調整；2）結構體系1表示組合巨型框架+RC核心筒；結構體系2表示組合桁架支撐筒+RC核心筒；３)ＳＲＣ 柱為鋼骨混凝土柱，ＣＦＴ 柱為鋼管混凝土柱。

盡管如此，目前建成的鋼-混凝土混合結構尚未經受實際地震的考驗，結構阻尼比取值、整體結構的協調工作性能以及高性能結構材料的應用等仍需進行更深入和系統的研究^[1]。

2.1.2結構體系多樣化及結構效率提升

常用的超高層建筑結構抗側力體系如圖3所示。每種結構體系都有其受力特點、合理的適用高度以及適用的建筑功能。工程實踐表明，框架-核心筒（伸臂加強層）一般適用于建筑高度150~300m的超高層建筑，巨型結構以及斜交網格筒等適用于300m及以上高度的超高層建筑。除了單位面積材料用量這一直接指標外，頂點位移、彎曲變形占結構頂點位移的比例以及可使用樓面面積的效率等也是評價抗側力體系效率高低的重要指標。華東建筑設計研究總院（ECADI）對近80棟建筑高度在250m以上的混合結構的分析和統計表明^[6]，結構豎向構件（外框柱+核心筒剪力墻）的截面總面積占底層建筑面積的6%~10%。

 

圖3 超高層建筑常用結構體系與布置

我國超高層建筑大多采用以框架-核心筒結構為主的雙重抗側力體系，也有懸掛結構這樣的單重抗側力體系（圖4（a））。以常用的框架-核心筒為例，無論外框架、核心筒還是斜撐、伸臂加強層等均有多種不同的組合和變化，體現出結構設計的多樣性。   

 

圖4 抗側力體系的多樣性

（1）外框架

外框架是形成建筑外輪廓的主要結構，同時承擔在側向荷載作用下的較大傾覆力矩和部分剪力。外框柱常常隨著建筑體型變化而變化。外框柱通常采用斜柱、搭接柱或轉換柱的形式適應建筑體型錐形化、退臺等的內收，以滿足建筑功能綜合化帶來的不同建筑功能下的不同進深需求。在扭轉建筑體型中，外框柱沿高度每層旋轉若干角度。

追求抗側力體系的高效率必然導致超高層建筑結構周邊化布置。除了常規的稀柱框架外，外框架也有采用密柱深梁的框筒結構（柱網間距小于4.5m）以及巨型框架結構（外框柱數量不大于8個）。1)密柱框筒結構由美國SOM的Fazlur Khan在20世紀60年代率先提出?？蛲步Y構經過一段時期的發展和冷落，近年來有復古回歸的跡象。深圳證券大廈、北京國貿三期等均采用密柱框筒結構。在塔樓低區，密柱需要通過轉換加大開間以滿足建筑功能。深圳華潤總部密柱和裙梁采用偏心布置以突出建筑豎向線條效果（圖4（b））。2)巨型框架由巨柱和環帶桁架組成，外框巨柱通過伸臂桁架與核心筒連接，強化整體彎曲效應。外框巨柱截面面積通常超過10m²，通過最大程度集聚樓面豎向荷載，以平衡水平荷載作用下傾覆力矩引起的拉力。因此巨柱軸壓比相對較低，水平荷載作用下極少出現拉力，抗剪剛度小，其截面剛度需求高于承載力需求。環帶桁架作為巨型框架的重要組成部分，兼具轉換次框架的功能。南京江北綠地中心將拱結構代替傳統的環帶桁架，進一步提高環帶桁架的結構轉換效率（圖4（c））。

外框柱通常采用SRC柱、CFT柱以及CFRT柱（矩形鋼管混凝土柱）等截面形式（圖5）。其中SRC柱中鋼骨大多采用實腹式型鋼，含鋼率4%~6%，而早期建設的金茂大廈以及上海環球金融中心等巨柱采用分離式型鋼。武漢中心圓鋼管柱（CFT柱）直徑達到3m，對梁柱節點進行了專門研究。廣州東塔和沈陽寶能金融城采用矩形鋼管混凝土柱（CFRT柱），截面面積達20m²；天津高銀117大廈的多腔鋼管混凝土柱截面面積達到45m²，對其承載力、柱腳節點構造、抗火性能、焊縫構造等均進行了專項研究。

 

圖5 巨柱截面形式

 

（2）核心筒

核心筒結構貫穿建筑物全高，容納了主要垂直交通和機電設備管道，并承擔了大部分的豎向和水平荷載，通常作為超高層建筑的第一道抗震防線。隨著建筑高區電梯數量和機電設備用房的逐步減少，核心筒面積也逐漸收縮。

