自GA环球建筑结合超高层建筑结构设计复盘系列

项目概况

2011年，远大集团因15天建成30层大楼而登上新闻头条。 此后，远大实施了在湖南省长沙市望城区建设一座838米高的“天空之城”的计划，目标是超越迪拜哈利法塔（828米高），成为世界第一高楼。 该项目总投资52.5亿元，于2013年7月20日正式开工，后因各种原因停工。

沉寂十年后，远大近日发布了天空城最新规划。

据介绍，新的天空之城规划为巨型钢管锥形塔结构。 塔内有数十栋7至26层的“广义居住建筑”，可容纳住宅、公寓、酒店、办公楼、医院、学校、商店……。 天成安装有自升式起重机（起重机始终留在塔上，方便日后增减建筑物）。

尽管该塔极高，但由于采用锥形机械结构，并采用比传统建筑轻十倍的可移动建筑，钢材消耗并不高：这座1314米高的塔的钢材消耗量相当于每平方米建筑用钢量少于1000平方米。 100公斤以上，适合建造300米至1500米高度的任何建筑，包括经济适用房。 由于该建筑是在工厂预制而成，建设工期极短，仅2年左右。

远大表示，天空之城是高密度城市实现最高生活质量、最低成本和最低碳的解决方案。

以上概述引用自GA Global Architecture

结合超高层建筑结构设计评审系列，从平面尺寸（高宽比）、核心筒、柱断面、基础设计等方面进行了该项目的结构概念可行性分析。

1.底平面尺寸太小

底面尺寸反映了建筑物的高宽比。 高宽比是对结构刚度、整体稳定性、承载能力和经济合理性的宏观控制； 结构设计满足规范规定的承载力、稳定性、抗倾覆性、变形和舒适度。 等基本要求满足后，高宽比限制仅从结构安全的角度来看并不是强制性的，而主要影响结构设计的经济性。

从目前大多数高层建筑来看，这个限制从各方面来说都是可以接受的，也比较经济合理。 长宽比超过此限制的情况很少见。

国内典型的600m级超高层建筑如上海中心大厦、深圳平安金融中心、天津117大厦、武汉绿地中心等，高宽比约为7比10。天津117大厦高宽比更大并在外框架中使用巨大的斜撑。 有效提高外框刚度。

随着建筑物高度的增加，结构所需的刚度呈指数级增加。

远大天空城位于长沙市。 抗震设防烈度为6度。 属低强度、低风压区。 目前底面尺寸为89mX89m，高宽比约为14.76。 高宽比比较大。 经济合理的长宽比应在10左右。如果长宽比控制在10～12，则平面尺寸约为110m～130m，需要增加平面尺寸20～40m才能提供合理的刚度贡献。

当然，也有一些极端的情况。 施坦威塔（The Steinway Tower）高435m，有84层，包含60间公寓。 它位于美国曼哈顿。 这座建筑在美国被称为“世界上最细长的摩天大楼”。 在纽约市完成的，其高宽比达到了惊人的24，看起来就像一根羽毛粘在地上。

极大的长宽比使得结构效率非常低，必须增加更多的结构布置。 建筑利用率也大大降低，只有60套公寓。

2.底部芯管太小

核心筒结构是超高层建筑结构的主要抗侧力结构。 核心筒除了承受较大的竖向荷载外，在抵抗风荷载和地震作用方面也起着至关重要的作用，承受80%~95%的荷载。 总底部剪力的％和总底部倾覆力矩的40％至60％。 可见，核心管结构的合理设计非常重要。

由于建筑功能和采光的要求，超高层建筑一般将公共建筑设施、服务用房、楼梯、电梯等布置在平面图的中心区域，形成多专业共用的核心筒。 核心筒外围和中间隔墙设置剪力墙，门洞处设置连接梁，共同构成具有筒体受力特性的核心筒结构。

国内典型600m级超高层建筑底部核心筒约占25%~30%。 根据规范要求：芯管宽度不应小于管总高度的1/12。 尽量减小核心筒的尺寸，有利于建筑物的利用率。 ，芯柱按照1/22~1/20已经是比较小的芯柱了。

基于此考虑，核心管平面尺寸约为60m~65m。 此时芯管约占25%~30%，具有良好的刚度贡献。 同时，核心筒还需要满足电梯、楼梯、机房、公共设施等建筑使用的功能要求。

3、芯管回缩困难

根据方案要求，23层至20层，核心管大幅缩小，角管内收，面积减少一半。 从19层开始，核心筒基本取消，仅用于电梯功能。 大楼内没有电梯。 可以自己解决，但是上下层之间的活动楼层没有对齐。 如果没有核心管，电梯就无法到达上层活动楼层。

