超高層摩天樓的結(jié)構(gòu)體系這些案例集錦帶你過把癮

超高層摩天樓的結(jié)構(gòu)體系，這些案例集錦帶你過把癮！本篇文章獻(xiàn)給不斷探求應(yīng)用自然法則而不盲從現(xiàn)行規(guī)范的結(jié)構(gòu)工程師們！因?yàn)楣ぷ饕詠斫佑|的項(xiàng)目主要是以超高層結(jié)構(gòu)為主，所以今天想跟大家聊一聊超高層的結(jié)構(gòu)體系。超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的話題很大，因?yàn)槌邔咏ㄖ慕Y(jié)構(gòu)體系多種多樣，很難完全包括進(jìn)去，這里主要以小編所了解到的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行介紹。1

超高層建筑的定義對(duì)于超高層建筑的界定，不同國家有不同標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)合國教科文組織所屬的世界建筑委員會(huì)1972年召開的國際高層建筑會(huì)議，將9層及以上的建筑定義為高層建筑，40層以上（高度在100米以上）定義為超高層建筑。根據(jù)我國《民用建筑設(shè)計(jì)通則》和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，建筑高度超過24m即為高層建筑，超過100m的均稱為超高層建筑。圖1

高層、超高層以及超級(jí)高層建筑的分類(@CTBUH)世界高層建筑與都市人居協(xié)會(huì)(CTBUH)則將300米以上的建筑定位為超高層建筑（supertall），將600m以上的建筑定位超級(jí)高層建筑（megatall）。截止目前為止，全球共有115個(gè)竣工的超高層建筑，而竣工的超級(jí)高層建筑只有三個(gè)，這三個(gè)分別是迪拜塔（828m）、上海中心（632m）及麥家皇家鐘樓（601m）。圖2已竣工的超高層建筑排名(@CTBUH)圖3世界最高建筑的竣工時(shí)間(@CTBUH)小編認(rèn)為，一棟建筑當(dāng)它的高度造成在設(shè)計(jì)、施工以及使用上明顯區(qū)別于同類較低的建筑時(shí)，那么就可以被定義為高層建筑。2

超高層建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)超高層建筑與中低層建筑相比，結(jié)構(gòu)不僅要承受重力荷載，而且要負(fù)擔(dān)較大的水平荷載（如風(fēng)荷載、地震作用等）。隨著房屋高度的增加，水平荷載往往成為設(shè)計(jì)的控制因素。簡單來看，超高層建筑可以視為固定在地面上的一根懸臂桿件，在側(cè)向荷載為倒三角荷載時(shí)，荷載效應(yīng)與建筑高度的關(guān)系中，軸向力N與建筑高度H大致成正比，而結(jié)構(gòu)彎矩和位移與建筑高度H呈指數(shù)關(guān)系。圖4超高層結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移與高度的關(guān)系根據(jù)CTBUH對(duì)歷年全球最高的100座超高層建筑統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在二十世紀(jì)之前，超高層建筑采用的材料均是以全鋼結(jié)構(gòu)為主。到了近年來，主要的超高層結(jié)構(gòu)都是采用的是鋼結(jié)構(gòu)外框+混凝土核心筒的混合結(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)。圖4

歷年全球前100超高層結(jié)構(gòu)采用的材料占比(@CTBUH)3

超高層建筑主要的結(jié)構(gòu)體系超高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)決定了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系選擇合理成為結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。當(dāng)結(jié)構(gòu)到達(dá)一定高度后，每增加一層抵抗側(cè)向荷載所需的結(jié)構(gòu)材料要比中低層建筑要多得多。因此，超高層建筑結(jié)構(gòu)體系主要采用抗側(cè)更為高效的筒體結(jié)構(gòu)及其衍生的結(jié)構(gòu)形式，主要有筒體結(jié)構(gòu)、束筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)和其它一些新型結(jié)構(gòu)體系等。圖5

超高層建筑主要的結(jié)構(gòu)體系3.1

筒體結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)可以定義為全部利用建筑的周邊構(gòu)件來抵抗側(cè)向荷載的全三維結(jié)構(gòu)體系。筒體概念的最早是由SOM的法茲勒.坎恩（FazlurKhan）提出的。利用筒體結(jié)構(gòu)來抵抗側(cè)向荷載是超高層建筑設(shè)計(jì)的一場革命。本質(zhì)上這種體系是力求在建筑的外圍形成一種三維的墻體結(jié)構(gòu)。圖6