核心筒的布置除了傳統布置在平面正中基本對稱外，也有采用端部分離式筒體以及多個角筒組合而成（圖6（a）），或者采用核心筒偏心布置的形式（圖6（b））^[7]。

 

 

圖6  核心筒結構的變化

核心筒結構除了少量全鋼結構采用框架支撐筒外，大多采用鋼筋混凝土核心筒。核心筒剪力墻通過雙翼墻、斜墻以及減少墻肢數量或墻肢長度、核心筒開洞等方式相應收進，以適應高區核心筒面積不斷縮小的需求。為了滿足墻肢軸壓比、減薄墻厚等要求以及提高抗剪承載力，在超高層建筑低區采用鋼板組合剪力墻、鋼管剪力墻或型鋼混凝土剪力墻等。核心筒結構也有采用鋼板剪力墻，如天津津塔^[8]（圖6（c））利用鋼板屈曲后強度產生的張力場效應來抵抗水平荷載。為了提高施工速度，外包鋼板剪力墻也在珠海十字門等工程中嘗試應用。為了減輕塔樓結構自重，核心筒結構也有沿建筑高度采用混合結構體系，如上海環球金融中心（IFC）和廣州西塔等工程在中低區核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻，高區核心筒則采用鋼-框架斜撐結構。

 

圖7  斜撐的變化

 

（3）斜撐

外框支撐主要以軸向受力抵抗水平荷載，充分發揮截面材料的效率。其布置形式也有多種變化，通常采用跨越若干樓層的巨型斜撐，既有上海環球金融中心的單斜桿巨型斜撐，也有香港中國銀行和北京中信大廈的交叉斜撐。天津高銀117巨型斜撐與豎向承重結構分離的形式^[9]，一方面可使巨型斜撐僅承擔軸向力，以最大效率抵抗水平荷載，另一方面也可弱化斜撐的建筑立面效果。集承重體系與抗側力體系于一體的斜交網格筒結構也在超高層建筑工程中有所應用（圖7（a））。

除了傳統的框架中心支撐，也在嘗試應用高腰桁架筒（圖7（b））或米歇爾桁架筒(圖7（c）），進一步提升了支撐結構的效率。但結構材料的高效與對建筑立面效果的影響以及節點構造復雜程度需要進一步平衡。偏心支撐不僅能通過耗能梁段提高抗震延性，又便于核心筒建筑門洞開設，在鋼結構核心筒體系中扮演了重要的角色。

（4）結構加強層

伸臂桁架充分利用外框柱的軸向剛度，極大提高了框架-核心筒結構的整體抗傾覆能力，在250m以上高度的超高層建筑中得到了廣泛應用。

伸臂桁架加強層的設置有效提高了塔樓結構的抗側剛度，同時也引起了結構剛度的突變，而且對建筑空間以及施工周期都產生一定影響。因此，伸臂桁架加強層也是一把“雙刃劍”。目前設計界有“效率優先”和“均勻剛度”兩種觀點，前者更注重伸臂桁架優化布置，如樓層位置、數量以及桁架的形式，后者更注重抗震延性，避免結構剛度突變?，F行規范建議的伸臂桁架最優布置與建筑高度的關系是基于結構體型和剛度沿高度均勻變化且伸臂桁架剛度無限剛的假設。實際工程建筑體型和豎向剛度變化很多，因此應通過如頂點位移與基本周期(包含風荷載作用下對結構舒適度的控制)、層間位移角、核心筒承擔傾覆力矩的比例及拉力等控制目標，對加強層的設置位置進行有效性(或稱敏感性)分析，并結合建筑功能需求從而選擇伸臂加強層的最優位置^[10]。

環帶桁架作為虛擬伸臂，可通過樓板的變形協調核心筒帶動外框架承擔更多的傾覆力矩。相對伸臂桁架來說，環帶桁架抗側效率次之，卻也克服了上述伸臂桁架加強層存在的問題，在超高層建筑中也有較多應用。核心筒與外框架之間的樓板面內剪切剛度的加強和準確模擬是提高環帶桁架抗側剛度的關鍵所在。

（5）連體結構

連體結構不僅給予了建筑師在立面和平面上充分的創造空間，同時也在防火和疏散方面提供了新的思路^[11-12]，使得超高層建筑塔樓可以同時朝豎向和水平兩個方向延伸（圖8）。連體結構中的各組成塔樓可以在一定程度上突破傳統結構設計中高寬比限制、平面和立面規則性限制等問題，使超高層建筑呈現更多的可變性。連體結構在提高多塔結構抗側剛度的同時，也帶來結構剛度突變、結構扭轉效應、施工模擬、風環境以及抗震性能等新的技術問題，需要對具體工程進行有針對性的專門分析與研究。

 

圖8  連體結構

 

2.2 結構抗風與風振控制

 

