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对三例超高层在结构和材料方面异同点的简析
随着社会的不断发展和进步，人们对生活质量的要求越来越高，这在建筑领域也得到了充分的体现，建筑不再满足于原来的小高层、高层，转而向超高层发展。二十世纪七十年代前后是高楼大厦建筑的“黄金”时期。这一时期，摩天大厦建筑充满了诱惑力，成为人类科技发展的见证史。因此我们有必要对超高层这种近年来崛起的建筑形式有一个整体的认识和了解，现在本文对比较有代表性的三个建筑实体在结构体系、结构形式和材料的应用方面和异同点进行介绍，以此做一个类比，以便更明了地对超高层的发展有一个基本的思路。在此选用的这三个建筑实体分别为：美国的世贸大厦、中国台湾的台北101大楼、陕西的信息大厦。下面分别详细介绍：

1. 美国的世贸大厦
世贸大厦是两座ll0层，各高417m、415m 的摩天大楼。于1966年开工，1973年竣工。大厦有84万平方米的办公面积，可容纳5万名工作人员，同时可容纳2万人就餐。其楼层分租给世界各国贸易多个厂商， 还设有为这些单位服务的贸易中心、情报中心和研究中心。楼中共有电梯104部，含23部高速电梯，地下有供停车2000辆的车库， 并有地铁在此经过、设站。世贸中心的外圈结构为密柱深梁框筒，由240根钢柱组成，框柱距1．02m。内部核心区为47根钢柱形成的框架，用以承担重力荷载。框筒柱采用450mmx450mm 方管，从上到下，外形尺寸不变，靠改变壁厚来适应结构不同的受力条件。总用钢量约20万吨，为了增强框筒的竖向抗剪强度，减少框筒的剪力滞后效应，利用每隔32层所布置的设备楼层沿框筒各设置一道7m 高的钢板圈梁。大楼顶部的风速按255公里／d,时计算，所产生的风压达到了400kg／m 。为了防止大风引起的振动和位移， 世界贸易中心的第7层至107层的中木行架下面都装了减振器。当最大风速时，测得顶部的位移量仅28cm。这对于人的感觉来说，已难以觉察了。在防火问题上， 世界贸易中心采用了石棉水泥材料防火， 在裸露的钢结构上部分全部喷涂了3mm 厚的石棉水泥防火层。为了防止高层建筑电梯井产生的烟囱(拔风)作用， 井四周设计成用防火墙及防火门包起来的安全防火区，安全区内备有消防龙头供消防队使用，顶部的机械层放有一个容积为18．5立方米的水箱。大楼的每个楼层都设有烟雾报警器。1975年， 大楼落成以后的第二年，ll层曾发生火灾，由于消防设备完善，可靠性良好，仅3小时就将火扑灭，损失很小。

由于该建筑使用钢材建造,而钢材有一个致命的缺点,就是遇高温变软,丧失原有强度。大楼的中心是垂直的钢筋水泥柱,大量钢梁从中心支柱向外辐射,连接支撑外墙的钢管。所有的建筑钢材上都涂有防火涂料等防护物,确保火灾发生时大楼至少可以坚持1～2 h 。但是这样低水平的防护，对于一般的小灾小火还可以应付，但遇到如此猛烈的火灾，钢材防火涂层根本不可能应付。因此在“9.11”中长时间猛烈的大火烧软了飞机所撞击的那几个楼层的结构钢材， 而它上部楼层约数千吨到上万吨的重量就自然压落下来，像一个巨大的万吨压机压向下面的楼层， 对下面的楼层结构的冲击力远远大于其原先静止时的重力，下面的楼层结构自然难以承受，于是一层层垂直地垮塌下来。