FazlurKhan和其代表作西爾斯大廈根據(jù)外框結(jié)構(gòu)的布置形式，筒體結(jié)構(gòu)可分為框筒，斜交網(wǎng)格筒，支撐筒3.1.2框筒框筒結(jié)構(gòu)是由布置在建筑周邊的小柱距、高梁截面的密柱深梁組成，在概念上可以認(rèn)為等效于一個(gè)連續(xù)的三維墻體?？蛲步Y(jié)構(gòu)在形式上是由建筑四周的密柱、深梁組成，其受力特點(diǎn)是一個(gè)地面上的懸臂多孔筒體，不同于一般的框架結(jié)構(gòu)。（1）框筒的受力性能為了更加清楚的說明框筒的受力性能，我們以下圖所示的一個(gè)50層的由密柱、深梁組成的建筑為例。假設(shè)內(nèi)柱設(shè)計(jì)只承擔(dān)重力荷載，而忽略其抵抗側(cè)向荷載的能力。其抗側(cè)力體系主要是由密柱、深梁在空間上形成的筒體，如下圖所示。圖7

框筒結(jié)構(gòu)示意圖框架是平面結(jié)構(gòu)，它主要抵抗與框架方向平行的水平力產(chǎn)生的層剪力和傾覆力矩。而框筒的受力卻是空間的，在水平力作用下，層剪力主要由與水平力方向平行的腹板框架來承擔(dān)，而層傾覆力矩則由腹板框架與垂直于水平力方向的翼緣框架共同承擔(dān)。平行于側(cè)向荷載的框架起著多孔筒體的“腹板”作用，而垂直于側(cè)向荷載的框架則起著“翼緣”的作用。豎向重力部分由外框架承擔(dān)，部分由內(nèi)柱或內(nèi)筒承擔(dān)。當(dāng)承受由于側(cè)向荷載作用產(chǎn)生的彎曲時(shí)，受力的主要形式為一通常的豎向懸臂筒，在中和軸兩邊的柱承受拉力和壓力。而平行于側(cè)向荷載作用方向的框架承受平面內(nèi)彎曲。圖8

框筒結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下應(yīng)力分布其他形狀的框筒結(jié)構(gòu)如圓形、矩形、三角形筒體的軸向應(yīng)力分布規(guī)則也是相似的，如下圖所示。這種利用建筑外圍形成一個(gè)完全三維的結(jié)構(gòu)體系以抵抗側(cè)向荷載的原理，使得在進(jìn)行建筑平面設(shè)計(jì)時(shí)，獲得了很大的自由度。它對(duì)結(jié)構(gòu)唯一的要求是結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠圍繞建筑外周連續(xù)布置形成三維空間作用，并成為封閉的盒式形狀以抵抗扭轉(zhuǎn)效用。圖9

不同形狀筒體結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下應(yīng)力分布下圖是自由式（free-form）筒體結(jié)構(gòu)的幾個(gè)例子。雖然簡單的說，筒體與空心懸臂結(jié)構(gòu)類似，實(shí)際上其對(duì)側(cè)向荷載的反應(yīng)是彎曲型與剪切型的組合。筒體的總彎曲是由于柱的軸向壓縮與拉伸，而剪切變形是由于各個(gè)柱與梁的彎曲。一個(gè)有效能設(shè)計(jì)的基本原則是消除或者盡量減小剪切變形，這樣筒體結(jié)構(gòu)基本上就像懸臂構(gòu)件一樣做整體彎曲了。圖10

自由式筒體結(jié)構(gòu)平面圖框筒的概念可以用在圍繞建筑周邊對(duì)梁柱作任何合理的布置來實(shí)現(xiàn)。但是，不緊湊的平面和帶有陰角的平面會(huì)大大降低框筒的空間作用。對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)，一個(gè)緊湊的平面可以定義為其長寬比不大于1.5左右。具有較大長寬比的平面，要發(fā)揮其三維空間作用，則需要采取一定的加強(qiáng)措施。這是由于：(1)風(fēng)荷載控制設(shè)計(jì)時(shí)，較大長寬比的建筑立面承受的風(fēng)荷載更大；(2)而由此引起的剪力經(jīng)常要求平行于風(fēng)向的柱距更密，或者平行于風(fēng)向的柱與裙梁的尺寸更大；(3)剪力滯后現(xiàn)象更加顯著，尤其是垂直于風(fēng)向的柱列。同樣的，筒體形狀的突變也會(huì)造成框筒的空間作用的減弱，因?yàn)榧袅α髦挥型ㄟ^柱的軸向縮短以繞過角部。同時(shí)，在這些部位的次框架作用改變框筒柱的荷載分配。圖11

錯(cuò)位筒體平面圖如上圖所示，在南北向的風(fēng)荷載作用下，背風(fēng)柱A、B受壓，迎風(fēng)柱C、D受拉。除主要作用外，框架AB和CD還圍繞其本身的局部軸線1-1和2-2轉(zhuǎn)動(dòng)。在A、B柱中分別產(chǎn)生局部的拉力和壓力。由于框筒結(jié)構(gòu)的柱距較小，通常在建筑底部需要增大柱距以滿足建筑大空間的功能要求。當(dāng)抽掉的柱子數(shù)量不多時(shí)，一般來說立面框架的空腹作用也足以傳遞荷載。但是，如果抽掉的柱子數(shù)量較多時(shí)，則需要設(shè)置1~2層的轉(zhuǎn)換層。一般還需要設(shè)置臨時(shí)支柱來承受豎向荷載和施工荷載，直到上部框架可以形成足夠強(qiáng)的空腹作用時(shí)才可以拆除。圖12