當建筑高度超過300m，建筑體型復雜以及建筑高寬比大于6時，風荷載往往成為超高層建筑結構控制水平荷載。橫風向荷載不容忽視，建筑頂部舒適度不易滿足，風洞試驗、風荷載動力響應優化以及附加阻尼裝置成為結構抗風設計的主要手段。

 

2.2.1風荷載確定

建筑高度大于200m、高寬比較大、建筑體型復雜或地形和環境復雜時宜進行風洞試驗或數值風洞模擬確定風荷載（圖9）。數值風洞模擬結果受到數值模型本身和數值迭代算法等諸多因素影響，分析結果離散性較大，一般用于建筑方案設計階段，用來探討建筑體型變化對結構抗風性能的影響及優化建筑體型。常用的風洞試驗方法有測壓模型試驗、測力天平試驗、氣彈模型試驗和高雷諾數試驗等。

測壓模型試驗通過測壓計測得作用于模型上風壓力分布，一般用于確定主體結構上的風荷載和圍護結構上的風荷載。測力天平試驗通過測力儀測得作用于模型底部的整體彎矩，進而估算建筑物的風荷載和響應，不能用于局部結構和圍護結構設計。

如高度超過500m的超高層建筑或高寬比大于10的重要結構，宜通過氣彈模型試驗評估風致動力響應和風荷載。對表面為連續曲面不帶尖角的建筑，如上海中心、迪拜哈利法塔等，其繞流狀態隨雷諾數有較大的變化，需通過高雷諾數試驗，驗證小比例邊界層風洞模型試驗的結果是否可以用于實際結構的設計。

風洞試驗中的地面粗糙度應結合實際周邊地形和建筑物分布來設置。金茂大廈在90年代初設計時考慮了將來陸家嘴區域規劃中周邊上海IFC等擬建高層建筑的影響，與自身單棟塔樓相比其橫風向響應增大33%。

 

圖9風洞試驗

 

超高層建筑承受的風荷載效應較大，對抗風設計而言，減小風荷載比增大結構剛度和強度更加有效。因此超高層建筑抗風設計首先考慮減小風荷載，在建筑方案前期工程師就參與配合，與建筑師一起通過優化建筑形體和結構動力特性來減小風荷載，其對提高超高層建筑結構安全、經濟性以及大樓使用品質大有益處。此外，由于橫風向響應比順風向響應對風向角更為敏感，因此超高層建筑的朝向優化往往更有實際效益。大量工程實例表明，超高層建筑的風向角折減效應能達到15%~25%。超高層建筑體型優化主要有以下幾類：

2.2.2風荷載動力響應優化

 

（1）建筑平面外形優化

某超高層建筑在不改變整體建筑形態的前提下，風工程顧問通過風洞試驗嘗試了不同的塔樓平面角部處理方式，以找出降低橫風向渦激幅度的方案。圖10所列的角部凹口或切角的寬度達到平面寬度的10%~15%。與原設計方案相比，通過建筑平面角部優化，設計風荷載可降低25%左右。

 

圖10  建筑平面角部優化

 

（2）建筑立面外形優化

通過沿大樓高度改變塔樓寬度與形狀等，造成漩渦脫落特性隨高度變化，從而降低橫風向渦激的相關性，破壞其共振條件。常用的方法有以下幾類（圖11）：1)建筑寬度沿高度收縮；2)建筑立面扭轉；3）建筑外形呈階梯狀退臺；4）大體量的建筑物立面開洞。

 

圖11 立面外形優化

2.2.3舒適度控制

 

日本學者對大量超高層建筑結構阻尼比實測值結果表明^[13]，高度大于250m的建筑結構的阻尼比在0.5%~1%之間，且隨著結構高度的增加阻尼比逐步下降。在結構抗風設計中，由于結構固有阻尼比較難精確估計，因此一般采用較低阻尼比且相對保守地計算結構風荷載以及舒適度。實際工程通常通過加大結構抗側剛度來滿足舒適度要求，但往往結構造價不經濟；另一途徑就是設置減振裝置，如調諧質量阻尼器AMD，TMD，調諧液體阻尼器TLD和黏滯阻尼器或黏彈阻尼器（如VCD等）等。

調諧阻尼器對減小塔樓頂部風致振動有顯著效果，已應用于如臺北101大樓、上海環球金融中心、上海中心大廈等超高層建筑中（圖12）。調諧阻尼器與主體結構質量比在0.5%~2.0%，與主體結構形成諧振即頻率比接近1.0時，減振效果最佳。超高層建筑中調諧阻尼器通常僅用于減小風振加速度，提高風荷載下建筑物的舒適度，將阻尼器作為可能增加的安全儲備，而不作為減小結構設計風荷載的手段。

