第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 某超高层建筑结构体系方案比选 包联进钱鹏陈建兴 （华东建筑设计研究院总院.
上海200002） 提要：本文以一400n高的超高层建筑为对象，假定风荷载，各体系的楼面布置、核心筒和竖向构件的总面积均相同的情况 下，比选了5种不同方案的外围结构体系.
首先，从结构抗侧的效率来评判各个方案的优劣，然后再结合建筑功能和立面要 求以及对施工速度和结构造价等指标对这5个方案综合进行了评定，最后给出了相对较优的两个结构方案.
关键词：结构选型，方案比选，结构效率，造价，楼面效率 1工程概况 本工程为一建筑方案竞赛项目，位于深圳福田区，建筑主要功能为办公和酒店，地上共86层，地下3 层，总建筑面积约为28.5万m².
建筑高度为400m，塔楼和核心筒平面形状均为正方形，底层平面尺寸分 别为54m×54m与27m×27m（如图1、2所示），塔楼高宽比约7.4，基本层高为4.5m.
VIP 5400O 图1建筑效果图 图2标准楼层平面图 本项目场地抗震设防烈度为7度，设计地震加速度0.1g，设计地震分组为第一组，场地类别为IⅢ类， 场地设计特征周期为0.45s.基本风压按50年重现期的基本风压值0.75kN/m²计算.
2结构选型 结构体系的选型必须基于安全、适用和经济的原则，同时需考虑结构抗侧刚度、抗震性能、重量和施 工可建性等问题的要求.
结合本项目特点，对于此类超高层建筑可采用的结构抗侧体系主要有：稀柱框架 -核心筒（带伸臀）、巨型框架-核心筒（带伸臂）、支撑桁架筒-核心筒、斜交网格-核心筒、筒中筒（框筒- √ 基金项目：“十二五*国家科技支撑计划课题（20128A07801) 作者箕合：包联进，（1971-)，男，工学硕土，教授级高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 核心筒）等结构体系.
结构内筒采用钢筋混凝土核心筒，与外围结构体系组合形成双重抗侧体系，共同 承担风荷载、地震作用等引起的水平剪力和倾覆弯矩.
为了简化分析，假定这5种结构的楼盖结构和核心筒的布置均保持不变，变化的是外围结构体系.
变 化时外筒的竖向构件及支撑在水平面内的投影面积总和均相同.
此外，前三种结构体系每隔15层设置一 道两层高的环形桁架，共6道：前两种体系每隔30层设置一道伸臂桁架，共3道.
不同体系的平立面布 置如图3所示： 1稀柱框架 2巨型框架 3支撑析架简 4框筒 5斜交网格 图3不同结构体系的外框平立面 以筒中筒为例，结构从底部向上主要构件的截面尺寸变化如下：柱子截面从1.8mx1.2m变化为 1.0mx0.8m，角柱面积取为中柱面积的两倍：外框梁截面从1500x500x30x40mm变化为1200x300x20x30m： 结构立面开洞率从40%变化为57%，核心筒墙厚度从1.0m变化为0.6m.
外框柱主要采用含钢率为6%的 SRC柱，混凝土采用C70，核心筒采用C60混凝土，框架梁采用Q345GI钢材.
3方案比选 对于结构方案的评价主要可以从结构效率的角度出发，采用楼面效率、单位面积重量、结构的周期、 顶点位移和底层柱轴向应力比等指标来衡量.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 整构件面积比楼层有效育积比 915% 本项日 长沙国金中心广州西塔 广州东塔 环球金融中心 图4国内类似工程楼面效率分析 本工程采用CSI的ETABS有限元软件对以上5种方案进行整体建模分析，模型嵌固端在土0.000.
计算 的结果表明，风荷载是本项目的主要控制工况，在50年风荷载作用下，除了前两种方案，其余3个方案 均满足结构规范层间位移角1/500限值的要求.
楼面效率是指扣除竖向构件后楼面实际可以使用的面积与楼面总面积之比.
图4给出本工程与国内类 似工程的底部楼层的楼面效率分析，可以看到本项目的楼面效率为91.1%，与其它已完成工程相当，说明 本工程的竖向构件面积处于合理区间内.
↓690 1-685 9.00 1.680 L673′ 8.00 7.96 7.96 (xw/1) 1.670 1.660 7.00 75 1.650 1.649 L646 6.00 1.640 s0 1.630 1620 3.00 1610 2.00 1.600 1.00 1.590 0.00 2-巨型概架1-稀柱 4-框岗5-斜交网格3-支撑架前 1-秘柱2-巨型框架4-枢筒5-剑交网格3-支撑聚 结构体系 结构体系 图5不同结构体系的单位面积质量对比 图6不同结构体系的基本周期对比 图5给出了不同方案结构单位面积的重量，巨型框架一核心筒体系最重，为16.9kN/m²：然后依次为 稀柱框架一核心筒，筒中筒，斜交网格一核心筒，最轻的是支撑桁架筒一核心筒体系，为16.2kN/m².
与 国内类似工程相比，这5种体系单位面积的结构重量均在合理范围之内，如表1所示.
总的来说，巨型框 架一核心筒体系每平米重量要多一些，支撑桁架筒一核心筒体系和斜交网格一核心筒体系用量最少.
表1国内类似工程单位面积质量分析时制 项目名称 结构体系 高度 设防烈度 基本风压 单位面积质量 (m) [度] (kN/m²) (t/m²) 本文项目 5种方案 400 7 0.75 1.62°1.68 广州西塔 斜交网格外筒-核心简 425 7 50 1.57 长沙国金中心 框架-核心筒-伸臂桁架 438 6 0.35 1.83 广州东塔 巨型框架-核心筒-伸臂桁架 530 7 5°0 1.85 环球金融中心 巨型支撑筒-核心筒-伸臂桁架 492 7 0.55 1.55
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 年 图6给出了5种结构方案的前三阶结构自振周期，平动周期与扭转周期最长的为方案1与2，框筒剧 中，斜交网格和支撑桁架筒最小.