錯(cuò)位筒體平面圖一般來說，在一個(gè)轉(zhuǎn)換體系中，有一個(gè)空腹桁架、鋼桁架、鋼結(jié)構(gòu)大梁或混凝土大梁，由它們將筒體柱中的豎向荷載傳遞到下面的立柱上。如果取消的框柱數(shù)量太多，則需要設(shè)置額外的抗側(cè)力體系（如混凝土核心筒或鋼結(jié)構(gòu)支撐筒）來承受水平剪力，我們將在后面的案例中進(jìn)行介紹。圖13

框筒與中間核心筒力的轉(zhuǎn)換上部框筒的剪力則是通過樓板的隔板作用，從框架柱傳遞到核心筒中。外框的傾覆力矩轉(zhuǎn)換為底層立柱的軸向的拉壓力。（2）剪力滯后現(xiàn)象（ShearLagEffect）框筒雖然有筒體狀的形式，但是其受力性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比實(shí)腹筒復(fù)雜，與實(shí)腹筒最大的不同是，框筒要承受剪力滯后的作用。在水平荷載作用下，框筒結(jié)構(gòu)截面變形不再符合初等梁理論的平截面假定，腹板框架和翼緣框架的正應(yīng)力不再是直線分布而是曲線分布，這個(gè)現(xiàn)象就是框筒結(jié)構(gòu)中的剪力滯后效應(yīng)（ShearLagEffect）。圖14

框筒的剪力滯后現(xiàn)象即使是由實(shí)心墻體構(gòu)成的實(shí)腹筒體，其迎風(fēng)面于背風(fēng)面墻體的軸向應(yīng)力分布也不是均勻的，也存在剪力滯后效應(yīng)。這是由于平面尺寸與墻厚的比值通常很大，使得其剪切變形不可忽略，平截面假定不再適用。圖15

框筒的剪力滯后現(xiàn)象如上圖所示，在側(cè)向荷載作用下，大的剪切應(yīng)變使得受彎平面發(fā)生變形。翼緣面單元E在剪應(yīng)力作用下發(fā)生變形，所有這種單元變形累積效應(yīng)最后的結(jié)果是翼緣截面由原來的平直面變?yōu)樯蠄D中曲面。這時(shí)，翼緣框架的彎曲應(yīng)力不再與截面到中和軸的距離成比例關(guān)系。由于翼緣截面的抗剪剛度不足，翼緣中心的應(yīng)力“滯后（lag）”于靠近腹板的應(yīng)力。這種現(xiàn)象就是眾所周知的剪力滯后現(xiàn)象，它對(duì)筒體高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起著重要的作用。腹板中的彎曲應(yīng)力也以相似的方式受到影響。圖16

框筒的剪力滯后現(xiàn)象與實(shí)腹筒相比，框筒結(jié)構(gòu)翼緣框架的抗剪剛度更差，其剪力滯后效應(yīng)更加明顯。在側(cè)向荷載作用下，框筒結(jié)構(gòu)的主要抵抗力來自于腹板框架。由于這些框架的變形，使得迎風(fēng)面框架柱T受拉，背風(fēng)面框架柱C受壓。腹板框架與翼緣框架之間的主要相互作用是通過角柱的軸向位移產(chǎn)生的。例如，當(dāng)C柱受壓時(shí)，將趨向于使相鄰柱C1受壓，但由于裙梁的剛度不是無限大，所以C1的軸向變形小于角柱C。柱C1的變形又引起下一個(gè)相鄰柱C2的變形，其變形又更小一些。反應(yīng)到應(yīng)力上，就是角柱的應(yīng)力較大，中間柱的應(yīng)力較小。（3）設(shè)計(jì)要點(diǎn)剪力滯后效應(yīng)使得框筒的空間作用不能充分發(fā)揮，因此，框筒結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)盡量減小其剪力滯后效應(yīng)。影響框筒結(jié)構(gòu)剪力滯后的因素很多，主要有：柱距與裙梁高度（裙梁的抗側(cè)剛度）、角柱與中柱的面積比、結(jié)構(gòu)高寬比、框筒結(jié)構(gòu)的平面形狀、長寬比、內(nèi)外筒剛度比、軸壓比等。為了提高框筒結(jié)構(gòu)的空間作用，并減小剪力滯后效應(yīng)，框筒結(jié)構(gòu)的平面外形宜選用圓形，正多邊形、橢圓形或矩形?？蛲步Y(jié)構(gòu)的平面尺寸一般不宜過大。只有在結(jié)構(gòu)高寬比較大的情況，框筒結(jié)構(gòu)才能象箱形懸臂梁一樣發(fā)揮整體彎曲的空間作用，因此框筒結(jié)構(gòu)的高寬比宜大于4。對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)，柱距大小和梁截面高度是決定筒體空間作用的決定性因素?？蛲仓嘁话悴灰舜笥?m和層高，框筒柱的長邊應(yīng)沿筒邊方向布置；當(dāng)結(jié)構(gòu)高度較高，柱距可以適當(dāng)放寬，一般也不宜大于4.5m。裙梁的高度一般可以取1.0~1.5m。裙梁的跨高比不應(yīng)大于3，裙梁的跨高比太大時(shí)，剪力滯后效應(yīng)明顯，無法有效發(fā)揮框筒的空間作用。（4）案例紐約世界貿(mào)易中心雙子塔結(jié)構(gòu)體系：框筒圖17