（1）AMD

半主動的質量阻尼器AMD，可以較小的附加質量并在較小的風速下發揮減振作用。由于AMD需要額外的電源，在極端風荷載下，額外電源的可靠性就必須更為重視。

上海IFC在塔樓394m的高度伸臂桁架加強層（94層）布置了兩臺阻尼器（圖12（a）），總重約270t/臺，尺寸(長×寬×高)為910cm×910cm×414cm。設置AMD后，在10年一遇風荷載下，塔樓頂部風致加速度由11.4gal減少到6.2gal^[14]。

（2）TMD

上海材料研究所和加拿大RWDI風工程顧問合作，將電渦流阻尼技術引入到傳統的擺式TMD中，設計了一個電渦流阻尼器（EC-TMD）以減少上部樓層的風致加速度（圖12（b））。上海中心大廈的EC-TMD位于塔樓125層，質量塊重1000t，廣義質量比約0.96%，吊索長度20.6m，頻率比約99.3%。設置TMD后，塔樓頂部10年一遇風荷載下的風致加速度從8gal減少到4.3gal。

（3）TLD

利用塔樓頂部的消防水箱作為TLD不會給主體結構帶來附加質量，同時節省造價。TLD的水箱質量一般為主體結構的0.5%~3.0%。蘇州國金中心（圖12（c））TLD水箱位于塔樓93層，內部尺寸(長×寬×高)為19m×16.3m×4.2m，靜水深約為1.92m，可以提供約600t的水。風洞試驗結果表明，安裝TLD后塔樓頂部10年一遇風荷載風致加速度可從17gal減少到12gal。 

   

 

     圖12 各類調諧阻尼器

 

2.3 結構抗震與消能減震

 

動力彈塑性分析技術的發展，使基于性能的超高層建筑抗震設計成為可能并日趨成熟。模擬振動臺試驗仍是研究超高層建筑抗震設計的重要手段之一。消能減震裝置（阻尼器）使得超高層建筑抗震設計已從單純的“抵抗”向“消減”轉變。

 

2.3.1 基于性能的抗震設計方法

2010年出版《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）正式提出性能化抗震設計的理念?；谛阅艿目拐鹪O計是建筑結構抗震設計的一個新的重要發展，使抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標轉變。超高層建筑設計因其獨特的重要性和敏感性，是抗震性能化設計思想和設計應用的最初落腳點，并在抗震性能化設計的具體應用上起到引領性作用。

抗震性能化設計不再只是關注小震水準的設計要求，同時也對其他不同重現期地震作用下的結構行為與性能要求予以足夠的重視，特別是更明確地強調建筑結構在大震作用下的結構彈塑性變形發展、預期結構性能與倒塌防止控制等方面，提出了基于靜力或動力的彈塑性分析要求。動力彈塑性時程分析作為抗震性能化設計的一項重要內容和手段，關鍵的幾個問題是分析模型建立、地震波的選擇、時域積分算法和計算結果的合理評價。

目前我國建筑結構性能化抗震設計沒有考慮結構延性對結構承載力以及構造要求的影響。因此也有學者^[15]建議調整并明確結構抗震設計三水準性能化目標的具體要求為：計算結構彈性變形，保證“小震不壞”；考慮不同結構延性確定地震作用（承載力要求），驗算結構承載力，并根據結構延性要求確定結構構造要求，以保證“中震可修”；驗算結構彈塑性變形，保證“大震不倒”。

2.3.2振動臺試驗

近20年來國內相關科研院所進行了數百棟實際工程的模擬振動臺試驗研究（圖13）。CABR根據28幢不同地震烈度、建筑高度及結構體系的超高層建筑振動臺模擬結果分析^[16]，得出以下結論：在不考慮非結構構件破壞前提下，模型阻尼比隨地震作用增強基本呈線性增大，實測模型阻尼比均值分別為小震2.66%，中震3.09%，大震3.58%；模型剛度隨地震作用增強發生退化，根據剛度退化反算連梁剛度折減系數均值分別為小震0.39，大震0.19；水平加速度沿建筑高度放大效應比較明顯，尤其在塔樓0.8H（H為結構高度）以上部位的不規則結構布置處。CABR首次對設置了屈曲約束支撐和黏滯阻尼器等減震措施的昆明春之眼主樓進行了1:35的縮尺模型振動臺試驗^[17]；同濟大學應用多功能振動臺陣對重慶來福士廣場四塔樓高位減(隔)震連體結構進行了1:25模型振動臺試驗^[18]。

 

 圖13 超高層建筑振動臺試驗

 

2.3.3消能減震

近年來隨著減震技術的發展，在超高層建筑結構設計中采用消能減震技術成為一種新的抗震設計思路。地震作用下，通過在結構中設置減震裝置（阻尼器）來消耗能量，減少主體結構承擔的地震作用，有效地保護主體結構在地震作用下的安全。

