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超高层建筑结构设计要点及关键应用技术发表时间：2019-09-16T17:26:13.277Z 来源：《基层建设》2019年第18期作者：殷斯嘉[导读] 摘要：随着科技的发展，超高层建筑已不断成为一个地区的标志和一个时代的缩影。
南京理工大学土木工程系江苏南京摘要：随着科技的发展，超高层建筑已不断成为一个地区的标志和一个时代的缩影。
本文详细说明了国内外不同规定下超高层建筑的限高及结构形式分类。
并梳理出超高层建筑结构设计的要点。
本文最后，根据超高层结构设计要点与难点，选取了在超高层结构设计中较为成熟的三项关键技术进行简单剖析。
关键词：超高层建筑结构弹塑性动力时程分析复杂节点有限元 BIM前言：中国自上个世纪八十年代开始进行超高层建筑设计，迄今已有近四十年。
短短的四十年间，中国紧跟国际结构设计潮流，已基本掌握当今超高层结构设计关键技术，并已建成的超高层建筑数量位居世界前列。
一、国内外超高层建筑定义：对于超高层建筑的高度限定，国内外并没有统一的规定。
根据中国《民用建筑设计通则》GB503520-2005规定：建筑高度超过100m 时，不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。
在Wikipedia上，则以“skyscraper”（摩天大楼）这一概念来对应超高层建筑，即四十层以上，高度超过150m的建筑。
根据世界超高层建筑学会的新标准，超高层建筑的限定高度增加至300m。
根据我国国情，现阶段建议把高度超过200m或50层以上的高楼，称之为超高层建筑。
二、超高层建筑结构形式选取：Fazlur R.Khan 是超高层建筑领域的一代宗师，提出并完善了筒体，桁架筒体，束筒的概念。
根据汗在1969年提出的理论，超高层建筑的结构体系可分为：（巨型）框架-核心筒结构，（巨型）框筒-核心筒结构，筒中筒结构，成束筒结构，巨型支撑及混合结构。
根据安全经济，方便施工，绿色环保的设计原则，近年来结构工程师提出新的分类方法：按照内部抗侧力结构和外部抗侧力结构分类。
风洞试验超高层建筑由于超高层建筑结构的特点，风荷载对于该类高柔建筑起控制作用，因此准确分析超高层建筑结构表面风荷载的分布机理就显得极为重要[1-4]。
本文依托于重庆某超高层项目，该项目由一栋超高层酒店办公综合楼、一栋超高层办公楼及一座多层商业裙房组成。
其中，1号塔楼为酒店办公综合楼，结构计算高度为270m，最高层数为60层；2号塔楼为办公楼，其结构计算高度达到150m，商业裙房地上5层地下4层，整个商业中心属于超高层建筑群。
由于风场的复杂性，建筑物整体和局部位置风荷载的取值缺乏规范依据。
因此，本文重点研究其在考虑周边建筑群影响下的局部体型系数分布[5-7]。
1风洞试验简介1.1试验设备与方法本次试验风洞为一座串联双试验段回/直流边界层风洞，其低速试验段宽 4.0m，高3.0m，长24.0m，最大风速大于30.0m/秒，高速试验段宽2.2m，高2m，长5.0m，最大风速大于80.0m/s，低速验段流场达到优秀边界层风洞流场标准[8-9]。
1.1.1测量系统及工作原理进行风洞试验之前需要对风洞的来流风进行调试，调试中需要测量参考风速。
本次试验流场的风速通过皮托管和微压计进行参考点风速和参考点静压的测量与监控。
参考点位置一般选在不易受到模型干扰的位置，通常可以设置在模型结构顶部高度处或者梯度风高度处。
本次风洞试验的测量系统的工作原理如图1所示。
作用于建筑模型表面的风压力通过测压孔以及测压导管达到压力传感器，压力传感器输出的模拟信号转换为数字信号后被记录下来，可以通过PC进行数据处理。
每个测点的测得的压力值与参考静压值之差即为该测点的实际风压值。
1.1.2边界层模拟该项目所处地面粗糙度类别为C类，即可知其大气边界层风剖面指数α为0.22，底部湍流度约为26％。
试验中采用粗糙元和尖塔等模拟大气边界层，并使用热线风速仪系统，测量了大气边界层在模型附近的速度剖面和湍流度。
1.2试验模型本次试验所用模型比例为1:300，总高度约0.9m，采用工业合成塑料板制作。
