第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 巨型框架结构分类及其在高层建筑中应用 张世海 （南阳理工学院土木工程学院，南阳473004） 摘要：巨型框架结构是为适应高层建筑高度的不断增加、功能的综合化或特殊功能要求、形态的变异化趋势及解决高层及超 高层建筑抗震、防风的难题面产生的一种新型结构体系.
首先，系统分析了巨型框架产生发展背景与5个影响因素，给出了 该类结构与传统结构相比的8个典型特征及其适用范围：其次，给出了基于结构组成单元的巨型框架分类方法与分类简图， 指出了巨型框架的10种基本类型与36种子类，该分类方法可避免传统分类方法信息不全的局限性，它不仅可包络当前 工程中应用的巨型框架结构，而且也为今后巨型框架结构开发和创新奠定了基础：最后，介绍了国内外13栋典型巨型框架 结构工程实例，为全面认识、了解、应用巨型框架结构提供了借鉴.
关键词：超高层建筑：巨型结构：巨型框架：结构分类：典型工程实例 1引言 自1883年在芝加哥建成世界第一栋近代高层建筑家庭保险大楼（10层，42米，1890年又加建2层， 高55米，底部6层为生铁柱熟铁梁框架结构，上部4层为钢框架），到2010年在迪拜建成的世界最高建 筑哈利法塔（162层，828米，钢-砼混合结构，-30m至601m为钢筋砼剪力墙结构，601m至828m为钢结 构，其中601m至760m为支撑钢框架结构）至今的131年间，最高高层建筑的高度与层数分别增加了18.4 倍和16.2倍.
据世界高层都市建筑学会（CTBUH）的初步统计，截止2013年底世界已建成100米以上超高 层建筑5978栋，我国1165栋.
高层建筑已经历了产生、发展、繁荣的历史发展阶段，目前，在高层尤其 是超高层建筑的设计、制造与建造等领域正面临着一个以个性化、多样化、复杂化、巨型化、高技术化、 信息化、数字化、智能化、与人和自然环境的关系更亲合、更节能、更环保、更可持续、综合性能最优化 等为特征的新一轮快速创新发展新时期.
高层建筑的发展过程也是不断积累应用经验、进行结构型式创新、 发展和改进的过程.
近年来结构型式出现了许多新变化，如结构型式已由传统的框架、框架-剪力墙、剪 力墙及框架-筒体、筒中筒、束筒等结构型式，发展到今天各类新型结构，如巨型结构、斜交网格结构等.
尤其是巨型结构的出现为超高层建筑高度的不断突破提供了可靠先进的结构保障，在高层建筑发展的新阶 段，为推动该类结构的进一步推广应用，有必要对该类结构及其应用情况进行系统的归纳和总结.
巨型结 应用进程的脉络进行分析和梳理，以期对工程设计人员系统了解并推广应用该类结构提供借鉴和帮助.
2巨型框架结构的产生与特征 2.1巨型框架结构及产生背景与动力 巨型结构的概念产生于20世纪60年代末，是由梁式转换层结构发展演变而来的，巨型框架是巨型结 构在工程应用过程中出现的一种新型结构形式".
巨型框架是由巨型梁和柱构件组成的简单而巨型的框 架作为高层建筑的主体结构，并与传统结构构件组成的次结构共同工作，从而获得更大的整体稳定性、更
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 好的结构布置灵活性和更高效能的高层建筑结构，该类结构以主次两级结构布局的特征，打破了以单独楼 层为基本结构单元的传统结构格局，具有传统结构无法达到的很多优点.
巨型框架的产生是人们对高层结构长期探索、改进和积累及技术进步的结果.
其产生的背景和影响因 素很多，主要可概括为以下几个方面.