斜交网格的扭转周期较支撑桁架筒要小，这说明这5种体系扭转刚度最 大的为斜交网格体系.
图7给出了在50年风荷载作用下，5种结构方案的顶点位移示意图.
变形由大到小的顺序与结构平动 周期的顺序相一致，从最大的702mm变化到最小的533mm.
这说明结构的抗侧刚度从小到大依次为：稀 柱，巨型框架，框筒，斜交网格和支撑桁架筒.
图8给了不同结构方案在规定水平力作用下底层外框筒承担的倾覆力矩比，最小的是稀柱框架体系， 59.4%，然后依次为巨柱框架、框简、支撑桁架筒，斜交网格体系最大为73%，最大比最小要高出约23%.
这反映了在各方案中，斜交网格筒的整体抗弯刚度最大，该结构体系的楼层平面变形最接近于平截面假定， 整体效率高.
800 800% 702 699 .673. 69.4% 73.0% 00 %00 力矩比例 59.4% 60.3% 64.3% 600 533 60.0% 500 50.0% 项点位移（ 40 40.0% 300 30.0% 200 20.0% 00 10.0% 0.0% 1秘柱2-巨型框架4-枢院 1秘柱2-巨型框架4-枢筒3支撑和规筒5-斜之网格 结构体系 结构体系 图7不同结构体系的顶点位移对比 图8不同结构体系的底层外框筒承担的倾力矩对比 图9，10分别给出了风荷载作用下，腹板框架与翼缘框架底层柱相对应力比（取为各柱由轴力产生的 正应力与相应角柱正应力之比值）沿的示意图，横坐标为各根的位置.
由图可知，对于腹板框架，除了框 筒结构外有较大的剪力滞后外，其它体系的各柱的相对应力比的连线接近直线，所以剪力滞后现象不明显.
相对于腹板框架，则翼缘框架的剪力滞后现则比较明显.
剪力滞后最大的是框筒结构，其中柱的相对应力 比只有0.56.
其次，稀柱框架体系，由于伸臂与环形桁架的带动作用，翼缘中柱的相对应力比为0.76，较 框筒提高了36%.
再次是斜交网格，由于斜杆的作用，结构的整体性好，中柱的相对应力比为0.82，整个 结构抗侧效率较高.
而对巨型框架与桁架支撑筒体系，由于只有两根柱，该图不能反映柱的剪力滞后.
1.5 1.2 相对应力比 0.5 0.8 06 0.5 一任一姓心院 0.4 → 0.2 交网格-核 →-共七 -1.5 新交网-核心简 10 02 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60 柱位置(m) 柱位置（m） 图9腹板“框架”底层柱轴力相对值比较 图10翼缘“框架”底层柱轴力相对值比较 综合以上各项指标，即从结构抗侧效率来评判结构体系的优劣依次为：3-支撑桁架筒>5-斜交网格>4- 框筒>2-巨型框架>1-稀柱框架.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 综合评价 在进行方案比较时，除了从结构效率的角度来评价结构方案的优劣之外，还要综合考虑是否能够很好 的满足建筑的使用功能和立面要求，对施工的速度和结构造价的影响.
因此，表2从结构造价，施工难度、 周期以及对建筑的影响三个方面给出各个方案的劣势.
表2各方案的劣势 结构方案 体系劣势 结构效率低，造价较高： 1稀柱框架-核心简 伸臂析架层影响建筑布置、施工周期长： 芯简刚度需求增加.
2巨型框架-核心简 巨柱截面大，影响局部建筑功能： 伸臂析架层影响建筑布置、施工周期长.
巨柱截面大，影响局部建筑功能： 3布架支撑筒-核心简 立面有斜撑，室内效果差： 施工周期长.
4框筒-核心简 立面开润率影响室内采光： 柱网基本固定，低区建筑大开洞需要结构转换.
5斜交网格-核心简 立面有斜撑，室内效果差： 节点施工复杂，施工周期长.
由表2可以看到，每种方案都有其不足之处.
为了综合评价这5种方案，表3按照结构效率、结构造 价、建筑的影响和施工速度这4个指标对这个5个方案进行综合打分，其中A表示最优，C-表示最差.
表3各方案的综合比较 方案 结构效率 结构造价 建筑使用功能、 施工难度 立面效果 与速度 综合评价 1稀柱框架-核心筒 c B A B B 2巨型框架-核心筒 A- A- A B A- 3布架支撑筒-核心筒 A B B B B 4框筒-核心筒 A- A- A- A A- 5斜交网格-核心筒 A B C c B- 从表4的分析结果看：框筒-核心筒与巨型框架-核心筒是相对较优的两个方案，其次分别为桁架支撑筒 -核心筒与稀柱框架-核心筒，最差为斜交网格-核心筒.
5结语 本文以一400m高的超高层建筑为对象，假定相同风荷载、楼面布置、核心筒和竖向构件的总面积， 比选了5种不同方案的外围结构体系.
若从结构抗侧的效率来评判各方案的优劣依次为：3-支撑桁架筒>5- 斜交网格>4-框筒>2-巨型框架>1-稀柱框架.
若综合考虑施工速度、结构造价从及对建筑的使用功能和 立面要求的影响，本文认为较优的结构方案为筒中筒与巨型框架-核心筒体系.
本文在方案比选时，为了突出不同结构体系对结构抗侧效率影响，对荷载的大小、内外筒刚度的协调 5
