建筑结构设计优化案例分析（超高层建筑结构经济性分析）

免责声明：本文来自崛起中的亚洲：可持续性摩天大楼城市的时代：多学科背景下的高层建筑与可持续城市发展最新成果汇总——世界高层都市建筑学会第九届全球会议论文集-《超高层建筑结构经济性分析》作者：汪大绥; 周建龙; 包联进

摘要

超高层建筑投资巨大，结构造价占较大比例。基于超高层建筑结构的受力特点，对影响超高层建筑结构造价的若干因素进行探讨，如建筑体型、结构体系、结构材料等。此外，施工方案和施工周期也间接影响结构造价。最后，对部分已建或在建的300m高度以上超高层建筑的结构用钢量进行初步统计和分析，以期找到一些规律和背景。结构造价受多因素影响，需要相互平衡，合理优化的结构设计是降低结构造价的必由之路。

关键词：建筑体型、抗侧力结构体系、混合结构、用钢量

概述

近几年来，中国超高层建筑的建设数量与速度惊人。据不完全统计，中国目前正在兴建的摩天大楼（500英尺或152m高度以上）总数超过200幢，未来5年中国的摩天大楼总数将超过800幢，是目前美国摩天大楼总数的4倍。

超高层建筑由于楼层数多、建筑面积超大、施工周期长，因此需要巨大投资。对超高层建筑而言，结构造价占总造价比例高达30%~35%。因此，降低结构造价对节约工程投资意义重大。同时，减少结构材料用量可降低碳排量，有助于实现绿色建筑和建筑可持续的发展目标。本文从结构设计的角度，对影响超高层建筑结构造价的主要因素进行探讨。

结构造价相关因素

结构造价可以用直接经济指标或间接经济指标来衡量。直接经济指标一般采用结构造价百分比、单位面积结构综合造价或者单位面积材料用量。鉴于超高层建筑具有施工周期长、投资回收慢、竖向构件面积大等特点，也可用间接经济指标来补充衡量，如竖向构件占楼层面积比、施工可建性、社会效应等。限于篇幅关系，本文主

要从直接经济指标以及施工可建性角度来探讨结构的经济性。

针对超高层建筑的结构受力和施工特点，以下就建筑体型、抗侧力结构体系、结构材料以及施工周期等对影响结构造价的若干因素进行重点分析。

建筑体型

影响结构经济性的超高层建筑体型主要包括高宽比、建筑立面变化以及平面形状等。

高宽比

超高层建筑在其他条件相同时，在风荷载作用下，建筑物基底倾覆力矩与建筑高度的平方成正比，而建筑物顶部的侧向位移与其高度的四次方成正比。与多高层建筑相比，超高层建筑高度增加几十倍，但房屋的进深（宽度）最多增加几倍，其高宽比就愈大，位移控制以及顶部舒适度就会成为主要问题。因此，为了增大超高层建筑抵抗水平力和侧移的能力，增加建筑的有效宽度是最有效的方法。

超高层建筑物的高宽比也显著影响横风向的风荷载。以某细柔的超高层建筑为例（见图1），其主体结构高度约为167m，平面呈正方形，原方案设计的外形尺寸为16.8m×16.8m，结构的高宽比约为10。基于该模型的风洞试验表明，其横风向的基底弯矩约为顺风向的3倍，横风向效应非常明显。优化方案将建筑平面尺寸调整为18.0m×18.0m的正方形，结构高宽比减小为9，基底弯矩减小幅度为50%。结构高宽比在建筑体型的优化过程中是最关键的因素。

锥形化体型

建筑立面锥形化内收的体型，一方面通过截面沿高度不断收缩，可显著减小风荷载作用下的漩涡脱落和横风向效应，另一方面可提高结构抵抗水平力的效率，体现在以下两个方面：

•• 有效抵抗倾覆力矩

在水平荷载作用下，锥形内收体型的高层建筑其倾覆力矩基本符合其倾覆力矩的分布规律，结构材料的效能可以得到充分发挥，比较典型的工程实例有埃菲尔铁塔(请见图2(a))和东方明珠电视台(请见图2(b))。

