【UAS】国内已建成的最高的十一座超高层建筑都是如何设计的？
1883年，“摩天大楼”一词首次出现在《美国建筑师与建筑新闻》一文中。铸铁行业的发展以及电动升降梯成功安装，标志着摩天大楼时代的来临。1885年的55m高的家庭保险大厦（Home Insurance Building）被称为史上第一座摩天大楼。
▲ 截止2021年，全球已建成的最高的二十座超高层建筑(@CTBUH)
我国的超高层建筑发展始于上世纪90年代。经过二十多年的发展建设，我国的超高层建筑也获得了迅猛发展。根据CTBUH最新统计，截止2021年，全球已建成的最高的二十座超高层建筑中，中国就占了11栋。
▲ 中国已建成的最高十大超高层建筑(@CTBUH)
大家可能都知道上海中心、上海环球金融中心、台北101等这些有名的超高层建筑。那么大家知道我国的这些最高的超高层建筑的结构是如何设计的吗？下面就跟着小编一起来看看中国最高的超高层建筑是如何设计的吧。
01上海中心
建筑设计：Gensler & TJAD
结构设计：TT & TJAD
结构体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
上海中心大厦建筑高度632m，结构高度574m，主塔地上124层，裙房地上5层，地下5层，建筑面积约为57.8万平米。2009年开始施工，历时8年，上海中心大厦建筑总体正式全部完工。上海中心的高度全球第二，仅次于全球最高的迪拜哈利法塔(828米)。
▲ 上海中心竖向分区图
其平面为倒角的三角形外形，随着建筑高度不断旋转上升并均匀缩小，每层约扭转1度，共扭转120度，这种平滑光顺的非线性扭转性型体，可以有效降低结构的风荷载，通过风洞试验发现，这种体型降低了约24%的风荷载。
▲ 上海中心平面扭转上升示意图
塔楼抗侧力体系为“巨型框架—核心筒—外伸臂”结构体系。在8个设备布置了六道两层高外伸臂桁架和八道箱型环带桁架。由环带桁架和巨柱形成外围巨型框架。由8根巨型柱，四根角柱（仅布置在地下室及1-5区），8道两层高的环带桁架（位于各加强层）组成巨型框架。6道伸臂桁架分别位于2、4、5、6、7、8区的设备层处。
▲ 结构体系组成示意图(@tt)
环带桁架为双榀的箱型空间桁架，相比单榀的环带桁架，其对巨柱的约束效果基本不变，增加了环带桁架抗扭刚度。同时，在加强层还设置了一层高的径向桁架，将外侧悬挑的幕墙荷载传递巨型框架。
▲ 环带桁架及径向桁架示意图(@tt)
▲ 伸臂桁架示意图(@tt)
巨柱采用SRC巨柱，通过6道两层高的伸臂桁架将8根巨柱与核心筒联系起来，使核心筒与外框协调变形，共同抵抗侧向荷载。4根角柱主要是用来减小环带桁架的跨度，减缓外框的剪力滞后效应。
▲ 巨柱布置图(@tt)
巨柱的截面尺寸最大为3.7x5.3m，到顶部收为1.9x2.4m，1~6区巨柱采用王字型钢骨，7~8区 采用日字型钢骨。
▲ 巨柱内钢骨形式(@tt)
由巨柱和环带桁架组成的巨型框架，通过6道伸臂桁架与核心筒相连，使得巨型框架可以和核心筒有效协同工作。在水平荷载作用下，核心筒承担了48%左右的基底剪力及22%左右的倾覆弯矩，巨型框架承担了52%左右的基底剪力和78%左右的倾覆弯矩。可以看到，巨型框架承担了主要的水平剪力和绝大部分的倾覆力矩。
▲ 巨型框架与核心筒剪力与倾覆力矩分配比例(@tt)
▲ 上海中心
02 深圳平安金融中心
建筑设计：KPF & CCDI
结构设计：TT & CCDI
结构体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
深圳平安金融中心，建筑高度599.1m，结构高度562.2m，地上115层，地下5层，于2017年正式完工，目前是深圳最高的建筑，同时也是中国第二高以及世界第四高的建筑。
▲ 平面尺寸
