建筑结构丨200m超高层写字楼的结构经济性探讨

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200m超高层写字楼的结构经济性探讨

2016-07-20 王荣芳 建筑结构



超高层写字楼标准层面积的确定受诸多因素影响。作为一个开发项目，外部要受到投资额度和市场需求的影响；设计方面，用地的大小、形状、规划红线的划定、容积率和建筑高度的限制等都直接或间接地影响到建筑平面的规模。很明显，建筑层数越多，容纳的人员就越多，要求平面相应设置的垂直交通体和服务空间也越多。这样就引发一个问题，以多大的标准层面积去与垂直体量及服务空间所占面积相匹配？也就是标准层面积多大合适？从平面有效利用率原则分析探讨适度的标准层平面规模，可参考如下图所示的日本关于标准层平面规模与使用率的研究成果。


▲图1  标准层面积与有效率关系

从图1可以看到，当标准层面积为2000㎡左右，平面使用率可接近78%左右。当标准层面积小于1500㎡或者大于3000㎡，平面使用率均下降较快，说明面积过小则核心筒所占面积比例增大，导致使用率低；而面积过大则由于随着办公人数的增加，导致电梯数量增加，当超过一定规模时，垂直交通占用楼层面积的剧增令使用面积越来越少。同时还需要注意消防分区的面积控制因素的影响。

另一方面，随着建筑层数的增加，核心筒所占标准层的面积比例逐步增加，标准层面积使用率逐渐降低。日本某研究统计数据如图2所示，20层建筑的使用率约为77%，当建筑升高到40层时，面积的使用率将降至75%。超过50层以上则使用率快速下降。



本文对抗震设防烈度为八度区（0.2g），Ⅲ类场地，标准层平面规模为1800㎡，层高4.2m的200m（不超过50层）超高层型钢混凝土框架-核心筒结构（不设置加强层）进行分析，就平面外形、柱距及核心筒占有效率三个方面对结构经济性的影响趋势。


1、标准层平面外形与经济性之间的关系

从建筑角度来讲，当高层建筑标准层面积一定的情形下，平面形状的不同（如方形、圆形、矩形等）引起建筑物的周边长不等。为描述这一性质，引入建筑物周长系数K值概念：

K=L/A=标准层外墙周长/标准层建筑面积

显然，K（圆形）< K（方形）< K（矩形）。因此，同样标准层面积条件下，周长系数越大，意味着外墙周边和外墙面积越大，直接导致墙身、基础、装修和节能等方面单造价提高，尤其在当今的高档办公楼中，玻璃幕墙和石材使用较多，价格差异较大。另外，周长系数越小的建筑（如圆形、方形），过道占用的公摊面积就越小。考虑到实践过程中，圆形建筑的楼梯等核心筒的布置便捷性较差，且建设难度比方形建筑大，圆形平面暂不在本文讨论范围内。如果仅分析矩形平面的建筑物，面积一定的情况下以长宽比为1:1、1:1.5、1:2 进行分析，K值顺序为 K（1:1）< K（1:1.5）< K（1:2）。可见，矩形平面作为标准层的高层办公建筑不宜采用长宽比过大的窄条形建筑。否则，将增加外墙面积，提高造价。

从结构概念来讲，高层建筑主要由水平荷载控制。在水平荷载作用下结构整体弯曲变形所引起的侧移，与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比例关系，如果能保证建筑平面的有效宽度，能在很大程度上减少结构的相对侧移。故我们基于标准层面积1800㎡的长宽比分别为 1:1、1:1.5、1:2 三种方案，其中核心筒占比暂按25%、外框柱距为9m进行研究分析其结构材料用量对比。计算模型见图6。

从表1中的结构截面尺寸和材料用量上可以明显看到，随着长宽比的加大，结构受力变得更加不利，对应需要提供的结构刚度将相应加大，随即结构材料用量增大也比较明显。

综上所述，当高层平面轮廓没有受到诸如用地大小、形状、建筑红线等诸多因素影响时，在高烈度区，我们建议优先采用长宽比接近1的规则建筑，这种建筑平面形式受力较好并更经济。基于地块先天地形的限制，亦或良好景观面的需求，平面布置需要趋向长条形时，那么就要付出一定的结构代价去实现此类货值更高的产品需求。

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