•• 提高结构抗侧力刚度

锥形化体型的超高层建筑，外框架柱略微倾斜，可以减少框架的侧移。用简化计算对三个高为16，32和40层的三开间建筑物进行研究，倾斜部分的高度分别为1/2高度和全高（请见图3）。研究结果显示，40层框架的相对侧移减小得最多，因为其高宽比最大。当外柱的斜率为8%时，可

使40层框架的侧向位移减小50%（文献:林同炎& SD斯多台斯伯利, 1992）。

抗风体型

当建筑高度超过150m时，风荷载一般是超高层建筑主要的水平控制荷载。合理的建筑体型可有效减小风荷载效应，特别是降低高宽比较大的建筑物的横风向作用。

•• “卸风”体型

随建筑高度增加，风荷载呈现指数级增长。建筑物顶部和高区风荷载所引起的倾覆力矩占基底总倾覆力矩的比例较大。在建筑物高区立面开设一些洞口，减小迎风面面积，对减小基底风荷载以及倾覆力矩作用非常明显，如图4所示。

•• 扭转体型

对横风向引起的风荷载以及顶部舒适度控制，采用沿高度不断扭转的建筑体型则是非常有效的方式。适度增加建筑物的扭转程度可使涡漩脱落之间的相关性减少，降低横风向动力响应。例如芝加哥螺旋塔（请见图5(a)）的扭转体型使顶部加速度减少了约80%。又如上海中心大厦（请见图5(b)）采用扭转120°的体型，与传统规则不扭转的箱体体型相比，风荷载作用降低达60%。初步估算表明，上海中心大厦优化后的建筑体型可节省结构造价6000万美元。

•• 其他措施

超高层建筑采用流线形平面、建筑角部钝化、沿高度逐步退台以及立面设置导流槽等体型优化措施均可以有效降低风荷载横风作用，从而取得可观经济效益。

结构体系

抗侧力结构体系

超高层建筑水平荷载作用下倾覆力矩与高度的关系表明，结构材料用量随建筑高度非线性急剧增加。因此，提高抗侧力结构体系的效率是降低结构造价的有效途径之一。结构效率（MARK, S.et al. 2006.）是指柱缩短和拉伸引起的侧向位移占结构总侧移的比例。结构总侧移包括剪切变形、弯曲变形以及柱拉伸和缩短引起的变形。西尔斯大厦初步设计方案采用框筒结构体系，只有61%的效率值，后来通过引进建筑内部密柱深梁的框架形成束筒体系，其效率值达到78%，接近达到80%的目标值，从而有效降低了结构造价。金茂大厦采用巨柱伸臂的抗侧力结构体系，其效率值为70%，优于框筒体系，与束筒的效率基本相当。反之，普通框架结构的结构效率值为15%~20%左右，侧向位移主要由梁柱的弯曲变形引起，抗侧力体系效率很低。

楼盖体系

超高层建筑中楼盖体系的结构高度对结构造价也有很大影响。以60层建筑为例，每层楼盖结构厚度增加30cm，累积起来结构的总高度就增加了18m，风荷载和地震作用就会大大增加。并且，电梯、立面围护系统以及其他机电设施的造价都要相应增加。此外，楼盖跨度也是影响承重结构材料用量的主要因素。降低标准层楼盖结构高度，可间接提高超高层建筑结构的经济性。

结构材料

在超高层建筑的结构总造价中，结构材料直接费约占50%左右，而另外50%为现场安装所需劳动力和设备产生的间接费用。因此，结构材料的选用除了考虑材料用量，还应考虑材料的施工特点、材料供应、价格波动、施工现场条件、人力以及技术管理状况等。

钢-混凝土混合结构是在同一结构体系中，钢与钢筋混凝土两类结构的构件并用，充分利用两类结构的优点，弥补二者的缺点，相互取长补短，使用材料总消耗量降低的同时还减少了间接费用，从而取得更好的经济效果。比如混合结构施工时外框梁柱中的钢骨可以先形成骨架，为钢筋混凝土模板体系提供支撑；采用

钢梁组合楼盖，压型钢板可以作为模板，这样可以大大减少模板和脚手架的用量和费用。

据不完全统计，目前100幢最高的超高层建筑中，纯钢结构只占了24%，其他均为钢-混凝土混合结构，而在1990年前纯钢结构比例高达57％。近年来国内建成的超高层建筑，如金茂大厦、上海环球金融中心以及在建的上海中心大厦、天津117大厦等均采用了钢与混凝土混合结构。