紐約世界貿(mào)易中心雙子塔紐約世界貿(mào)易中心雙子塔位于美國紐約的世界貿(mào)易中心，是著名建筑師山崎實(shí)最重要的代表作之一，大廈耗資7億美元，于1966年破土動(dòng)工，1972年完成最高層建筑（417米），超越紐約帝國大廈成為世界第一摩天大廈。然而2001年雙子大廈在“9·11”恐怖襲擊事件中倒塌。圖18

紐約世界貿(mào)易中心雙子塔前紐約世界貿(mào)易中心雙子塔，由兩幢110層、高417m的鋼框筒結(jié)構(gòu)組成。平面尺寸為63.5m×63.5m，標(biāo)準(zhǔn)層高3.66m，柱距1.02m，裙梁高1.32m。每32層設(shè)置一道7m高的鋼板圈梁用以減小剪力滯后效應(yīng)。圖19

底部三根柱合并為一根到了底部，為了實(shí)現(xiàn)大空間的建筑功能需求，每三根框架柱合并為一根，底部柱距擴(kuò)大為3.06m。101CaliforniaBuilding結(jié)構(gòu)體系：框筒圖20

CaliforniaBuilding美國舊金山加利福利亞大街101號(hào)大廈，采用框筒結(jié)構(gòu)，地下2層，地上48層，高201.2m，全鋼結(jié)構(gòu)。但是1~7層在半個(gè)圓的范圍內(nèi)，周邊只有框架柱，柱高28m，沒有裙梁，低區(qū)形不成框筒，如上圖所示。豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)不連續(xù)，同時(shí)，由于沒有裙梁，也極大的削弱了1~7層的側(cè)向剛度和抗扭剛度，成為潛在的薄弱層和軟弱層。并且在37層、42層和46層立面上存在三次收進(jìn)。圖21

CaliforniaBuilding的平面及立面為保證側(cè)向力的順利傳遞，從1~12層在平面中央設(shè)置了鋼結(jié)構(gòu)支撐筒體，兩個(gè)方向各為3榀4跨和3榀6跨。為使7層以上的框筒和7層以下的鋼結(jié)構(gòu)支撐筒成為連續(xù)的豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，對(duì)8~12層的樓板進(jìn)行了加強(qiáng)，作為水平地震剪力的傳遞層，在傳遞地震剪力的最大的8層和12層樓面，設(shè)置了水平鋼桁架。圖22

CaliforniaBuildingDeWitt-Chestnut公寓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM結(jié)構(gòu)體系：混凝土框筒圖23

DeWitt-Chestnut公寓DeWitt-Chestnut公寓(1964年)是FazlurKhan的第一個(gè)重要作品，也是采用筒體結(jié)構(gòu)體系建造的第一幢超高層。大樓高120m，由鋼筋混凝土密柱和深梁構(gòu)成外圍筒體，抵御水平荷載。大廈內(nèi)部沒有芯筒和剪力墻。采用筒體結(jié)構(gòu)的建筑，對(duì)內(nèi)部立柱的需求少，建筑內(nèi)部空間開闊。圖24

結(jié)構(gòu)底部兩根柱合并為一根到了結(jié)構(gòu)底部，為實(shí)現(xiàn)建筑的大開間需求，框筒的立柱通過大梁轉(zhuǎn)換，兩根立柱合并為一根立柱。388MarketSt結(jié)構(gòu)體系：框筒圖25

MarketSt美國舊金山市場街388號(hào)大樓，27層，鋼結(jié)構(gòu)。為了充分利用一塊面積不大的三角形場地，該建筑的平面一端圓，一端尖，像一個(gè)水滴。根據(jù)建筑平面形狀，采用了一個(gè)圓弧形和一個(gè)三角形組合的框筒抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。兩個(gè)框筒公用的框架采用截面較高的梁和箱形截面柱。在第3層、18層、19層、20層、25層和26層，共用框架中間跨的兩根柱之間附加一個(gè)斜撐。圖26