图1.世贸大厦外景

2. 中国台湾的台北101大楼

台北101 大楼是目前世界第一高楼，它不仅是技术上的挑战，更是文化及艺术上的挑战；本案在都市设计手法上，企图展现台北信义计划区的磁铁效应。以都市枢纽(Hinge Block)的功能运作，
基于独创的都市街道为核心，向四周发射出不同的动线网络; 结合生态自然、艺术展现、都市休闲及生活便利等多功能，以创造最适合台北市多雨炎热的新内部都市生活形态― Indoor city life 。

该建筑采用了先进的技术，三大功能规划是安全、防灾、质量，并以前瞻设计的建物自动化、办公室自动化、通讯自动化使本建筑成为高科技汇集点。超高标准抗风抗震设计以远超过建筑法规高层建筑的10倍防震标准，1000年回归期的耐震强度设计，实际可承受2500年一遇之10级以上大地震，在抗风设计上则可承受相当于17级以上之强烈台风。地质钻探侦测也证实信义路毫无断层通过。另外采用先进制震设备，800 吨抗风制震，风阻尼器，自动计算摇晃幅度、自行调整移动方向，确保大楼内人员之舒适性。专业严谨结构设计每8 层建构为一组，自主构成的空间，使超高层大楼的结构，如一栋11 层的组合建筑，提供最大稳定度。以八大巨型钢骨梁柱为骨干，围绕周边，兼具强度及韧性。并采用远超过一般建筑要求之一万磅高性能混凝土，强化建筑结构。多重防灾安全系统大楼每层均设置安全避难走道。每8层设置先进观念的安全舱、防火避难室及避难阳台。采用不燃无烟材料装修，消防专用蓄水池、灭火排烟设备、无线电通信设备，并设置最新侦测警报系统与安全多回路系统。三重防灾的隔绝系统、烟控系统及避难系统，提供完整迅捷的防灾避难设备。在楼层上下交通方面，采用全世界最高速的双层电梯系统，除考虑安全与舒适性之外，确保人员输送之最佳效率。为了打造一个时空地标的理想，台北101 大楼在营建过程中兼顾经济成长和环境保护两个目标，以可持续发展的企业理念，将环保议题列入整体设计规划，用具体行动率先出发，领导台湾走进绿色管理的世纪。墙面采用斜面处理，无反射光害，体贴周围环境的使用者。高科技隔热之玻璃建材，更可阻隔三分之二热源，节省能源。全面环保管理，顾及未来建筑实际使用，将使用水回收、垃圾分类、空气温度调节、灯光控制、废弃物处理等各种环保措施，全部列入设计考虑。