其一，随着社会生产力的发展和现代工商业的高度繁荣，城市人口 急剧增长，对各类社会活动和生活用房的需求日益增加，城市土地和空间资源有限，地价高涨，高层和超 高层建筑的出现和发展成为必然，且往往将不同功能乃至完全相反的生活方式空间以层的形式集聚叠置在 一起完成复杂混合的城市功能，即沿建筑高度方向往往有多种功能空间需求，需要采用多种结构型式，且 对高层底部商业活动、及为改善居住质量与自然有更大接触面的需要，而在不同高度处设置的各类公共活 动无柱大空间、在建筑中开大洞与布置内庭等的需求增多，从而导致高层结构系统中巨型转换构件、巨型 转换层的出现.
其二，为解决高层尤其是超高层建筑的防火疏散难题，避免火灾中在一个垂直空间中火势 急速向上蔓延的烟肉效应，常采用分区建造，每十几层做一个防火分区，每分区设一个避难区的途径，来 隔断空间的连续性：同时，高层结构正常运行也同样需要沿高度方向每隔若干层设置一个设备层：另外， 为提高结构整体性能，也往往需要在高层结构的适当部位设置一些加强层：这些功能的实现也往往要求在 结构的不同高度处设置一些巨型构件、巨型楼层.
其三，巨型转换构件与转换层的出现，导致沿高度方向 刚度突变，出现结构薄弱层，并无法实现“强柱弱梁”屈服机制的抗震设计原则：同时，因高度增大与转 换构件的出现，竖向构件荷载剧增，限于规范轴压比的控制等原因，设置与巨型构件与转换层相对应的矩 形柱也就成了解决或避免上述问题的最有效途径.
其四，随着高度逐步增大，水平荷载及其引起的倾覆弯 矩、剪力与相应的弯曲剪切变形也显著增大，传统的框架、剪力墙、筒体等常用基本结构已不能满足需求， 提出并采用刚度更大、抗倾能力更高更有效的结构就成了高层结构继续向上发展的必须，提出具有较大抗 倾与抗侧刚度的巨型结构尤其是结构型式简单、空间布置与结构布局更为灵活的巨型框架，就成了解决实 际工程中传统结构应对超大空间、抗侧与抗倾能力不足，进行结构型式创新的更为适宜的选择和重要途径.
其五，随着对新型结构型式的试验与数值模拟分析及设计理论方法研究的不断深入，使人们对该类结构性 能的认识及其设计方法技巧的把握也逐步深化，这种理论方法与分析手段上的准备，为该类新型结构在实 际工程的应用与推广提供了有力的理论方法支持.
正是上述原因，才导致了巨型框架的产生及其在工程中 的不断应用与健康发展.
显然，巨型框架结构的出现不仅是对因随高度不断增大而对结构抗侧能力要求也 不断提高等的回应，更是对高层建筑由单一功能向多种功能聚合与绿色建筑节能环保的要求、及对城市人 口增多、土地与空间资源紧缺、生活复杂化后城市需求的回应.
2.2巨型框架结构的特征 与传统结构相比，巨型框架结构具有以下特点.
其一，巨型框架的梁和柱截面尺寸通常大大超过普通框架梁柱的截面，如1990年建成的中国银行大 楼巨型框架柱采用了4.8mX4.1m的巨型型钢混凝土柱，日本神户TC大厦的巨型柱采用了边长6.5m的正 方形钢桁架筒巨型柱，上海中心巨型柱采用了3.7m×5.3m的型钢砼巨型柱等，由矩形截面刚度EI=Ebh/12 中可知，其刚度必然比传统结构的刚度显著提高： 其二，巨型框架结构的框架柱往往布置在建筑周边或四角，结构竖向荷载通过巨型框架梁向巨型柱集 中，且周边布置的巨型柱截面及承受的竖向荷载巨大，从而使该类结构的抗倾能力及抗侧和抗扭刚度明显 增大，可用于更大体型和高度的建筑结构： 其三，结构整体性好、刚度大，主次结构传力途径明确，抗侧刚度沿高度分布均匀，宜形成“强柱弱 梁”屈服机制，通过主次结构间的精心设计及耗能减震技术的应用，可实现多道抗震防线，整体抗震能力 强.