MarketSt的平面及空間振型圖3.2斜交網(wǎng)格筒體在筒體表面增加斜向支撐可以有效的翼緣及腹板框架的剪力滯后效應(yīng)?？蛲布词故敲苤贾?，其裙梁的剛度也是有限剛度，因而平行于風(fēng)向的框架的高剪應(yīng)力在圍繞框筒角部位置不能有效的傳遞。要使它的效能最高，筒體應(yīng)該如一個(gè)完美的懸臂梁構(gòu)件一樣，在迎風(fēng)面和背風(fēng)面均勻的受壓和受拉。然而，框筒的性能卻像一個(gè)帶孔洞的薄壁筒體。當(dāng)軸向力繞過筒角時(shí)趨向于減小，使得迎風(fēng)面和背風(fēng)面中部的柱不能均勻的承擔(dān)分配給它們的拉力和壓力。這種效應(yīng)即前文提到的剪力滯后效應(yīng)。它限制了框筒通常只能用于50層或60層以下的建筑，109層的紐約世界貿(mào)易中心雙子塔是采用了非常小的柱距（1.02m）。而對(duì)于普通柱距（3~4.5m）的更高的框筒結(jié)構(gòu)，其梁柱的設(shè)計(jì)是由其彎曲作用控制而不是由軸力作用控制。并且在總的側(cè)移中，僅有大約25%是由作為懸臂構(gòu)件的彎曲分量組成，其余均為框架的剪切分量構(gòu)成。正是由于這種剪切變形，引起了剪力滯后現(xiàn)象，使得框筒不能充分發(fā)揮其空間作用。圖27

密布斜柱的筒體結(jié)構(gòu)如上圖所示，這種密布斜桿的筒體也被稱為斜交網(wǎng)格筒體，可以有效的發(fā)揮筒體的空間作用。斜交網(wǎng)格筒是一種沒有一般意義上的“柱”，而以網(wǎng)狀相交的斜桿作為同時(shí)承受垂直和水平荷載構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系。圖28

斜交網(wǎng)格筒體的三角單元體系中斜柱以軸向拉壓內(nèi)力為主，能有效利用構(gòu)件材料力學(xué)性能提供很大的側(cè)向剛度，為減小內(nèi)筒或內(nèi)框架的剛度要求提供了可能，從而為建筑內(nèi)部的布置提供了更大的自由度。斜交網(wǎng)格筒的抗側(cè)剛度受網(wǎng)格角度的影響較大，在網(wǎng)格角度為60°至70°之間，斜交網(wǎng)格筒的抗側(cè)效率最高。斜交網(wǎng)格筒平面形狀愈趨近圓形,斜柱、環(huán)梁的內(nèi)力分布愈均勻，因此筒體平面形狀宜采用圓形或接近圓形的凸多邊形，多邊形平面的角部宜采用圓弧過渡。案例瑞士再保險(xiǎn)大廈結(jié)構(gòu)體系：斜交網(wǎng)格筒圖28

瑞士再保險(xiǎn)大廈2004年建成的瑞士再保險(xiǎn)總部大樓，位于英國倫敦“金融城”圣瑪麗斧街30號(hào)，共40層，180m高，它是一幢集辦公建筑。大樓采用圓形周邊放射平面，外形像一顆子彈，為螺旋型，每層的直徑隨大廈的曲度而改變，直徑由50m至56m(17樓)之后續(xù)漸收窄。圖29

瑞士再保險(xiǎn)大廈廣州西塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：ARUP&華南理工設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)體系：鋼管混凝土柱斜交網(wǎng)格外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒的筒中筒體系圖30

廣州西塔廣州西塔地下4層(局部5層),地面以上103層,主塔樓高432m,采用巨型鋼管混凝土柱斜交網(wǎng)格外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒的筒中筒結(jié)構(gòu)。斜交網(wǎng)格筒側(cè)向剛度、抗扭剛度大,以斜柱軸力抵抗水平荷載引起的結(jié)構(gòu)樓層水平剪力和傾覆力矩,充分發(fā)揮了高強(qiáng)鋼管混凝土柱的優(yōu)勢(shì),是超高層建筑的優(yōu)良結(jié)構(gòu)形式。西塔外周邊共30根鋼管混凝土斜柱于空間相貫,共16個(gè)節(jié)點(diǎn)層,節(jié)點(diǎn)層間距27m。圖31

廣州西塔平面圖廣州西塔斜交網(wǎng)格外筒的組成包括：（1）豎向構(gòu)件以一定角度相交的斜柱；（2）水平構(gòu)件沿外周邊布置、連接網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的環(huán)梁及沿外周邊布置、支承于斜柱的樓面梁。斜交網(wǎng)格筒體的幾何構(gòu)成決定了它抵抗水平力的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度也遠(yuǎn)優(yōu)于框筒,但豎向剛度比框筒稍差。水平力由斜柱的軸向力平衡,傾覆力矩引起的豎向力也由交于節(jié)點(diǎn)的斜柱的軸力平衡。西塔的層高為3.375～4.500m,斜柱的交角為13.63°～34.09°,自重引起的彎矩不大；對(duì)各節(jié)點(diǎn)層施加了體外預(yù)應(yīng)力，阻止了豎向荷載作用下網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的向外水平位移，大大減少了斜柱的柱端彎矩和剪力，提高了結(jié)構(gòu)的豎向剛度。不論是受豎向還是水平荷載作用,斜柱的主要內(nèi)力是軸力，剪力和彎矩均很小。北京保利國際廣場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM&BIAD結(jié)構(gòu)體系：交叉網(wǎng)格筒中筒體系圖32