101大楼的结构设计也表现的尤为严谨和细密，这主要体现在上下部的特殊构造上：
1）基础结构系统：台北 1 01 大楼位于台北市信义计划区，其基础设计必须承载地上101 层的塔楼与6 层群楼的载重，其规划之开挖深度为22.25― 22.95m，因基地坚硬承载层上方有30- 40m厚的软弱粘土层，如使用浅基础时，可能会发生土壤承载力不足或导致较大的沉陷变形产生，因此必须使用深基础将载重传递到坚实的承载层，故设计时采用桩基础将大楼之荷重穿过软弱粘土层传递到较深之岩层。而为了进行可靠的基础工程设计，钻探孔数多达1 51 孔，为法规规定孔数的3 倍之多。除充分掌握基地土层的工程特性之外，又因台北盆地由东向西分别存在台北断层、嵌角断层、金山断层、新庄断层及山脚断层早已为工程界所知，而其中台北断层恰通过工址附近，对于工程应用而言，除应确认台北断层之活动性及其影响外，另须确定大楼基础不致座落于断层破碎带，经大地顾问工程公司及多位地质专家经由相关之地质钻探调查及大量化石之鉴定、岩相分析、粘土矿物分析及碳1 4定年，确定台北断层至少四万五千年来未有活动之迹象；另在有地震记录以来(最近一百年)之观测结果，亦显示台北断层并无再活动纪录；而且从最近之GPS (全球卫星定位系统)监测网地壳变形监测结果也显示现在沿台北断层两侧之地壳无明显之变动；再加上目前台北盆地之大地应力已由压力转为松弛，故再活动之动力也在消失中，因此在可见之未来其再活动之可能性极低，所以台湾的地质调查所已正式将台北断层列为非活动断层。由于工址基地南缘与台北断层最少距离200m，故确定大楼基础未处于台北断层西北侧下盘之断层扰乱带内。工址地下水位约位于地面下2m，因此基础面之地下水上浮力约为1 98 KN /m2。对主楼区而言因荷重集中故有沉陷量过大的问题，对裙楼区而言因荷重不大，可能无法克服地下水上举力，反而有上浮的问题；因此本大楼的基础结构就必须要能承受差异变形所产生之复杂应力。而结构设计单位与顾问工程公司于基础设计阶段必须保持密切的互动以满足基础分析的变位值与大地参数保有合理的对应关系。为使基桩之设计能达安全而确实并检验施工之可行
性，基桩的设计系以试桩结果为依据。设计前共施作28 根直径由1 .2m至2.8m之场铸基桩，并进行了8 组载重试验，其中5 组下压载重最高至4060 t ，3 组拉拔试验最高拉力则达到22000 kN，各试验桩中于混凝土浇置预先埋设量测仪器以分析各不同土层与桩身之摩擦力，便利桩基础细部设计使用，试桩结果显示：工址如以反循环基桩施工时之摩擦力效果较全套管桩为佳，故决定采用反循环桩进行施工。基础板为3.0- 4.7m厚之巨形钢筋混凝土实心板，设计龄期之圆柱试体抗压强度为6 000 psi。（磅力/每平方英寸，1psi=6894.7×103Pa）主楼基础板下共配置380 根φ1 500mm平均入岩深度23.3m的基桩，主楼柱的载重则以群桩的方式支承。裙楼部分则于柱位配置1 67 根φ2 000mm平均入岩深度1 5.5m之基桩。地下室外围连续壁厚度为1.2m，又为配合塔、裙楼之整体施工进度规划及不同深开挖工法之需求，塔、裙楼间自B1 FL以下规划施工界面地中壁，该地中壁于地下室施工完成后视建筑需要开口位置予以敲除。
2）上部结构系统：本工程之地上结构体包含1 栋101 层的塔楼及1栋6 层的裙楼，两栋结构体于地上部份以伸缩缝形式完全断开，地下室共有5层且塔、裙楼相连。在平面配置上，服务核内共有1 6 根箱型柱，主楼四周每侧采用2 根巨型钢柱(Mega column)延伸至90 层，其最大尺寸达2.4 m × 3m× 80 mm。主楼四周于26 F 以下并另外配置1 .2 m× 2.6 m～1 .2 m × 1 .6 m及1 .4 m × 1 .4 m ～1 .6 m× 1 .6 m等两种尺寸箱型柱，27 F 以上则配合建筑斜面造型而使用H900 mm×400 mm～H1000 mm×500 mm之H形斜柱（Sloping Column）并与H型梁组成抗弯构架，主要在于提供局部载重之传递使用。又为提高抗风劲度与强度，62 层

图2.101大楼地下结构示意图
以下的箱型钢柱均内灌10000 psi自充填高性能混凝土，在立面配置上，其中X、Y方向各配置两组合计6 道立面构架，服务核心的钢柱间以钢骨大梁、斜撑相连，斜撑主要为同心斜撑与V型斜撑，部分斜撑因开门需求而为偏心斜撑型式，但基于抗风劲度之需求予以加劲补强而未依偏心斜称细部设计之。9 楼以下之同心斜撑并与600 mm厚之剪力墙浇灌一体以形成良好的水平力传递系统，机械层上下大梁间则以斜撑相接所形成的外伸桁架梁（Out r igger）作为内外柱间的主要垂直剪力传递机构。从宏观的角度；主楼结构主要是由巨柱、核心系统与外伸桁架梁等构件所组成的101 层巨形构架(Megaf rame)。