如可将次结构的楼层框架与巨型柱间相接的连梁作为第一道防线，在地震作用下先行屈服，将才结构 框架作为第二道防线，小梁、小柱均可屈服，出现塑性铰，巨型框架主结构退居到第三道防线：也可综 合利用大型调频质量减振原理、基础隔震原理以及阻尼耗能减振原理，通过在主次结构间设置不同类型的 隔振耗能装置（如夹层橡胶垫、滑移支座、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器等）途径，将庞大的 巨型框架结构体系转化为一种新型的多功能减振结构体系，解决巨型框架结构体系的减振、避震问题 其四，巨型框架是一种由大型构件组成的主结构与由常规梁、柱构件组成的次结构共同工作的新型结 2
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 构体系，主结构以其巨大的刚度和承载能力成为主要的抗侧力和承重体系，次结构自成体系仅起到辅助作 用及大震下的耗能作用，并将其竖向荷载传给主结构，即其传力不再是传统简单的梁一柱一基础一地基途 径，而是由次结构将所受竖向力传到主框架梁，然后通过主框架柱将所受竖向力传到地基，故巨型框架梁 间的次结构不需要上下对应，且次结构受力及其结构构件截面与结构占用面积均较小，可整层无柱，结构 对使用功能空间的影响与约束较小，功能要求改变时仅需改变次结构：可以方便地满足在建筑立面的上中 下部开设面积很大的穿通洞口或在建筑中间设置内庭的要求，以丰富建筑立面与体型效果，改善建筑的通 风、采光、日照与视野，洞口有效地减小了受荷面积，并将正压直接引入建筑尾流区，减小了整体的负压 力值，降低了建筑的总风荷载，改善周边建筑的风环境与建筑群体通风，改善室内舒适度，减少空调运行 时间与碳排放：还可灵活地在各个楼层布置大空间，尤其是可方便地在底部设置人流密集的大型无柱活 动空间，以解决传统因结构限制只能在顶部设置无柱大空间所带来的疏散不便和使用干扰问题：可方便的 将公共性空间放在地面层或空中步道层，以利于拓展城市公共空间及其与城市公共空间的联系，改善单体 间的联系，解决单体建筑的“孤岛”问题，使建筑群间联系更密切、整体性更好、环境层次更丰富、交往 通行更便利，工作生活环境质量得到显著提升.
其五，由主次结构组成的巨型框架，可根据不同的需要组合出多种结构体系，如主结构材料或构件可 采用混凝土、钢、钢骨混凝土、钢管混凝土及其组合等，次结构也可采用传统的框架、框架-剪力墙等， 主次结构间可采用支撑型、悬挂型及混合型连接方式，连接处还可设置各类隔震、减震耗能装置等.
同时 巨型框架是一种梁柱截面和刚度很大但数量较少的巨型结构体系，可跨越更大的跨度和高度，形成各种平 立面的形状和空间形态，结构布置更为灵活，可在不规则的建筑方案中采用，并可通过适当的结构单元组 成对抗震有利的规则结构.
其六，该类结构的主结构是主要承重结构，可先施工其巨型框架，待主结构完成后，即可在巨型框架 梁间的各个工作面上同时施工次结构，施工速度快，能有效缩短施工周期.
其七，高层尤其是超高层结构抗侧能力强弱是衡量结构体系是否有效的主要标志.
巨型框架的框架梁 柱截面尺寸和材料用量较大，但其数量少、框架柱常布置在周边，能充分发挥其材料性能及其巨大刚度在 提高结构整体稳定性、抗倾覆能力、抗侧刚度、抗扭能力等方面优势，结构抗侧能力强、效能高.
同时， 量大面广、受力较小的次结构，其结构构件比一般高层结构小得多，对材料性能要求较低.
从整体上可节 省材料，降低造价，使建筑物更加经济实用.例如香港中国银行大楼采用巨型桁架体系，节省钢材40%左右.