北京保利國際廣場北京保利國際廣場主塔樓高161.2m，32層，采用獨(dú)特的鉆石型折疊網(wǎng)格造型。結(jié)構(gòu)體系依據(jù)建筑體型，采用交叉網(wǎng)格筒中筒體系，外筒為鋼管混凝土斜柱構(gòu)成的交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，無豎直柱子，內(nèi)筒為鋼筋混凝土剪力墻核心筒。交叉網(wǎng)格外筒的組成包括:1)斜向構(gòu)件，以一定角度(約45°)傾斜相交的斜柱，斜柱每根跨兩層;2)水平構(gòu)件，由外環(huán)梁和徑向梁構(gòu)成，外環(huán)梁沿外周邊每兩層設(shè)置一圈，連接網(wǎng)格柱節(jié)點(diǎn)，徑向梁支承于交叉網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和核心筒之間。作為一種新穎的框筒體系，交叉網(wǎng)格筒體的受力性能與一般框筒有很大差別，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。（1）交叉網(wǎng)格的幾何構(gòu)成決定了它抵抗水平力的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，外筒的巨大剛度使其能夠承受很大的水平荷載，為減小內(nèi)筒的剛度提供了可能，從而為建筑內(nèi)部的布置提供了更大的自由度，可取得更好的建筑效果和綜合效益。（2）側(cè)向力主要由斜柱的軸向力平衡，傾覆力矩引起的豎向力也由交于節(jié)點(diǎn)的斜柱的軸力平衡，因此柱內(nèi)的剪力和彎矩比較小。（3）斜交網(wǎng)格在水平和豎向荷載作用下，表現(xiàn)出明顯的空間受力特征，結(jié)構(gòu)的高寬比、斜柱的傾斜角度、斜柱的截面面積、斜柱與環(huán)梁的相對(duì)剛度比等等，均對(duì)交叉網(wǎng)格筒體的受力性能有較大影響。（4）交叉網(wǎng)格外筒的抗側(cè)剛度往往超過混凝土核心筒的抗側(cè)剛度，同時(shí)延性遜于常規(guī)框架體系，體系的屈服機(jī)制明顯不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，抗震防線的分布也將發(fā)生較大變化圖33

交叉網(wǎng)格的尺寸及豎向荷載下的軸力圖網(wǎng)格構(gòu)件尺寸不完全是按樓層分布，而是根據(jù)構(gòu)件的內(nèi)力分布，呈空間變化，在豎向荷載作用下，外網(wǎng)格柱的軸力分布如圖所示，自底層的最大軸力27500kN，逐漸過渡到頂部的500kN。中信金融中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM&華陽國際結(jié)構(gòu)體系：交叉網(wǎng)格+混凝土核心筒圖34中信金融中信（原設(shè)計(jì)）中信金融中心原設(shè)計(jì)包含兩棟塔樓，分別為一棟311.4m的辦公塔樓和一棟211.25m的多功能塔樓。圖35中信金融中信的結(jié)構(gòu)體系（原設(shè)計(jì)）兩棟塔樓的結(jié)構(gòu)體系采用的均是外圍交叉網(wǎng)格+混凝土核心筒體系。其外框支撐筒體的斜桿布置可通過拓?fù)鋬?yōu)化得到，俗稱米歇爾桁架，如下圖所示。圖36

米歇爾懸臂這時(shí)的立面的斜桿布置與水平荷載下的應(yīng)力路徑相同，理論上是最優(yōu)的一種斜桿布置方法。深圳農(nóng)村商業(yè)銀行圖37

深圳農(nóng)村商業(yè)銀行3.3支撐筒通常為了減小對(duì)建筑立面及使用功能的影響，如下圖所示的大的斜向支撐形成支撐筒更為常見。這個(gè)方法是在每個(gè)立面上用最小的斜桿相交在角柱的同一點(diǎn)處。這種體系之所以成為筒體，是由于筒面斜桿與垂直面的桁架相互作用形成了三維的空間作用。圖38