20层高度约为623m。 如果从19层起取消核心筒，采用10柱框架结构（外9柱，内1柱），则框架结构上部仍约为690m，远远超出了适用高度。框架结构及整体结构刚度。 将严重不足。

为了减轻结构重量，上部200-250m可考虑采用纯钢结构。

参考天津117，它采用了巨型支撑外框管。 如果要满足刚度要求，至少必须安装许多巨型支撑才能满足整体刚度要求。

综上所述，即使不考虑电梯、楼梯疏散、设备用房等核心筒的面积要求，从结构设计的角度来看，取消19层及以上核心筒的难度也将极大。很难实现。

4、整体刚度不足

由于需要搭建“居住建筑”，结构的主要受力是外框架柱和核心筒。 框架柱层高为各层高度。 例如，底层为28层，层高为95m，28层及顶层设置转移层。 换乘层负责20F（60m）的四栋“居住建筑”。 在95m高度范围内，核心筒内部可设置侧向约束，以增加剪力墙的稳定性，但外框柱无侧向约束，仅采用传递层加固。 约束。

典型的底部放坡高度为95m、84m、72m、60m、48m、36m、24m等，常规超高层加强层隔墙高度为50m左右，在普通超高层层高处，梁并且板材也会为外框柱提供一定的空间。 对于侧向支撑，工程底部的级配高度大多高于常规超高层建筑，因此整体刚度较常规超高层建筑弱。

增加刚度的更有效方法是添加外部框架支撑。 为了尽量减少对“居住建筑”的影响，可以在以下位置添加支撑，类似于大型支腿的效果，并且应该对整体结构刚度有更好的贡献。 根据刚度要求，支撑形式可采用单斜杆或交叉斜杆。

加强层预计转为厚板，或者转为桁架+厚板。 对于60~80m超高层建筑的改造，预计厚板在3m~5m左右。

5、立柱截面太小

国内典型600m+超高层柱截面如下：

上海中心底部柱截面总面积：156.88m2；

深圳平安金融中心底部柱截面总面积：154mm2；

天津117大厦底部总柱截面：180m2；

上海中心底部柱截面总面积：158.4m2；

该工程高度1314m，比上述600m超高层建筑高2.19倍。 随着建筑物高度的增加，由于重量的积累，底部所需的柱截面会增加更多。 据初步估算，该工程总柱截面约520m2（158.4X2.19

对于上海中心大厦、武汉绿地中心等600m级超高层建筑，柱底内力约为50万～55万KN。 对于1000m级超高层建筑，柱底处的内力将达到150万至200万KN。 柱截面比普通超高层建筑大。 建筑物大幅增加，减轻自身重量、使用高强度材料是必然选择。

“活体建筑”采用了特殊的轻质材料，与传统超高层建筑相比，其自重将大幅减轻，从而使柱截面得以减小。 但还需要考虑刚度和分级高度计算长度稳定性要求。 预期的柱尺寸 3900mm 太小。 。

6、基础承载力可能不足

目前湖南长沙最高的建筑是长沙国际金融中心（又称九龙仓），总高度452米，副楼高315米，主楼95层，副楼共 63 层。 据当地人介绍，这里的建筑比岳麓山高一两百多米。 是长沙第一高楼，也是湖南第一高楼。

根据拟建建筑地下室层设计标高与工程地质剖面对比，基底已进入第11层风化泥质粉砂岩。 经对场地岩土工程条件和拟建建筑结构荷载特征进行综合分析，拟建建筑基础类型采用筏板基础，自然地基承载力特征值为2500kpa。

目前，湖南长沙第二高的建筑是长沙世茂广场，总高度为345米。

采用天然地基，并进行局部充填、灌浆处理。

参考上述两个超高层项目，基础已达到岩石层。 该项目的基础也应到达基岩。 主要因素是基岩的承载力。 在基岩中打桩显然不合适，因此应考虑天然地基的承重。

长沙国际金融中心基地采用风化泥质粉砂岩（承载力2500kPa）。 考虑自重25kN/m2，可承受约100层超高层自重，建筑高度约500m；

长沙世茂广场底座由风化砾岩、微风化石灰岩、风化泥灰岩等构成（承载力2000~6000kPa）。 考虑到25kN/m2的自重，可承受约100~200层超高层建筑的自重，可承受约500~1000m的建筑高度。