建筑平面约为正方形，角部向内切角，底部平面尺寸约为65x65m，平面尺寸沿高度逐渐收进。结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”，巨型框架由8根巨柱、7道环带桁架以及巨型斜撑组成，并设有4道两层高的伸臂桁架，将巨型框架与核心筒协调共同作用。
▲ 结构体系组成
与上海中心类似，其环带桁架在正立面采用双榀环带桁架，角部采用单榀桁架。相比于单榀环带桁架，其截面较小，与巨柱的连接较为方便，如下图所示。
▲ 环带桁架示意图
巨柱采用异形截面的SRC柱，柱内采用王字型型钢。巨柱最大截面尺寸为6525x3200mm，到顶部收为3120x1400mm，含钢率为4%~6%，如下图所示。
▲ 巨柱布置及截面示意图
在水平荷载作用下，核心筒承担的剪力与倾覆力矩比例分别为52.%和28.2%，巨型框架承担的剪力与倾覆力矩比例分别为47.5%和71.8%。可见，在伸臂桁架的协同作用下，巨型框架承担了一半左右的剪力和主要的倾覆力矩，形成了有效的双重抗侧力体系。
▲深圳平安金融中心 (@CTBUH)
03广州周大福金融中心
建筑设计：KPF & GZDI
结构设计：ARUP & GZDI
结构体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
广州周大福金融中心（广州东塔），建筑高度530m，结构高度495.5m，地上111层，地下4层，于2016年正式完工，目前是中国第三高、世界第七高的超高层建筑。
▲ 建筑平面沿高度变化
主塔楼建筑平面底部为正方形，平面尺寸约为58x58m，在中上部平面收进，立面效果为节节收进，如上图所示。
▲ 结构体系示意图
结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”，设有4道两层高的伸臂桁架，分别位于F23~24、F40~41、F68~69、F93~95层。并设置了6道环带桁架。
▲ 伸臂桁架示意图
巨型框架由8根巨柱和6道环带桁架组成。8 根巨柱从地下室一直延伸至办公区顶部(68 层)，之后减掉 1 根，余下 7 根继续延伸至公寓区顶。6 道刚度较大的双层空间环桁架充当巨型梁，能有效地提高外框的抗侧刚度，一方面可协调外框架各竖向构件的变形差，使之受力均匀；另一方面还能将次结构上的竖向荷载传递到巨型柱上，有效减小巨柱在大风或罕遇地震作用下受到的拉力；同时，环桁架还可作为巨型柱的侧向支撑，有效减小计算长度。环带桁架均为双榀桁架，如下图所示。
▲ 加强层示意图
▲ 环带桁架、伸臂桁架与巨柱及剪力墙的连接节点
巨柱采用CFT柱，截面尺寸底部最大为3.5x5.6m，到顶部收为2.0x1.5m，含钢率为4.5%~9.0%。F1~43层柱内混凝土采用C90高性能混凝土，F44~69层采用C80，其余采用C60。
▲ 巨柱截面示意图
▲ 巨柱钢骨示意图
外墙厚度从1800mm过渡到500mm，内墙厚度为750~400mm，B5~F32层，剪力墙外墙采用箱型钢板剪力墙，如下图所示。
▲ 单层与双层钢板剪力墙
水平荷载作用下，核心筒承担了约78%的剪力和43%的倾覆力矩，巨型框架承担了约22%的剪力和47%的倾覆力矩。在伸臂桁架的约束作用下，巨型框架与核心筒共同抵抗水平荷载，剪力主要由核心筒承担，巨型框架承担大部分的倾覆力矩。
▲ 巨型框架与核心筒之间剪力与倾覆力矩分配
▲ 广州周大福金融中心(@CTBUH)
04天津周大福金融中心
建筑设计：SOM & ECADI
结构设计：SOM & ECADI
结构体系：带陡斜撑框架-核心筒-环带桁架
天津周大福，建筑高度530m，结构高度439.4m，地上97层，地下4层，于2019年正式完工，目前是中国第三高、世界第七高的超高层建筑。
▲ 竖向平面分布图
