高层建筑结构分析

———上海中心大厦

郑晓强

摘 要：高层建筑是社会经济发展和技术进步的产物。随着大城市的发展，城市用地紧张，市区地价日益高涨，促使近代高层建筑的出现。高层建筑结构随着时代的发展，规模和投资力度都大大增加，高层建筑的设计也变得越来越重要，高层建筑的结构设计也成为结构工程设计师设计工作的主要重点和难点。本文就高层建筑的发展，介绍了概念设计的一些知识以及现状和特点，并通过对高层建筑特点的分析，探讨了高层建筑结构中设计特点的有关问题。

关键词：高层建筑，结构设计

一、 高层建筑的起源和发展

随着科学的发展和时代的进步,高层建筑如雨后春笋般的出现。从纽约帝国大厦到世贸大楼,从上海金茂大厦到上海环球金融中心,无一不透出高层建筑的勃勃生命力。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,世界著名的建筑更是建筑史上的纪念碑。但是如果高层建筑因结构设计不清,而造成结构布置不合理,不仅会造成大量的浪费,更重要的是给高层建筑留下了结构质量的安全隐患。因此高层建筑的结构设计就显得尤为重要了。 

80年代，是我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面迅速发展的阶段。各大中城市普遍兴建高度在100m左右或100m以上的以钢结构为主的建筑，建筑层数和高度不断增加，功能和类型越来越复杂，结构体系日趋多样化。比较有代表性的高层建筑有上海锦江饭店，它是一座现代化的高级宾馆，总高153.52m，全部采用框架一芯墙全钢结构体系，深圳发展中心大厦43层高165.3m，加上天线的高度共185.3m，这是我国第一幢大型高层钢结构建筑。进入90年代我国高层建筑结构的设计与施工技术进入了新的阶段。不仅结构体系及建筑材料出现多样化而且在高度上长幅很大有一个飞跃。深圳于1995年6月封顶的地王大厦，81层高，385.95m为钢结构，它居目前世界建筑的第四位。

二、高层建筑的现状及使用情况

19世纪末，随着科学技术的发展，钢筋混领土结构、钢结构在土木工程领域中代替传统的砖、石、木结构得到了推广和应用，建筑高度的增加、层数的增多、跨度的增大，现代意义上的高层建筑开始出现。回顾高层建筑的发展历史，我们可以看到其中代表建筑是美国1931年建成的纽约帝国大厦（高381m，102层）、1972年建成的纽约世界贸易中心的姊妹楼（417m和415m，100层，“9.11”事件中被毁）和1974年建成的芝加哥西尔斯大厦（441.9m，110层），前苏联和波兰与1953年和1955年分别渐层的莫斯科国立大学（239m，26层）和华沙科学文化宫（231m，42层），1978年澳大利亚悉尼建成的MLC中心（229m65层）。1985年以来，亚洲的日本、韩国、马来西亚、朝鲜及中国等国家迅速发展了高层及超高层建筑。

其中有1996年建成的深圳的帝王大厦（高325m，69层）、广州中信广场（321.9，80层），1998年建成的吉隆坡石油大厦（400m，88层）上海金茂大厦（395m，69层）。将世界上最高的100幢高层建筑的建筑年代和在世界上各地的分布表作统计表（表1），则可看出：随着时间推移20实际中，北美洲在前100幢高层建筑中所占的数量由多变少，而亚洲则从无到有，有少变多。并由此推论在21实际中亚洲将成为世界建造高层及超高层建筑的中心。 世界高的100幢高层建筑的建美国占4幢建于1931~1974年，且均为钢结构建筑;亚洲占6幢（其中中国四幢）建于1996~2000年。进一步亚洲已经成为世界建筑高层及超高层建筑的中心。而且这6幢超高层建筑有5幢采用了SRC组合结构，说明SRC组合结构在超高层中的运用，以达到相当的广度和深度，并逐步成为超高层叫做建造中首选类型。

三、 高层建筑结构设计特点

1.水平荷载成为决定因素。

一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2.轴向变形不容忽视。

高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。 

 3.侧移成为控制指标。

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。 

 4.结构延性是重要设计指标。

相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

四、上海中心大厦

上海中心大厦，位于陆家嘴功能区，占地3万多平方米，所处地块东至东泰路，南依银城南路，北靠花园石桥路，西临银城中路。 其建筑设计方案由美国Gensler建筑设计事务所完成，主体建筑结构高度为580米，总高度632米，是目前中国国内规划中的第二高楼。 “上海中心”总投入将达148亿元，预计2012年世界博览会时地下部分封顶，2012年结构封顶且部分投入运营，2014年竣工交付使用。  

建设地点：陆家嘴金融中心区Z3-2地块。    

开工时间：2008年11月29日。    

竣工时间：2014年。    

占地面积：30368平方米。    

建筑面积：574058平方米，其中地上总建筑面积约410139平方米。    

建筑总高度：670多米。    

建筑层数：地下结构5层，地上部分包括124层塔楼和7层东西裙房。    

结构形式：钢筋混凝土核心筒-外框架结构。    

用钢量：约100000吨。    

建筑造价：148亿元。

五、总结

通过学习本门课程“现代建筑结构欣赏”，我也学习到了自己感兴趣的高层建筑，老师授课幽默深刻而且有内容，台北101，世贸大厦，上海中心大厦等等，都让自己对他们有更多的认识。同时以后也可以分享给自己身边的好友。所以，小总结一下的话，人们从开始建筑设计开始，就不断的在进行实践活动，虽然会遇到各种各样的问题，但也正是在解决这些问题的过程中，人类才会不断进步，关于高层建筑结构，无论是在设计，还是在计算方面都是一项复杂的工作，这就要求设计师既要有扎实的理论功底，还要有具体的实践基础，再加上一定的概念设计，只有这样才可以设计出美观、使用、高效，又具有创造性的高层建筑。建筑，是一种美和艺术的现实版，通过建筑，我们感受建筑本身蕴含的立体美和结构美，建筑给世界添加了另一种视觉美和感受美。

参考文献：

[1]徐银夫.关于高层建筑结构设计的研究[J].科技经济市场,2006,(02).  

 [2]袁鸿.高层建筑结构设计探究[J].大众科技,2004,(08).  

 [3]李永明.高层建筑结构设计的设计思路探讨[J].武汉工业大学学报,1997,(01).   

[4]李粤献.高层建筑结构及其设计理论[M].北京:科学出版社,2006.  

[5]关瑞明,王全凤.高层建筑设计中的结构概念设计[J].新建筑,1994,(04).

现代建筑结构欣赏 - （论文作业）