支撐筒體示意圖這種大的斜桿形成的支撐筒，在每一個(gè)交點(diǎn)處都立柱相連接，有效地消除了翼緣框架與腹板框架的剪力滯后效應(yīng)。支撐筒在水平荷載作用下發(fā)生整體彎曲時(shí)，本應(yīng)該由腹板框架與翼緣框架中裙梁承擔(dān)的豎向剪力主要由斜桿來承擔(dān)；由于斜桿的軸向剛度大，所以支撐筒結(jié)構(gòu)基本消除了框筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)，從而更充分地發(fā)揮了筒體的空間作用，適用于建造更高的建筑。案例約翰.漢考克中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM結(jié)構(gòu)體系：鋼結(jié)構(gòu)支撐筒圖39

約翰.漢考克中心這種體系最著名的例子要數(shù)由SOM公司的BruceGraham和FazlurKhan設(shè)計(jì)的漢考克中心了。建筑為100層，總高度343.7m，加天線高度達(dá)457.2m。建筑的底層平面尺寸為50x80m，從中心核心筒到外側(cè)的凈跨約為18m，建筑平面隨著高度上升不斷減小，到了頂部平面尺寸為30x49m，凈跨縮小為9m。底層最大柱距達(dá)到13.2m，遠(yuǎn)大于框筒結(jié)構(gòu)要求的4.5m。圖40

立面支撐施工圖每一斜桿呈45°角布置，在每一面形成巨大的X型支撐。斜桿具有多重功能，既與斜柱一樣受力以抵抗部分重力荷載，又承擔(dān)了大部分水平荷載作用下剪力。斜桿與框架柱、橫梁形成了具有較大剛度的支撐筒。圖41

約翰.漢考克中心漢考克的45°斜桿與外框形成的支撐筒，極大的消除了筒體的剪力滯后效用，其空間作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高與框筒。100層的漢考克中心用鋼量約150kg/m2，而102層的帝國大廈的用鋼量是其約為205kg/m2。上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：LERA&ECADI&株式會(huì)社構(gòu)造計(jì)畫研究所結(jié)構(gòu)體系：核心筒—巨型支撐筒體—伸臂桁架圖42

上海環(huán)球金融中心上海環(huán)球金融中心，主樓地上101層，地下3層，地面以上高度為492m，裙房為地上4層，高度約為15.8m。圖43

上海環(huán)球金融中心的結(jié)構(gòu)體系示意圖上部結(jié)構(gòu)同時(shí)采用以下三重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系：1）由巨型柱，巨型斜撐（主要的斜撐）和周邊帶狀桁架構(gòu)成的巨型結(jié)構(gòu)框架；2）鋼筋混凝土核心筒；3）聯(lián)系核心筒和巨型結(jié)構(gòu)柱之間的外伸臂桁架。圖44

上海環(huán)球金融中心的結(jié)構(gòu)體系示意圖高銀117大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：ARUP&ECADI結(jié)構(gòu)體系：混凝土核心筒+巨型柱框架+巨型支撐圖45

高銀117大廈高銀117大廈，建筑高度597m，共117層，塔樓外形隨高度變化，樓層平面為正方形，樓層平面隨高度逐漸變小。首層平面尺寸為65x65m，漸變至頂層的45x45m。圖46

高銀117大廈結(jié)構(gòu)體系組成及平面圖結(jié)構(gòu)外框采用巨型柱+巨型支撐+水平橫梁組成的巨型支撐筒體。巨型支撐筒體承擔(dān)了主要的抗側(cè)力作用。圖47

高銀117大廈的外框支撐筒的組成天津周大福結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM&ECADI結(jié)構(gòu)體系：帶陡斜撐和帶狀桁架的鋼管（型鋼）混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒圖48

天津周大福天津周大福，共94層，建筑高度530m，大屋面高度443m，集辦公、公寓、酒店等多功能于一體。圖49

結(jié)構(gòu)體系組成結(jié)構(gòu)體系為帶陡斜撐和帶狀桁架的鋼管（型鋼）混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。外框由角柱、陡斜撐（斜柱）和普通邊框柱組成。塔樓立面設(shè)置3道環(huán)帶桁架，第一道設(shè)置在中部L48M~L51層，下部框架柱為鋼管混凝土柱(CFT)，上部框架柱為勁性混凝土柱(SRC)。其余兩道環(huán)帶桁架設(shè)置在L71~L73層和L88~L89層設(shè)備層，在核心筒頂部設(shè)置一道帽桁架來縮小周邊柱與核心筒之間的變形差。底部加強(qiáng)區(qū)和中部加強(qiáng)區(qū)的核心筒采用設(shè)置鋼板和型鋼的組合剪力墻以提高核心筒的延性。圖50

施工中的天津周大福結(jié)合建筑立面體型，沿建筑的立面脊線設(shè)置陡斜撐，不設(shè)伸臂桁架，而結(jié)合帶狀桁架、帽桁架、抗彎框架組成一種特殊的支撐結(jié)構(gòu)體系——帶陡斜撐（或斜柱）的框架-核心筒超高層組合結(jié)構(gòu)體系。該體系的特點(diǎn)是在外框中設(shè)置了陡斜撐（斜柱），陡斜撐（斜柱）介于框架柱與常規(guī)支撐之間，角度比較陡，為70°~80°左右，從底層角柱開始傾斜向上，與普通邊柱相交、合并、分開、或再相交，將外框角柱、普通邊柱聯(lián)系起來，提高外框的抗側(cè)剛度，使得外框承擔(dān)的地震剪力達(dá)到了底部總剪力的10%。北京中信大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：ARUP&BIAD結(jié)構(gòu)體系：巨型框架支撐外框筒+鋼板組合剪力墻核心筒圖51