结构体系为“带陡斜撑和带状桁架的钢管（型钢）混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构”，未设伸臂桁架。
▲ 结构体系组成(@SOM)
外框由角柱、陡斜撑（斜柱）和普通边框柱组成。塔楼立面设置 3 道环带桁架，第一道设置在中部48M~L51 层。同时也实现下部办公区 9m 柱距到上部公寓和酒店区 4.5m 柱距的转换。其余两道环带桁架设置在 L71~L73 层和 L88~L89 层设备层，在核心筒顶部（471.15m~481.15m）设置一道帽桁架来缩小周边柱与核心筒之间的变形差。
▲ 环带桁架示意图(@SOM)
F1~49层办公区框架柱采用CFT柱，上部公寓和酒店区域框架柱采用SRC柱，中间通过第一道转换桁架进行转换，如下图所示。
▲ 框架柱示意图(@SOM)
核心筒外墙厚度沿高度从1500mm收到900mm，内墙厚度从顶到底均为800mm。核心筒外墙从F13 层开始收掉一个角，到 F33 收掉两个角。直至F 44 层全部收掉。核心筒在F45 层至F73层呈“井”字型，F73 层以上仅剩内墙，如下图所示。
▲ 核心筒收分示意图
▲ 天津周大福金融中心
05
北京中信大厦
建筑设计：KPF & BIAD
结构设计：ARUP & BIAD
结构体系：巨型框架—钢板组合剪力墙核心筒
北京中信大厦，建筑高度528m，结构高度515.5m，地上109层，地下8层。平面为方形，底部尺寸为 78m×78m，中上部平面尺寸为 54m×54m；同时顶部逐渐放大为 69m×69m，最终形成中部略有收分的建筑造型。于2018年正式完工，目前是中国第五高、世界第九高的超高层建筑。
▲ 典型平面图
▲ 巨型支撑筒承担的剪力分布图
项目初期的业态为办公、酒店、公寓等混合业态，因此，初期的结构方案是在酒店、公寓区采用密柱抗弯框架的形式，避免在酒店公寓区出现斜撑，在办公楼层采用巨型斜撑的形式。后来随着业态的统一，结构体系才逐渐演变成现在的沿全高布置巨型斜撑的方案。
▲ 结构体系示意图
最终的结构体系为巨型框架支撑外框筒+钢板组合剪力墙核心筒组成的双重抗侧力结构体系。外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架组成。其侧向荷载主要外框的支撑筒与核心筒承担。
▲ 结构立面布置图
F1~6层采用异形多腔体巨型柱，位于塔楼平面四角，巨型柱在F7层开始分叉，由4根转换为8根，柱外形由六边形渐变为五边形、四边形，且柱截面逐渐变小。F7～F17层为六边形田字型巨柱；F18～F19层为五边形田字型巨柱；F20～F92层为四边形田字型巨柱；F93～F106层四边形箱型柱。底部柱截面约63.9m2，顶部柱截面约2.56m2。
▲ 异形巨柱分布示意图
▲ 异形巨柱分布示意图
由于外框筒沿全高设置了巨型支撑，外框筒的刚度得到了显著提高。对于一般楼层， 支撑承担的剪力占相应楼层的剪力约 40%～50% 。结构大多数楼层外框筒承担的剪力超过底部剪力的 20%。对于倾覆力矩而言，支撑筒分担了约67%的倾覆力矩。说明巨型支撑的设置，可以使得外框筒的空间作用得到充分发挥。支撑筒发挥了主要的抗侧作用，成为第一道防线，核心筒内筒成为第二道防线。在实现多道设防的前提下， 降低了混凝土核心筒在罕遇地震下刚度退化、内力重分配对型钢外框架的不利作用， 提高了结构的整体安全储备。
▲ 巨型支撑筒承担的剪力分布图
▲ 北京中信大厦
06台北101大厦
建筑设计：CY Lee & Partners
结构设计：Evergreen Consulting Engineering & TT
结构体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
台北101大厦，建筑高度508m，结构高度438m，地上101层，地下5层。于2004年正式完工，目前是中国第六高、世界第十高的超高层建筑。