超高層建筑消能減震常用的阻尼器主要有位移型阻尼器、速度型阻尼器以及混合型阻尼器（Viscous CompoundDamper, VCD）三種。位移型阻尼器主要是金屬阻尼器，包括防屈曲支撐（BRB）、防屈曲鋼板墻、剪切型軟鋼阻尼器和耗能連梁等，主要用于結構減震。速度型阻尼器主要為黏滯阻尼器，不提供結構剛度；但在變形很小的情況下，黏滯阻尼器就開始耗能，減小結構動力響應，因此可以用于抗風、抗震和提高塔樓頂部舒適度。減震阻尼器布置在相對位移或相對速度較大的樓層，同時采用套索或懸挑桁架等措施增加阻尼器兩端的相對變形或相對速度，以提高阻尼器的減震效率。針對不同的地震水準要求，可混合應用不同類型的減震裝置。

人民日報社報刊綜合樓（圖14（a））采用了890根屈曲約束支撐，最大屈服承載力為6650kN。大震作用下結構的基底剪力約為小震的3.5倍，主體結構僅為中等破壞，且主要集中在屈曲約束支撐和框架梁上。

 

圖14 減震耗能裝置在超高層建筑中應用

 

昆明春之眼主樓(圖14（b）)建筑高度407m，塔樓綜合應用了懸臂式黏滯阻尼器、屈曲約束支撐以及巨柱間跨層布置的黏滯阻尼器等多種混合減震裝置，有效降低地震作用，在罕遇地震下最大變形可減少25%。

上海世茂國際廣場在塔樓和裙房之間的防震縫內設置黏滯阻尼器^[19]，減少裙房結構的扭轉變形并降低地震作用，也是消能減震技術在相鄰建筑中首次應用，為消能減震技術的應用開拓了更廣泛的空間。

 

2.4 結構計算分析

 

隨著計算分析手段的不斷豐富，結構工程師對超高層建筑結構的受力特點有了更深的認識。結構分析技術從早期的定性、簡化計算朝定量、精細以及直接分析法方向發展。

2.4.1分析軟件與計算假定

（1）分析軟件

超高層結構分析軟件選取需根據結構類型、結構特點、軟件功能、前處理和后處理的便利性綜合確定。彈性計算分析軟件廣泛采用國產商業化軟件如SATWE，PMSAP，YJK以及國際通用程序如ETABS，MIDAS，SAP2000等。彈塑性分析軟件主要有國內自主開發的EPDA，SAUSAGE以及PERFORM-3D，ABQUS，LSDYNA等大型非線性分析程序。超高層建筑結構分析通常采用兩種不同軟件完成，并相互校核。

（2）分析假定與參數選取

超高層結構構件截面尺寸較大，截面形狀復雜，約束條件多種，且往往采用組合截面，結構分析對結構構件的模擬需依據假定合理和簡化計算的原則，充分考慮巨型構件的“尺寸效應”，如剛域對結構剛度的作用、約束條件、偏心力矩以及構件承載力的驗算。

巨柱具有截面尺寸大、不對稱、單邊收進、多構件相連且相連構件不匯交截面形心等特點。巨柱可根據其截面類型、約束條件、計算量的大小分別采用桿單元、殼單元或實體單元模擬。

鋼筋混凝土剪力墻墻肢通常采用殼單元并根據墻肢尺寸大小進行適當的剖分。核心筒墻肢長度收分時，在軸向力作用下墻肢的內力突變以及對周邊結構的內力重分配以及附加變形等需要充分考慮。

連梁根據跨高比大小可采用梁單元或殼單元，抗震分析時考慮剛度折減。當連梁高度較高，采用梁單元無法反映連梁對墻肢的實際彎曲約束時，一般采用殼單元模擬。

樓板分別選用膜單元、殼單元和剛性隔板假設等，以滿足樓板對結構構件剛度影響、橫膈作用以及以軸向受力為主的結構構件的承載力驗算等不同需求。

其他結構整體分析采用的計算參數如阻尼比（包括抗震和抗風）、周期折減系數、嵌固層的假設等根據結構高度、結構體系、建筑功能以及地下室約束程度等分別確定。

2.4.2結構整體控制指標

近年來我國超高層建筑結構高度增加及體型復雜，計算分析手段先進和豐富，以及對結構設計認識不斷，在此背景下，有必要對結構控制指標再思考和進一步研究^[20]。

（1）平均質量

近80幢高度超過250m的超高層建筑的結構分析統計表明^[6]，其平均質量分布在13~21kN/m²之間，且建筑高度越高，平均質量越大。對于400m以上的超高層建筑，平均質量分布在17~21kN/m²之間。此外，超高層建筑平均質量大小與塔樓高寬比、塔冠虛高比例、結構體系以及水平荷載等綜合因素有關。