图3.101大楼标准立面构造图
3.陕西信息大厦

陕西信息大厦位于西安市南郊，是一座5A级智能化的现代化科技大厦。大厦总面积为96800m2 ，分裙楼与主楼两部分，其中裙楼建筑面积为21800m2．主楼建筑面积为75000m2。裙楼地下一层，基础埋探标高一7.1m，地上四层高20.4m。主楼地下三层，基础埋探标高一17.7m，地上52层，总高度189.4m，是陕西省最高的一座超高层建筑。工程设防烈度为8度、近震，场地类别Ⅲ类，是国内8度抗震设防区内最高的组合筒体钢筋混凝土结构，属全国超限高层建筑工程抗震审查的重点项目，经建设部抗震办公室三次组织专家审查对本工程结构方案予以肯定。
而其在结构设计方面的特点主要有：
1）主楼与裙楼的关系
考虑到主楼与裙楼的基础埋深及地上部分高差悬殊，且结构类型不同，地基与基础的类型不同等因素，本工程主楼与裙楼之间用沉降缝分开。为保证主楼的嵌周作用，主楼与裙房之间在地面以下的缝内用粗砂填实。在施工步骤上，先施工主楼，待主楼封顶，实测主楼沉降基本稳定后，再施工裙楼，根据西安地区的工程经验，本工程主楼采用超长棍凝土灌注桩又作了后压浆处理，主楼封顶后，施工裙楼是安全的。

2）结构选型
主楼平面近似椭圆形，沿长轴方向两端尚布置两角筒，高度I89．4m，属超高层建筑，应采用钢结构，但由于地方财政困难，采用钢筋混凝土组合筒体结构。核芯筒、角筒为钢筋混凝土结构，外筒为型钢混凝土结构，其中门厅人口处采用2根两层高的钢管混凝土柱。1～7层及11层、15层、20层、25层、30层、34层、49层均设钢骨混凝土环粱。裙楼属多层建筑，且平面不规则，采用钢筋混凝土框架结构。

图4.陕西省信息大厦平面图

3）平面尺寸和主楼高宽比的控制
外筒长轴尺寸与短轴尺寸之比，含角筒时为55．4／38．8=1．43，不含角筒时为41／38．8=1．06。内筒平面长轴尺寸与短轴尺寸之比为24．6／18．9=1．3。外筒高度比为189．4／38．8=4．88，内筒高宽比为189．4／18．9=10。楼层结构为3―6层及49～52层采用钢筋混凝土粱、板结构；为减少层高，7―48层采用部分无粘结预应力混凝土板结构。

图5.陕西省信息大厦剖面图

4）材料
(1)混凝土强度等级：±0．000以下墙为c60；粱、板、承台板为C50，内加高强防水剂。±0．000以上柱、外筒、内筒及内、外筒平面内的环粱：1―2O层为C60；21―30层为C55；31―40层为C50；41―48层为CA5；49层以上为CA0；-t-O．000以上楼板及梁，21～49层为C40；50～53层为C35。
(2)钢筋：采用Ⅱ级钢及I级钢；预应力筋为 =1860N／ram2的钢铰线。
(3)型钢：Q345。
(4)钢管：Mnl6。

总结：通过对这三个各有特点的超高层的基本情况的了解我们可以看出超高层大楼的设计，对于安全的可靠度要求标准远高于一般建筑，相对于结构设计而言，在既定的设计载重标准下，需要以更加严谨的态度订定材质规格、施工标准与细部设计图说明。而结构与建筑设计之间的互动更显重要。由于建筑时间、地域和当地一些自身情况的不同，高层的结构形式和材料也各有差异，但总体来说，现在的超高层建筑更注重其稳定性和人性化，在抗震防灾方面和建筑和谐的理念上做的更到位。而钢结构由于其自身的特点，明显比其他的材料更有优越性，将会在超高层建筑上得到更广泛的应用。