▲ 结构平面及剖面
结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”结构。底部平面尺寸约为63.5x63.5m。周边设置8根巨型CFT柱和12根小的CFT柱，巨柱截面从2.4x3.0m收到1.6x2.0m，钢板厚度由70收到50mm。在26层以上只剩下8根巨柱直到90层。从基础顶到26层为斜柱，设置三道双层高环带桁架，27层以上为直柱，每隔8层设置一道环带桁架。90层以上立面收缩，设斜撑将外柱连接到内筒柱。
▲ 结构平面及剖面
内筒由16根箱形柱与斜撑形成桁架筒，延伸到95层，在9层以下钢柱与600mm厚的混凝土剪力墙浇筑成整体，96层以上退缩为4根柱子，为增加平面缩小后的结构刚度，从94层到99层在箱型钢柱内灌68.9Mpa的混凝土。
▲ 巨柱截面形式
▲ 台北101大厦
07上海环球金融中心
建筑设计：KPF & ECADI & IMAE
结构设计：LERA & ECADI & MORI
结构体系：巨型框架—核心筒—伸臂桁架
上海环球金融中心，建筑高度492m，结构高度474m，主楼地上 101 层，地下3 层。于2008年正式完工，目前是中国第7高、世界第11高的超高层建筑。
▲ 典型平面布置图
▲ 上海环球金融中心的结构体系组成
上部结构同时采用以下三重抗侧力结构体系：1）由巨型柱，巨型斜撑（主要的斜撑）和周边带状桁架构成的巨型支撑筒；2）钢筋混凝土核心筒（79层以上为带混凝土端墙的钢支撑核心筒）；3）联系核心筒和巨型结构柱之间的外伸臂桁架。
▲ 伸臂桁架及环带桁架(@LERA)
核心筒在 79 层以下为钢筋混凝土剪力墙，在 79 层以上则为钢支撑核心筒体系，其端部墙外包钢筋 混凝土。核心筒既承担重力荷载，又承担由风和地震引起的部分剪力和倾覆弯矩。为改善混凝土核心筒的延性，在钢筋混凝土核心筒每个角部沿墙体全高布置了型钢。
▲ 核心筒构成示意图(@LERA)
由巨型柱、巨型斜撑以及环带桁架组成的巨型框架空间作用强，具有很大的抗侧刚度，在建筑底部的巨型框架承担了60%以上的倾覆力矩和30~40%左右的水平剪力，而且与框筒相比，避免了剪力滞后效应的不利影响，也减轻了结构自重。
▲ 核心筒与巨型框架的剪力分布图(@LERA)
结构体系内外筒抗震防线的分布与传统框架-核心筒结构体系相比发生了明显的变化，巨型框架为主要的抗侧力构件， 成为结构的第一道防线， 内部核心筒成为体系的第二道防线。
▲ 上海环球金融中心(@CTBUH)
虽然在该项目中设置了伸臂桁架，但是由于巨型框架的空间作用已经发挥的较为充分，因此，与普通的框架-核心筒或框筒-核心筒结构相比，伸臂桁架所起的作用已大大降低，因此伸臂桁架并未贯穿核心筒筒体。
08环球贸易广场
建筑设计：KPF
结构设计：ARUP
结构体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
环球贸易广场，建筑高度484m，结构高度468.8m，地上108层，地下4层。于2010年正式完工，目前是中国第8高、世界第12高的超高层建筑。
▲ 建筑平面布置图
结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”，设置了一道混凝土伸臂桁架和三道钢结构伸臂桁架。
▲ 建筑立面图
▲ 环球贸易广场
09长沙国际金融中心
建筑设计：王董国际有限公司 & ECADI
结构设计：ECADI
结构体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
长沙国际金融中心，建筑 高度452.1m，结构高度431m，地上94层，地下5层。于2018年正式完工，目前是中国第9高、世界第16高的超高层建筑。
▲ 结构体系组成(@ECADI)