超高层建筑的机电系统•超高层建筑的概述•超高层建筑机电系统要点： 暖通系统给排水系统电气系统消防系统绿色节能核心筒布置智能化系统抗震概述超高层建筑定义•1972年8月在美国宾夕法尼亚洲的伯利恒市召开的国际高层建筑会议上，专门讨论并提出高层建筑的分类和定义。
超高层建筑（Ultra High-rise Building）指40层以上，高度100米以上的建筑物。
国外超高层建筑概况•1909年建成的纽约的“大都会人寿保险公司大楼”（METROPOLITAN LIFE TOWER）共50 层，206 米，是世界上第一幢高度超过200 米的摩天大楼。
•已建的世界第一高楼：杜拜的哈里发塔 828米，163层，2010建成。
中国超高层建筑概况•我国第一幢超过100米的高层建筑是1976年建造的广州白云宾馆，33层，高108米•1985年才有一幢真正意义上的超高层建筑——深圳的国贸中心大厦，50层，高160米。
•上海金茂大厦于1994年开工，1998年建成，高420米，地上88层，若再加上上尖塔的楼层共有93层，地下3层。
•上海环球金融中心是位于中国上海陆家嘴的一栋摩天大楼，2008年8月29日竣工。
是中国目前第二高楼、世界第三高楼、世界最高的平顶式大楼，楼高492米，地上101层。
•上海中心：632米，128层，2014年建成。
•据统计目前中国超高层建筑共有1154幢超高层建筑特点•体型巨大•功能复杂•容纳人员众多•投资十分庞大•运行维护费用大中国超高层建筑机电系统存在的问题中国超高层建筑设计已有十余年经历，至今还是选用高层建筑各类规范，有设计师自行深化并处理超高层建筑的特殊问题。
在负荷计算和性能化设计等方面，超高层建筑的因素尚未在设计中做多考虑。
暖通暖通系统主要难点•负荷计算方面：随着建筑高度升高，大气透明度、太阳辐射强度亦增大，室外风速随着建筑高度递增，围护结构外表面放热系数加大；•随着建筑高度增加，空调水路系统设备及管件承压要求提高，须经过梯级板换方式把冷热水送至最高层；•性能化设计方面：随着建筑高度升高、层数增加导致疏散困难，对防排烟措施要求高，且建筑本身由于热压造成的烟囱作用加大，对空调通风、换气、排烟效果有影响。
浅析城市建设的高层建筑设计要点摘要：优秀的高层建筑要考虑使用者的需要，以城市的公众利益为追求的目标。
我们必须在高层和城市的发展中取得平衡，才能创造出更好的城市景观和适合人们生活的环境。
本文对城市建设中高层建筑设计的要点进行了探讨。
关键词：城市建设；高层；建筑；设计中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：高层建筑是一座城市有机组成部分，因其体量巨大，高度很大，是城市的重要景点，对城市产生重大的影响。
随着我国钢筋混凝土高层建筑迅速发展，科技的不断进步，高层建筑也存在着一些设计问题。
一、城市建设中高层建筑的建筑设计1、高层建筑的尺度设计，主要包括：一是整体尺度。
整体尺度的均衡非常重要，设计时要注意以下几点，一个造型美的高层建筑是建立要很好地处理裙房、主体和顶部的尺度关系；高层建筑各部分细部尺度的划分是建立在整体尺度的基础上的，各个主要部分应有更细的划分，尺度具有等级性，才能使各个部分造型构成丰富。
二是城市和街道尺度。
高层建筑对城市各构成要素也产生重大的影响，是城市的重要景点，不当的尺度会对城市产生不良的影响；街道尺度是指高层建筑临街面的尺度对街道行人的视觉影响。
高层建筑主体因为尺度过大，易向后退，使底层的裙房置于沿街部分，减少了高层建筑对街道的压迫感。
三是细部尺度。
设计师在设计高层建筑中充分地把握各种尺度，结合人的尺度，满足人的使用、观赏的要求，必定能创造出优美的高层建筑外部造型。
2、高层建筑的生态设计要求应该受到迫切的关注，因为这些地方资源消耗和环境污染相对严重，对全球自然资源和生态系统产生威胁。
其主要内容为：高层建筑营运系统的生态性设计。
建筑平面与体型系数影响建筑采暖能量的需求，它不仅仅是一个热工性能参数，这意味着减少体型系数可以降低舒适空间的平均成本，在常见的平面形式中，圆形平面可以拥有最小的外围面积，其次是方形。