施工周期

超高层建筑由于建筑面积大，楼层数多，施工周期普遍较长。缩短施工周期意味着建筑可提前投入使用，增加租金收入，业主可尽早获取投资回报，缩短还贷时间。因此，加快施工速度、缩短施工周期也是提高结构经济性的方式之一。本文以天津津塔项目为例，说明施工周期的缩短与结构体系选择的密切关系。

天津津塔为办公建筑，地上75层，建筑高度为336.9m（如图6所示）。塔楼结构体系由“钢管混凝土柱框架＋核心钢板剪力墙体系 (SPSW) ＋外伸刚臂抗侧力体系”组成。原设计中竖向荷载全部由框架柱承担，SPSW不承担竖向荷载，导致SPSW需在主体结构封顶后延迟安装。该方案使施工周期延长6个月，不能满足业主预期要求。优化设计对SPSW施工顺序进行了调整，采用SPSW延迟主体结构15层，即主体结构混凝土浇捣到16层后，开始第1层SPSW。为了防止SPSW在竖向荷载作用下发生屈曲，对部分钢板剪力墙钢板厚度进行了加厚并采用竖向加劲肋进行加强。钢板剪力墙及加劲肋方案仅比原设计方案增加用钢量500吨，增加费用约为600万元，却使得项目施工周期缩短近六个月，光利息一项就可以节约上千万元(MARK SARKISIAN & DASUI WANG, 2011)，降低了工程的总投资费用，很好的满足业主工期要求。

超高层混合结构用钢量分析

图7给出了目前中国建成或在建的部分超高层建筑的结构用钢量指标（图中圆点，单位面积用钢量，不包含钢筋用量）。这些超高层建筑高度在300m及以上，主要用于办公、酒店或公寓等用途。基于目前国内超高层建筑90%以上选用混合结构体系的现状，本文用钢量分析选取以钢-混凝土混合结构类型为主。作为

对比，图中也给出了北美相近高度的超高层纯钢结构用钢量（图中三角形）指标。

由表中统计结果比较分析，本文得出以下一些结论：

单位面积用钢量指标分布较为分散，从100kg/m2至250kg/m2不等，与建筑高度、结构高宽比以及抗侧力结构体系密切相关。如前文分析，建筑高度越高，结构高宽比越大，单位面积结构用钢量越大。结构体系的效率高低也直接影响结构用钢量指标，如采用支撑筒外框或斜交网格结构其用钢量相对较低。

根据部分统计结果，框架柱（巨柱）、伸臂桁架和环带桁架用钢量占结构总用钢量比例分别为30%和15%左右。框架柱型钢含钢率、巨柱的截面形式是影响钢结构用钢量最关键指标之一。

不同地域的超高层建筑用钢量差异较大，这说明风荷载或地震等水平荷载也是影响结构用钢量的主要因素。沿海城市风荷载普遍较大，武汉、重庆、无锡等区域用钢量为低值，北京、天津和上海等用钢量为高值。

与北美纯钢结构用钢量相比显示，中国混合结构的型钢用钢量接近或高于其钢结构用钢量。这与我国规范体系的结构设计指标控制过于严格相关，如结构位移、外框承担地震水平力比值以及基底剪重比等。另外，高强钢应用较少，也是造成用钢量偏高的原因之一。

结论和建议

结构造价占超高层建筑总投资比例较大，在结构设计中应从概念设计出发，从建筑体型、结构体系、材料和施工方案等多方面综合考虑以提高结构经济性。

在满足建筑规划、功能的前提下，建筑形体的优化对结构的经济性往往起到事半功倍的作用。

应重视风洞试验技术在超高层建筑结构设计的应用。目前国内结构设计“重震轻风”的倾向宜得到纠正。对复杂体型的建筑，风洞试验技术是确定风荷载的主要依据，尤其是确定横风向荷载和效应。

免责声明：本文来自崛起中的亚洲：可持续性摩天大楼城市的时代：多学科背景下的高层建筑与可持续城市发展最新成果汇总——世界高层都市建筑学会第九届全球会议论文集-《超高层建筑结构经济性分析》作者：汪大绥; 周建龙; 包联进，版权归原作者所有，本文仅用于分享学习，如涉及侵权，请联系删除！