结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”。共设置了2道X型伸臂桁架，分别位于建筑楼层27F~28F、54~55F。设置了5道环带桁架，分别位于建筑楼层 27F、44F、54F、64F、80F。五道环带桁架的设置，配合伸臂桁架，大大加强了结构整体刚度。
▲ 伸臂桁架布置示意图(@ECADI)
外框架由每边 4 个外框柱，每个角部设 1 个外框柱组成（外框总共 20 个柱），其中与核心筒角部对应的 8 根柱最大（底层 2600×2600）。部分外框柱在 70 层开始以小于 1:6 的斜率开始向内倾斜，以 配合建筑立面的高位收进。框架柱混凝土强度等级为从低区 C70 逐渐过渡至高区 C50。
▲ 典型平面布置图(@ECADI)
水平荷载作用下，巨型框架承担的剪力约在7%~8%左右，承担的倾覆力矩比例约为50%。说明核心筒承担了主要的剪力，由于伸臂桁架的协同作用，巨型框架承担了较大一部分的倾覆力矩。
▲ 长沙国际金融中心(@ECADI)
10苏州国际金融中心
建筑设计：KPF & ECADI
结构设计：ECADI
结构体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
苏州国际金融中心，建筑高度450m，结构高度399.1m，地上95层，地下5层。于2019年正式完工，目前是中国第10高、世界第19高的超高层建筑。
▲ 结构体系组成(@ECADI)
结构体系采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”，设置了4道伸臂桁架，5道环带桁架。伸臂桁架连接巨柱与钢筋混凝土核芯筒，协调内外筒变形，有效提高了结构整体刚度。
▲ 典型平面布置图(@ECADI)
平面尺寸约为52.7x52.7m，沿建筑周边布置了8根巨柱以及8根角柱，巨柱通过伸臂桁架与核心筒相连，巨柱内型钢采用王字型型钢，角柱采用十字型型钢。
▲ 苏州国际金融中心(@CTBUH)
11南京绿地紫峰大厦
建筑设计：SOM & ECADI
结构设计：SOM & ECADI
结构体系：框架-核心筒-伸臂桁架
南京绿地紫峰大厦，建筑高度450m，结构高度316.6m，地上66层，地下5层。于2010年正式完工，目前是中国第10高、世界第19高的超高层建筑。
▲ 三维模型及平面布置
框架柱采用型钢混凝土柱，直径在1750mm~900mm ，剪力墙厚度从500mm~400mm之间变化。
▲ 伸臂桁架布置形式
结构体系采用“框架-核心筒-伸臂桁架”，在F10、F35、F60 处共设置了三道加强层。结构平面为等腰三角形，边长分别为75m和58m。核心筒也为等腰三角形布置。伸臂桁架布置在弱轴方向。
▲ 南京绿地紫峰大厦(@CTBUH)
小 结
最后，我们对上述国内已建成的最高超高层建筑进行一个简单的汇总，如下表所示。
▲ 国内已建成的最高超高层建筑
可以发现，87.5%的超高层建筑采用的都是“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”体系，通过伸臂桁架与环带桁架，使巨型框架与核心筒发挥协同作用，共同抵抗水平荷载。
虽然中国近年来在超高层建筑领域发展迅猛，但是目前国内超高层建筑的设计还是主要以国外知名事务所为主，国内设计单位在超高层领域方面任然是任重而道远。相信在不久的将来，我们与国外事务所的差距会越来越小。
参考资料：
[1] https://www.ctbuh.org/.
[2] 周建龙. 超高层建筑结构设计与实践[M]. 同济大学出版社.
[3] 高立人, 方鄂华, 钱稼茹. 高层建筑结构概念设计[M]. 中国计划出版社.
[4] 相关项目资料.
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