每个建筑基址都有其特殊性，因此，高层建筑的设计毫不例外也与基址相关，通过建筑形式、植被和遮避带最大限度地开发基址剩余区域的潜能3、高层建筑的节能。
风荷载对高层建筑物的影响摘要：随着经济的发展,近年来高层建筑尤其是体型复杂的超高层建筑得到了蓬勃的发展。
一般而言，高层建筑物占地面积少，建筑面积大，造型独特，相对集中。
这一特点使得高层建筑物在人口稠密的大城市迅速发展。
但是高层建筑物上风荷载也越来越大，导致水平荷载不断增大。
因此，高层建筑物需要较大的承载力和刚度来解决水平荷载的问题。
关键词：风荷载对高层建筑的影响风是紊乱的随机现象风对建筑物的作用十分复杂，规范中关于风荷载值的确定适用于大多数体型较规则、高度不太大的单幢高层建筑。
目前还没有有效的预测体型复杂、高柔建筑物风作用的计算方法；摩天大楼可能造成很强的地面风，对行人和商店有很大影响；当附近还有别的高层建筑时，群体效应对建筑物和建筑物之间的通道也会造成危害。
风对建筑物表面的作用力大小，与建筑物体型、高度、建筑物所处位置、结构特性有关。
一、风荷载的形成风荷载是空气流动形成的，对建筑物的作用是不规则的，风荷载实际上是一种随机时变活荷载，但不同于一般活荷载（楼面和屋面活荷载、吊车荷载、雪荷载）。
为了结构设计方便，迄今为止，世界各国的高层建筑结构设计，都是将风荷载转换为确定性的静力等效风。
风对建筑物的影响不仅是风声，而且是风荷载对水平位移的影响。
具体的米数将产生影响，这取决于当地的气候特征、风力条件、场地特征、建筑形状和其他因素。
总风荷载与局部风荷载总风荷载是指建筑物的各个表面所受风荷载的合力，是沿建筑物变化的线荷载，通常按建筑物的主轴方向计算。
局部风荷载是指在建筑物表面某些风压较大的部位，考虑风压对局部某些构建的不利作用时考虑的风荷载，考虑部位一般是建筑物的角隅或阳台雨篷等悬挑构件。
风荷载与楼层高度有关。
风压越大，风压越大，但这不是简单的比例关系。
对于平坦或轻微起伏的地形，应根据地面粗糙度类别和规范确定风压高度的变化系数。
对于山区建筑而言，风压高度的变化系数也应考虑地形条件的修正。
二、风荷载对高层建筑物的影响风荷载是超高层建筑的主要控制荷载。
超高层建筑通常体型巨大、功能复杂、容纳人员 众多，且主塔楼往往平面小、层数多，核心筒布置的 合理与否直接关系到建筑的品质及使用率。在解决好 至关重要的建筑结构和消防安全性的同时，也应解决 好建筑内部的垂直交通及电梯配置（包括电梯台数、 载客量、速度以及排列布置），以有效地提高超高层 建筑的运行效率和使用效率。本文以近年来笔者参与 设计的部分超高层建筑—深圳京基金融中心大厦（图 1）、广州侨鑫珠江新城F1-1地块项目（以下简称侨 鑫大厦，图2）及广州嘉裕珠江新城F2-2之一地块项 目（以下简称嘉裕大厦，图3）等实例来分析超高层 建筑的核心筒及电梯设计。 一、超高层建筑的心脏——核心筒设计 超高层建筑的核心筒由钢筋混凝土浇筑而成，集 合了电梯井道、消防楼梯间和前室、机电设备机房、 管道井及卫生间等服务性空间，核心筒的大小、位置 和布局与建筑功能、建筑体型及平面形状等因素密切 相关。 位于深圳市蔡屋围深圳金融中心区的京基金融中 心大厦共98层，高度为439m，功能为甲级办公楼和 白金五星级豪华酒店。1-74层为办公，建筑面积约 为17.6万m2 ，；75-98层为酒店，建筑面积约为4.6 万m2，在75层以上的酒店部分设计有内部中庭，拥 有客房289间，客房围绕中庭环形布局，酒店接待大 厅设于94层，其上为独具特色的鹅蛋形餐饮空间。 大厦在18层及19层两层、37层及38层两层、55层及 56层两层、73层及74层、91层及92层设置了避难 区及设备层，用敞开楼梯将18层及19层、37层及38 层、55层及56层连接成两层的敞开避难空间。 京基金融中心大厦办公层平面近似为长方形， 南北两个长边为向外的弧形，长边长57.6米，短边 长约为44-49m，核心筒位于中部，办公低区核心筒 尺寸为37.8×23.1m（图4-a），到了高区由于取消 了从负一层及首层往返于39层及40层的办公穿梭电 1.