（2）自振周期

CABR^[21]以我國414棟已建或已通過超限審查的高層建筑為數據源，統計分析了我國高層建筑自振周期的分布規律，在滿足我國設計規范對結構整體穩定性、位移限值以及最小剪重比等要求基礎上，結構自振周期的合理分布范圍為:當結構高度H≥250m時，基本周期T₁在0．3H～0．4H之間;當150m≤H＜250m時，T₁在0．25H～0．40H之間。這為宏觀上把握我國超高層建筑結構剛度和質量提供了參考數據。

（3）層間位移角

層間位移角限值是反映結構剛度和穩定性的綜合性指標。當建筑高度較高、高寬比較大以及水平荷載較大時，層間位移角往往成為結構控制指標。對建筑高度高于150m的超高層建筑，我國按結構構件采用彈性剛度，考慮無害位移（整體彎曲變形）影響的總層間位移角進行簡化控制。但此方法有較大的局限性且偏于嚴格。如何考慮超高層建筑結構中非結構構件對抗側剛度的貢獻，可否采用基于區格的廣義剪切變形算法，復雜建筑形體中在結構自重荷載作用下產生的水平變形與水平荷載引起的變形是否疊加等問題都有待進一步討論和深入研究。

（4）剪重比

超高層建筑結構基本周期較長，場地特征周期T_g較小時，剪重比（即《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）中地震剪力系數）往往難以滿足規范相關要求。工程設計領域對剪重比限值問題進行了深入討論，普遍認為“超高層建筑剪重比不滿足要求時，可采取增大樓層設計剪力的方法以代替結構剛度調整，或采用合理的計算參數或計算方法，如足夠多的振型數，避免采用Ritz法等，并建議在確定剪重比限值時綜合考慮場地土、結構高度等因素的影響”。

另外，建筑體型復雜或沿高度質量分布不均勻時的剛重比計算方法，框架-核心筒結構中核心筒承擔傾覆力矩超過60%時核心筒剪力墻墻肢的軸壓比限值，巨型框架承擔的外框地震剪力調整等超出了目前現行規范或標準的計算和分析假設或已有的試驗研究基礎，需要根據實際結構的具體情況做專門分析和研究。

2.4.3施工模擬分析

對超高層建筑來說，一次性加載條件夸大了在結構上部和頂部由于內外豎向構件的豎向變形差異，引起連接豎向構件的剛接水平構件（例如剛接梁、伸臂桁架剛接弦桿、腹桿等）產生較大的附加內力，導致內力結果失真。采用剛度逐步成形的施工模擬分析方法可以解決上述問題。此外剛性連體結構、大跨轉換結構、懸掛結構等計算分析也要考慮施工模擬。

（1）延遲安裝構件

超高層建筑中的伸臂桁架斜桿、巨型斜撐以及受力較大的關鍵構件通常延遲安裝，從而有意識地控制這些構件的內力分布。施工模擬分析可以準確模擬結構剛度形成與荷載施加過程中構件受力與變形的真實情況，從而為構件設計與施工變形控制提供可靠依據。

如：1）CCTV新臺址主樓采用鋼支撐筒結構，共有10多根關鍵構件（包括框架柱和支撐）在施工過程中延遲安裝，且安裝順序及時機預先確定（圖15）。關鍵構件的延遲安裝主動控制了豎向荷載下結構力的流向，使得筒體的角柱截面更加合理，避免吸收更多的地震作用^[22]。2）天津高銀117大廈（高度597m）外框采用巨型支撐筒，斜撐與次框架承重結構分離布置。巨型斜撐延遲于主體結構安裝，可顯著減小由于巨柱壓縮變形對巨型支撐的附加軸力（圖16）。

 

圖15 CCTV主樓延遲安裝構件與施工模擬

 

圖16 巨型斜撐延遲安裝示意

 （2）混凝土收縮徐變

 

施工模擬分析時考慮混凝土構件在長期荷載作用下收縮徐變的影響，可提供更準確的豎向構件壓縮變形及差異的結果。構件豎向壓縮變形也可為樓面標高補償以及確定構件下料長度預調值提供可靠依據（圖17）。

 

圖17 某超高層建筑施工完成后30年累計豎向變形

（3）基礎不均勻沉降

在軟土地基上建造的強連接連體結構，當各塔樓之間存在差異沉降，連體部分就會產生較大的附加內力；框架-核心筒結構基礎通常出現“鍋底沉降”，也會加劇連接核心筒和外框架的伸臂桁架的附加內力。當嵌巖樁樁長較長，且基底巖面起伏加大時，長短樁樁身壓縮差異導致上部結構產生較大的附加內力?；A不均勻沉降與結構施工過程和加載歷程有關，因此應考慮施工過程的影響，通過施工模擬來詳細分析結構的附加內力。