其八，巨型框架结构布置灵活性和抗侧高效性的特征，决定了该类结构可与其他巨型结构或巨型构件 组合，形成抗侧能力更强新的巨型结构，如与巨型支撑、巨型筒、巨型伸臂桁架等组合，可形成巨型桁架、 巨型框架-筒、带伸臂的巨型框架-筒结构等，以满足更高的超高层建筑对抗侧能力更强的结构需要.
2.3巨型框架结构的适用范围 巨型框架具有抗侧刚度巨大、整体性与抗震性能良好、结构布置灵活、能充分发挥材料性能、建筑适 应性强、施工速度快、节省材料、工程造价低、其本身或其与其他巨型构件和结构可组合出多种新型巨型 结构等优点，决定了该类结构很适合于超高层建筑，是未来高层及超高层建筑结构体系发展和应用的主要 方向之一.
目前，该类结构的适用范围主要是集多种功能与一体的现代高层与超高层建筑，特别适合于一 些建筑形态特殊、外形复杂、平立面不规则、沿高度平面变化较多、建筑中设有大洞口或空中花园、连续 化多层内庭或共享空间及超大空间的复杂建筑，未来同样可用于底部有无柱超大空间及转换层要求的多层 建筑、大跨空间结构、多层城市立交桥与桥梁结构、海上石油钻井平台等.
3巨型框架结构的组成与分类 3.1巨型框架结构的组成 组成巨型框架结构体系的基本结构单元可归纳为巨型框架柱单元、梁单元、支撑单元、次结构单元等， 3
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 其中，各类结构单元又可继续进行细分，根据国内外工程应用与研究成果，图1给出了巨型结构组成分解 简图.
从结构理论的观点看，上述不同结构单元的集成组合便可构成各种具体形式的巨型框架结构.
3.2巨型框架结构的分类 随着国内外高层尤其是超高层建筑的快速发展，建筑选型新颖、体型更加个性化和多样化，巨型框架 们习惯按不同分类指标或标准进行分类.
如按巨型框架结构材料可分为巨型钢筋混凝土框架、巨型钢框架、 巨型钢骨混凝土框架、巨型钢-混凝土组合框架：按主结构有无小型支撑或（核心）筒，可分为巨型框架、 巨型框架-筒体、巨型框架-支撑（带支撑巨型框架或巨型支撑框架）、巨型框架-支撑-筒体（带支撑巨型 框架-筒体）结构等，按主结构支撑类别可分为中心（或偏心、斜隅、防屈曲）支撑、耗能支撑等巨型框 架：按主结构框架跨数和层数可分为单层单跨、单层多跨、多层多跨、单跨多层巨型框架：按主结构框架 形态或建筑体型可分为棱（园）柱形、棱（园）台型、棱（园）锥形等巨型框架：按次结构与主结构框架 梁间连接类型可分为悬挂式、支撑式、混合式支撑式巨型框架：按主次结构间有无耗能减震装置可分为带 耗能装置和不带耗能装置的巨型框架：按巨型框架福数及各福间联系情况可分平面形、空间形巨型框架： 同样还可按巨型框架梁两端或周边有无悬挑结构或按建筑功能分、次结构种类等分类指标进行分类.
显然， 与应用中出现的新情况或新结构，特别是目前发展势头强劲的各类巨型组合框架结构.
但如果将上述所 有分类指标组合在一起进行分类，分类结果将会因过于庞杂而不能突出结构特征，为此，我们在图1中给 出了一种按巨型结构主要组成单元进行分类的方法，该分类方法将巨型框架结构分为10类36种，其中， 前5类18种较为常用.
本文所涉及的巨型框架结构是认为有推广价值和应用前景的高层结构型式，今后 尚应总结提高，其设计水平和施工技术也应进一步优化和深化.
36种巨型框架结构也不是发展的极限数， 今后也必然会按组成巨型框架结构的分类方法发展为更多数量的、形体各异的现代高层结构.