两部防烟楼梯间及两台消防电梯（兼服务电 梯），前室可合用。 2.办公建筑内公共卫生间按办公人数每25人设 一个大便器及洗手盆，男性员工每15-20人设一个小 便器。经计算，男卫生间：大便器3个，小便器4-5 个，洗手盆3个；女卫生间：大便器4-5个，洗手盆4 个。还要设独立的无障碍卫生间或在男女卫生间内各 设1个无障碍厕位。 3.空调机房：一般500-800m 2办公面积设计一个 空调机房，机房面积一般为20-30m2，每标准层空 调机房面积约为40-60m2。 4.强、弱电间面积约为13-15m 2。 二、核心筒的核心—电梯设计 电梯设计是超高层建筑核心筒设计的重要环节。 电梯设计不只是一般的载人载货那般简单，应满足舒 适度及速度感，利用最少的电梯及电梯井道达到较为 经济又能达到较高效率来满足整个建筑的垂直运输需 求。电梯的性能主要取决于建筑物内人口密度、电梯 的数量和类型以及电梯所服务的楼层数等因素。 对办公大楼来说，早晨上班时刻出现上行高峰客 流；中午午餐时间出现强度稍小的一个下行高峰及一 个上行高峰；下班时刻出现一个最为强烈的下行高 峰。上行高峰形成是由于雇主要求雇员在某一时刻之 前到达办公地点并开始工作，下班下行时，乘客对候 梯时间的容忍程度较强，所以办公大楼交通计算一般 以解决上班时上行高峰客流为目标。 酒店主要的交通模式时段是在客人入住 （17:00-19:00）及退房（08:00-10:00）。这两段 时间内，客人会同时进出客房及餐厅，进入及离开酒 店，所以客人会乘坐电梯上行及下行。故此酒店客梯 系统根据上行及下行之交通情况来模拟。 在开始时间前的某一个5分钟范围内，乘客的集 中率达到高峰，即采用“5分钟输送能力”来衡量解 决这一个5分钟范围内乘客的集中高峰的程度。也就 是说5分钟输送能力指在5分钟内电梯所能输送的人 数占要输送乘客总人数的百分比。 乘客在等待电梯时产生的烦燥，随着等待时间的 加长而加强。心理实验检测得知,乘客在等待电梯时 产生的烦燥心情与实际候梯时间的平方成正比。因 此，乘客的候梯时间是交通计算必须考虑的一个问 题，即“电梯平均运行间隔”(即平均候梯时间)。 京基金融中心大厦电梯系统设计采用国际甲级办 公室的客梯计算标准： 5分钟输送能力 在上行高峰期 > 12% 平均运行间隔 < 30s 人员密度 =12m 2/人 实际人员占总人数的比例 = 85% 电梯负载率 < 80% 通过模拟分析，京基金融中心大厦办公楼楼层划 分为办公低区及办公高区两个区域，每个区域又分别 由4组电梯组成，其中两组为6台电梯，另外两组为4 台电梯。低区的办公大堂设于负一层及一层，乘客可 乘坐位于核心筒左侧的6台双轿箱高速电梯由低区的 办公大堂至39层及40层的高区办公大堂,然后可转换 乘坐高区电梯。高区的4组电梯与低区的4组电梯共 用核心筒电梯井道（图7），节省了核心筒的空间。 设计之初，曾做过设一个电梯转换层和设两个电 梯转换层的两个方案，办公楼楼层分为低区、中区及 高区。两种方案经比较，设一个电梯转换层的方案 （图8）优于设两个电梯转换层的方案，从使用者角 度看，一个电梯转换层比两个电梯转换层更直接、更 方便，需要较少的穿梭电梯及客梯，电梯效率较高， 成本相对要低。 酒店位于京基金融中心大厦办公楼层之上，为白 金五星级酒店，采用了如下客梯计算标准： 5分钟输送能力 在上行及下行高峰期 > 15% 平均运行间隔 < 50s 人员密度 = 1.5人/房间 实际人员占总人数的比例 = 100% 电梯负载率 < 50% 通过模拟分析，在核心筒的右侧设置4台酒店 高速穿梭客梯来服务宾客从酒店首层大堂直接到94 层的酒店接待大厅（图4-d），然后宾客可从94层 酒店大堂向下转乘酒店客梯到达酒店客房楼层（图 4-c）、中餐厅、商务中心及健身俱乐部。 侨鑫大厦塔楼办公区为国际甲级办公室，电梯系 统设计采用如下计算标准： 5分钟输送能力 在上行高峰期 > 11% 平均运行间隔 < 35s 人员密度 = 10m 2/人 实际人员占总人数的比例 = 80% 电梯负载率 < 80% 通过模拟分析，塔楼低区办公区由5台载重量分别 为1600kg的客梯提供电梯运输服务，2组8台载重量 1600kg的客梯服务于办公中区和高区（图9）。