2.4.4 結構專項分析

除了上述結構整體分析外，對于超高層建筑結構關鍵構件失效引起的防連續倒塌分析，大跨樓蓋或連廊豎向振動分析，復雜節點的有限元分析，作為抗側力體系中起變形協調的樓板應力分析、鋼結構抗火分析、復雜截面和受力狀態下構件承載力驗算等專項分析技術日益成熟，為超高層建筑結構的安全性、魯棒性以及舒適性提供了可靠支撐。

 

2.5 科研與技術創新

 

超高層建筑高度更高、建筑體型更加復雜、結構效率更高的發展趨勢給結構設計帶來了挑戰，設計院和科研院校相互結合，進行了大量的相關研究工作，主要在結構新材料、新型構件及節點方面，研究手段主要是試驗研究和計算分析。

2.5.1 高性能結構材料

目前C60以上高強混凝土已廣泛應用于超高層建筑結構，國內最高混凝土強度等級已達C100。天津高銀117大廈將C60高強混凝土成功泵送至621m的高度；輕質混凝土樓板的采用，進一步減輕了超高層建筑結構自重；自密實混凝土解決了超高層建筑結構構件截面鋼筋布置密集、混凝土振搗困難的施工難題。高性能混凝土材料既可以減輕結構自重，又可以提高混凝土耐久性以及施工可行性。

屈服強度Q390，Q420以及Q460高強度鋼材也已成功應用于如CCTV新臺址主樓等工程實踐；屈服強度波動范圍小、可焊性及抗震性能更好的GJ系列鋼材已普遍用于超高層建筑結構；Q600鋼、耐候鋼、耐火鋼以及施焊時不需預熱的超厚鋼板等新型高性能鋼也在研制和開發。

此外，低屈服點鋼材（鋼材屈服強度100~160N/mm²）具有高延伸率、屈服強度穩定等特點，已普遍在BRB支撐、防屈曲鋼板剪力墻等應用，成為結構抗震的保險絲，保護主體結構在中、大震下免于破壞。

正火狀態交貨的可焊鑄鋼以及鍛鋼等在伸臂桁架與核心筒連接等節點中已有所應用，也為超高層建筑結構中大承載力、多桿件匯交的復雜節點構造設計提供了新的選擇。

2.5.2 新型節點及構件試驗研究

除振動臺模擬試驗和風洞試驗外，眾多超高層建筑工程進行了大比例構件和節點試驗研究，以驗證結構的安全性和可靠性，并為結構設計提供參考。

CABR結合振動臺試驗及模型靜力試驗相關計算分析工作，完成了關于轉換層、加強層、體型收進、帶懸挑結構、連體結構等復雜高層建筑結構的研究應用，為我國復雜高層建筑設計提供了依據。針對混合結構和組合構件應用廣泛的特點，開展了分離式型鋼混凝土組合柱、鋼板混凝土組合剪力墻、帶鋼斜撐混凝土組合剪力墻、內藏鋼桁架混凝土組合剪力墻等多種形式的研究工作^[23]。

ECADI和國內科研院所及高校合作，對超高層建筑工程中關鍵節點或新型結構進行了大量縮尺模型力學試驗（圖18），如上海環球金融中心巨型斜撐與巨柱連接節點、武漢中心伸臂桁架與核心筒的連接節點、CCTV大樓高含鋼率SRC柱受力和變形性能以及蝶形節點受力性能、天津津塔考慮屈曲后效應鋼板剪力墻的抗震試驗、天津高銀117大廈巨型BRB支撐受力與變形試驗、巨型鋼管混凝土組合柱防火性能試驗、天津周大福蝶形鑄鋼節點試驗等都取得了豐富的成果。國內其他設計及科研單位針對CFT巨柱鋼和混凝土共同工作機理、鋼管混凝土剪力墻、外包鋼板剪力墻受力性能以及自復位結構等也進行了專項試驗和研究。上述結構試驗和專項技術研究成果對超高層建筑結構關鍵技術的應用或改進起了至關重要的作用，一方面確保結構安全、合理，有力地提升了工程項目的設計品質，另一方面也填補了國內設計規范或標準的部分空白并在其他工程實踐中推廣應用。

另外，上海中心大廈、天津周大福大廈等設置結構性態監測系統，在施工過程和使用階段的監測結果（如結構阻尼比、周期等動力特性、基礎沉降、塔樓加速度、變形以及關鍵構件的應變等）用以驗證結構設計的合理性，或改進結構的設計方法。

 

圖18 結構試驗與專項技術研究

 