因此，需要严格控制超高层建筑的重量，采用轻质材料，这样可以大大减轻自身重量。 同时基础应采用微风化石灰岩等，只有天然地基承载力特征值达到6000kpa及以上才有可能满足工程的基本承载力。 需要。

7. 其他

“活的建筑”镶嵌在钢筋层中。 如何让“活楼”牢牢扎根于钢筋层？

为了满足“居住建筑”的承重转换，加固层应有一定的高度。 通过厚板或转换桁架+厚板，在居住地板下方插入加强层，满足基本埋深要求。 加固层厚度与地下室预埋厚度相近，是可行的。 性别。

如何评价“活楼”中的多塔对主体建筑的影响？

每个加固层之间的多个“活建筑”具有多塔特征。 不同加固层之间的“活楼”也具有多塔效应。 大量具有不同特性的“活建筑”，地震耦合、复杂的“多塔”考虑增加了计算复杂度。 现有的计算软件是否能够现实地考虑它还有待研究。

1000m级超高层建筑用钢量指标不能超过100kg吗？

常规200-300m级超高层建筑用钢量很难控制在100kg以内。 更何况，在本工程的各种不利条件下，1000m级摩天大楼的建设并不能按照常规材料的强度来判断和使用。 更坚固、更耐用的材料迫切需要更轻的材料。 该项目超高，自重累积效应极其明显，面积利用率低。 换算成单位建筑的用钢量，将是普通工程的数倍。

电梯、楼梯等垂直交通研究。 1000m超高层建筑如何实现上下运输？

目前，这个项目基本没有考虑“居住楼”上下的交通问题、人员疏散问题等，这些极其重要，不亚于结构设计的可行性。 垂直交通空间可供结构使用，并作为核心管提供重要的结构刚度。 贡献和会议人员运输是前提。

八、总结

我国超高层建筑的发展始于20世纪90年代。 经过20多年的开发建设，我国超高层建筑也得到了迅速发展。 我国对于超高层建筑的结构设计和施工已经形成了比较完整的规范和标准体系，这对于保证工程质量发挥了巨大的作用。 我国已建成一大批400m至600m左右的超高层建筑并投入使用。

随着超高层建筑的快速发展，其在建筑空置率、建筑物理环境、建筑运营维护成本等方面的问题也开始逐渐显现。

超高层建筑的发展模式是“爬高”。 无视当前城市规模和城市经济发展水平，“盲目攀高”，建设大量超高层建筑，不符合城市高质量发展趋势（如生态健康、精致化）。和宜居性）。

超高层建筑的建设和运营维护成本“双高”。 超高层建筑通常建在城市中心等核心区域。 由于其特点复杂，需要特殊的设计、施工和运行维护技术，其生命周期成本远高于普通建筑。特别指出，超高层建筑高度高、体积大，其内部系统（如空调通风、给排水、垂直升降等）消耗大量能源，产生大量碳排放。

超高层建筑对城市环境的负面影响。 超高层建筑对城市空间小气候环境产生一定的负面影响，如玻璃幕墙反射造成的光热污染、集中热量排放造成的强热岛效应、城市空气污染等。

人们对超高层建筑的审美态度发生了变化。 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们更加注重城市的独特性和可辨识性，能够体现当地独特的人文景观特征，而不是一味地争夺超高层建筑的新高度。

此外，时代背景下城市工作和生产方式的变化（如在线工作）也使超高层建筑在时代变革下面临重大挑战。

1000m级超高层建筑的建设不仅是上述问题，还有其他问题需要解决。 虽然目前的方案存在不少问题，但基于目前的理论研究成果，仍然具备实施的条件。 完成1314m超高层建筑的结构设计、施工和施工，理论上是可行的，但真的有必要吗？

制约1000m级摩天大楼建设的主要问题：

1、材料方面，需要探索强度更高、延展性更好、重量更轻的材料；

2、地基问题，地基承载力有足够的强度，满足摩天大楼的承载力和变形要求；

3、施工问题在于，如此巨大的建筑，施工难度和施工难度完全超乎想象；

4、环境问题。 一座1000m的摩天大楼不再只是一座建筑，而是一座城市。 每一座建筑都代表一座城市。 环境、火、水、电，甚至内部空气质量和流通都是巨大的挑战。 ，如何解决适宜人类居住的问题。

建筑应该是社会、人文、自然和技术的完美结合，满足社会发展的需要，融入当地的人文理念，与自然环境相协调，是设计和建造技术的完美呈现。

以上未经计算、分析或论证，仅根据个人经验判断，难免有偏差。 欢迎批评和指正。