2台 服务电梯指定为消防电梯，为办公塔楼所有楼层提供 服务。 高峰期电梯性能计算是基于目的层控制系统的工 作估计。这个系统使乘客在进入电梯前需要预先输入 目的楼层，以提高每部电梯单位时间的工作效率，进 而尽量减少核心筒面积。同样数量的电梯，常规控制 系统的服务人数减少15%，相当于在常规系统下， 需要增加15%的电梯数量来满足同等工作需求。 嘉裕大厦电梯系统设计计算标准如下： 酒店及酒店式公寓客用电梯 5分钟输送能力 在上行及下行高峰期 > 11% 平均运行间隔 < 45s 人员密度 = 1.75人/房间 实际人员占总人数的比例 = 100% 项 目 功能 区域 服务楼层 服 务 层数 数量 (台) 载重(kg) 速 度 (m/s) 京 基 金 融 中 心 大 厦 办 公 低区/办公楼客梯 -1，4-10F 7 4 1600 2.5 -1，11-16F 7 4 1600 3.5 1，17，20-27F 10 6 1600 4 1，28-36F 10 6 1600 5 高区/办公楼客梯 39，41-47F 8 4 1600 2.5 39，48-54，57-58F 10 6 1600 3.5 40，59-68F 11 6 1600 4 40，69-72F 5 4 1600 5 空中大堂/办公楼穿 梭客梯(双轿箱) -1F-1F，39-40F 4 6 1600/1600 8 办公楼停车场客梯 -4F-1F 5 3 1600 1.6 酒店 酒店大堂，酒店客 房，会议室， 会所 75-90，93-94F 18 4 1600 2.5 特色餐厅 93-94，96-97F 4 2 1350 1.6 酒店穿梭客梯 1，4，94F 3 4 1600 9 侨 鑫 大 厦 办公 低区/办公楼客梯 1，4-15F 13 5 1600 3.5 中区/办公楼客梯 1，16-30F 16 8 1600 5.0 高区/办公楼客梯 1-2，32-45F 16 8 1600 6.0 嘉 裕 大 厦 裙楼 商业，餐厅，桑拿 洗浴 1-5F 5 3 1600 1.5 办公 低区/办公楼客梯 1，6-13F 9 5 1600 2 公寓 中区/酒店式公寓 1，15-29F 16 4 1600 2.5 酒店 高区/酒店 1，15，31-46F 18 6 1600 4 下表列出上述三幢超高层建筑的电梯安排一览表： 图1-3 电梯负载率 < 50% 办公区客用电梯系统设计所采用的标准与侨鑫大 厦相同。通过模拟分析，嘉裕大厦塔楼办公区由5台 客梯提供电梯运输服务，4台客梯服务于酒店式公 寓，6台客梯服务于酒店客房（图10）。 通过以上的实例分析，200m高的超高层办公 （或酒店）建筑，一般层数为40多层，根据消防的 要求要设置避难层，两个避难层之间一般不超过15层，200m高的超 高层建筑要设置两个避难层，竖向交通通常按消防避难层的设置采 取分区停靠的方式，分为低、中、高三个区。而400多米高的超高层 建筑，层数大都在100层左右，建筑内人员多，为提高输送效率， 可配置双层轿厢电梯，通常采取设转换厅+分区停靠方式，有效设计 超高层建筑的电梯的关键是运用各种局部电梯进行服务，并把局部 区域电梯系统地组织起来，为人们提供快速、高效、平稳的垂直服 务。电梯分区宜以建筑高度50m或10-12个电梯停靠站为一个区。 办公建筑一台1000kg客梯服务的建筑面积为4000-5000m2，超高层 办公1000kg客梯服务的建筑面积可为3000m2。为提高效率，超高 层办公电梯载重量可取1600kg，第1个50m电梯速度可采用1.75m/ s，然后每隔50m升一级，速度加1-1.5m/s，超高层建筑可取高 值。单组电梯的数量不应多于8台，候梯厅的深度应不小于3m，且 不宜大于4.5m。 在超高层建筑中电梯作为垂直交通工具，其数量的配置、控制方 式及有关参数的选定不仅直接影响建筑物的一次投资，而且还将影 响建筑物的使用安全和经营服务质量。恰当地选用电梯的台数、容 量、运行速度、控制方式非常重要，且电梯一经选定和安装使用就 几乎成了永久的事实，因此，在设计中尤其对电梯的配置应予以充