3 展望

綜上所述，新中國成立70年來在高層建筑結構領域的發展成績是巨大的，筆者郁于自己有限的經歷，難免掛一漏萬，但足以令人自豪。尤其值得欣慰的是在此領域中一大批不同年齡層次的技術骨干已經成長起來，他們基礎扎實、勇于創新，可以相信他們一定能把中國的高層建筑結構推向新的高峰，使我國真正成為這個領域的強國。筆者認為我國超高層建筑結構在幾個方面的發展仍將持續相當長的一段時期。

 

（1）千米級大樓、大高寬比（大于1:10）、傾斜體型、扭轉體型、核心筒偏置等復雜形體的超高層建筑以及由超高層建筑群組成的“空中城市”將給結構設計和施工提出更大的挑戰。

（2）調諧質量阻尼器和黏滯（黏彈）阻尼器將在更多的超高層建筑中應用，其提供的附加阻尼彌補了現行規范可能高估超高層建筑結構固有阻尼而存在的風險。超高層建筑抗風體型優化將由單一減少風荷載措施向綜合措施方向發展，如建筑體型風致響應優化+MIA（振型干預方法）^[24]。風致振動控制將由單一的TMD制振向聯合制振方向發展。

（3）建議進一步開展超高層混合結構體系在高地震烈度區的抗震性能研究。在高地震烈度區優先采用全鋼結構或在混合結構中設置消能減震裝置。超高層建筑中采用層間隔震+減震技術給抗震設計提供了新的選擇。包含自復位結構、搖擺結構以及可更換構件等可恢復功能的結構體系，可以實現既定的地震可恢復功能，具有廣闊的工程應用前景^[25]。在中、低地震烈度區，建議考慮超過現行規范規定的超大震地震作用。

（4）建議對超高層建筑結構設計控制指標如長周期地震作用、結構層間位移角、剛重比、剪重比、外框承擔剪力比、核心筒軸壓比等作進一步研究，以保證結構安全的同時，降低結構材料用量。

（5）鋼-混凝土組合巨柱、超長大承載力的斜撐、超厚的基礎筏板及混凝土剪力墻等巨型結構構件的設計方法、節點構造以及施工可建性等已超越了現行規范或標準的范圍，需要進一步的理論分析、試驗研究、結構性態監測和工程實踐來驗證及完善。

（6）建議加快高性能混凝土（C70及以上混凝土）、輕質混凝土以及高性能鋼材（Q500以上）在超高層建筑結構中的可行性研究^[26]。

（7）“千米級摩天大樓”^[27]、“英里塔”計劃、 “4D”超高層建筑、超高層建筑木結構、UHPC（Ultra HighPerformance Concrete）及再生混凝土以及模塊化超高層建筑等新理念和新技術，為我國超高層建筑的發展提供了新的方向。

 

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作者簡介

 

№1

汪大綏

 

全國工程勘察設計大師，國務院特殊津貼專家，國家有突出貢獻中青年專家，教授級高級工程師，一級注冊結構工程師，現任華東建筑設計研究總院資深總工程師。

兼任《建筑結構》編委，中國建筑學會高層建筑委員會副主任，建設部超限高層建筑專家委員會委員，中國鋼結構協會專家委員會委員，英國注冊工程師協會資深會員。

主要代表作中央電視臺新臺址CCTV主樓、東方明珠電視塔、浦東機場航站樓、上海環球金融中心、天津津塔、天津高銀117大廈、2010上海世博會世博軸等工程。

多項工程獲得中國建設部優秀設計和中國建筑學會結構設計大獎，參加多項國家設計規范的編制和審查工作。

榮獲“慶祝中華人民共和國成立70周年”紀念章、上海市建設功臣、全國勞動模范、中國鋼協30年杰出貢獻專家、中國高層建筑杰出貢獻獎等榮譽稱號。

№2

包聯進

 

現任華東建筑設計研究總院結構副總工程師，英國注冊結構工程師，教授級高級工程師，中國建筑學會高層建筑人居環境學術委員會秘書長，中國鋼結構協會專家委員會委員，上海市超限高層建筑抗震設防專項審查委員會委員?！朵摻Y構》編委，《建筑結構學報》、《建筑結構》審稿專家。負責完成了中央電視臺新臺址CCTV主樓、天津高銀117大廈、大連綠地中心、合肥恒大中心、上海奔馳文化中心、上海世博中心以及國家會展中心等一批標志性項目。曾獲上海市五一勞動獎章，多次獲得國家和上?？萍歼M步獎以及優秀設計獎，在核心期刊及學術會議發表論文70余篇。

本文刊登于《建筑結構》2019年第19期，題為《我國超高層建筑結構發展與展望》，作者：汪大綏，包聯進，單位：華建集團華東建筑設計研究總院。敬請查閱！