北京中信大廈中國尊大廈是全球第一座在地震8度設(shè)防區(qū)超過500m的摩天大樓。塔樓外形以中國傳統(tǒng)宗教禮儀中用來盛酒的器具“樽”為意象。圖52

北京中信大廈建筑高度528m，地上112層，地下8層。平面為方形，底部尺寸為78m×78m，中上部平面尺寸為54m×54m；同時(shí)頂部逐漸放大為69m×69m，最終形成中部略有收分的建筑造型。圖53

北京中信大廈的結(jié)構(gòu)體系組成結(jié)構(gòu)體系為巨型框架支撐外框筒+鋼板組合剪力墻核心筒組成的雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。外框筒由巨型柱、巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架以及次框架組成。其側(cè)向荷載主要外框的支撐筒與核心筒承擔(dān)。圖54

北京中信大廈的結(jié)構(gòu)體系組成中央電視臺(tái)新臺(tái)址結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：ARUP&ECADI結(jié)構(gòu)體系：鋼結(jié)構(gòu)支撐筒體圖55

中央電視臺(tái)新臺(tái)址CCTV主樓由塔1和塔2兩座塔樓、裙房及基座組成,地下3層。塔樓1,2均呈雙向6°傾斜,分別為51層和44層,在層37以上部分用14層高的L形懸臂結(jié)構(gòu)連為一體。結(jié)構(gòu)屋面高度234m,最大懸挑長度75m。圖56

立面支撐布置CCTV主樓采用鋼支撐筒體結(jié)構(gòu)體系。帶斜撐的鋼結(jié)構(gòu)外筒體提供結(jié)構(gòu)的整體剛度，部分鋼結(jié)構(gòu)外筒體表面延續(xù)至筒體內(nèi)部，以加強(qiáng)塔樓角部及保持鋼結(jié)構(gòu)外筒體作用的連續(xù)性。大樓特殊的幾何造型導(dǎo)致外筒桿件受力不勻,故設(shè)計(jì)將斜向交叉的鋼構(gòu)件-斜交格構(gòu)-在受力較大或較小的區(qū)域增加或減小密度。如上圖所示。OnterieCenter結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：SOM結(jié)構(gòu)體系：混凝土支撐筒圖57

OnterieCenterSOM公司的法茲勒.坎恩（FazlurKhan）早在1972年就設(shè)想，用混凝土建造高層建筑是有可能與鋼結(jié)構(gòu)相匹敵的。他尋找一種可以消除筒體剪力滯后的結(jié)構(gòu)解決辦法，最后他提出了支撐筒的概念。這個(gè)概念在芝加哥的約翰.漢考克大廈的設(shè)計(jì)中得到了充分體現(xiàn)。圖58

OnterieCenter三維及平面示意圖采用類似的原則，坎恩提出了一個(gè)采用混凝土支撐筒的想法。它的組成是：布置間距約為3.04m柱，每一層堵住一個(gè)一些窗戶，在外立面形成斜的混凝土支撐。然后按承受剪力設(shè)計(jì)斜撐，也就消除了筒體柱和梁的彎曲。雖然坎恩在1970年就提出了這個(gè)原理，但是直到15年后才在建筑中實(shí)現(xiàn)。圖59

OnterieCenter位于芝加哥的昂特里中心便是采用的混凝土支撐筒結(jié)構(gòu)，高173.7m，58層，其高寬比非常大，達(dá)到了8：1。將窗洞填塞形成的混凝土支撐具有雙重作用。首先，它們消除了剪力滯后，提高了筒體的效率。其次，它們將重力荷載進(jìn)行重新分配，較小外圍混凝土框架柱的豎向變形差異。紐約花旗銀行總部大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：WillamJ.LeMessurier圖60

紐約花旗銀行總部大廈結(jié)構(gòu)工程師將巨型三角形桁架組合到建筑的立面中，這些立面桁架分擔(dān)了約一半的重力荷載，并承擔(dān)全部的風(fēng)荷載。在立面上所聚集的傳遞底部的四根巨柱上，由于不再利用轉(zhuǎn)換層以下的巨柱承擔(dān)剪力，在底部設(shè)置了混凝土核心筒以承擔(dān)水平荷載作用下的剪力。在轉(zhuǎn)換層樓面，利用斜撐以完成從外支撐筒體到混凝土核心筒的剪力傳遞。圖61

立面支撐布置示意圖香港中國銀行大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：Le