4巨型框架在高层建筑中的应用 4.1巨型框架结构在高层建筑中应用的困难与前景 虽然巨型结构尤其是巨型框架结构有很多鲜明的优点，但自上世纪60年代末巨型结构念提出，及 1970年建成世界第一栋巨型结构芝加哥的约翰汉寇克中心（100层，457.2m，最早的巨形钢桁架筒结构）后， 巨型结构的研究与应用发展较为缓慢，建造的巨型结构及巨型框架结构的高层与超高层建筑数量仍然较 少，如陆续在1973年建成了巨型框架悬挂结构的匹茨堡市关国钢铁大厦（64层，256m，三角形平面，最早 的巨型框架），1985年建成了巨型钢框架结构的香港汇丰银行总部大楼（43层，195m），分别在1987年和 1988年建成了巨型钢筋混凝土框架的深圳亚洲大酒店（33层，114.5m）和深圳新华大厦（37层，127m），1990 年建成了巨型钢框架建筑新加坡海外联合银行（64层，280m）和日本东京NEC办公大楼（43层，180m），1990 年以后巨型框架结构的应用才开始逐步加快，并不断出现一些新型巨型框架结构体系.
除经济发展等原因 外，巨型结构发展较慢的主要困难是：巨型结构属于大型复杂结构，形体的复杂化和巨型构件的立体格构 化均与常规结构有较大的差异，即与传统高层结构相比，巨型框架结构层高、跨度、构件尺寸、受力巨大， 杆件较多，节点受力与构造复杂，空间整体性强，层数多，侧移大，自振周期较长，对风和地震作用敏感， 荷载作用下结构所表现出的受力性能、强震破坏机理复杂且随机性强，需要研究的间题多、难度大，国内 外对该类结构设计理论研究不够系统深入，尤其是巨型结构试验难度大，试验研究及其成果更少，通过试 验对理论计算结果的检验成果少，工程应用实例也不常见，设计人员对该类结构的性能了解较少，理论和 结构性能试验研究成果缺乏，各国相关规范对巨型框架的超高层建筑设计也缺少相关规定，对巨型框架结 构的设计与应用的有效指导不够：巨型框架主次结构及巨型梁柱的材料、构件类型、截面形式、节点连接 方式种类多，主次结构尺寸悬殊、二者间连接方式多样、二者组合变化而成的巨型框架结构体系种类繁杂， 4
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 结构的力学分析、计算、设计较为复杂，缺乏科学有效的计算分析模型和方法手段，工程中采用的简化模 型依赖于巨型梁柱等效恢复力特性的确定，计算精度较低，对于由支撑桁架巨型柱，因受计算机容量和运 算速度限制，考虑各支撑杆件屈曲的数值分析往往存在困难，用杆系模型对巨型框架进行结构弹性内力分 析及罕遇地震下的弹塑性动力反应分析，往往会遇到计算方法和程序上的问题，用空间实体模型对巨型混 凝土柱框架进行分析的计算量很大，会耗费大量计算机时，很难应用于工程实际：同时，节点构造复杂类 型多，制造与拖工难度大，也限制了该类结构推广应用.
巨型框架分类 巨型框架柱 巨型框架梁 巨型框架支撑 型钢砼柱 钢筋处梁 般支撑 型8 支学框架 支撑柜泵 支撑柜架 巨型型制栓 图1巨型框架结构组成与分类简图 近年来，巨型结构的研究、应用与发展迅速，有些巨型结构建筑已成为城市及其所在地区经济繁荣、 技术进步的标志，巨型框架是巨型结构中应用最多的结构形式，由巨型框架和其它巨型结构、巨型构件及 传统结构还可以组合出许多性能优越的其它新型巨型结构体系，巨型框架结构已在世界范围内的许多大型 超高层建筑工程得到了越来越广泛的应用.
在巨型框架结构的工程应用及其设计过程中，不应拘泥于巨型 框架结构的固有形式，而应根据结构抗侧能力、平立面形状与体型特征、使用功能等方面需求的具体情况 灵活的优化组合出最佳结构.
总之，随着巨型结构理论研究的不断深入和应用领域的不断实践，巨型框架 结构鲜明的优越性正在不断体现出来，前一阶段的工程实践表明，巨型框架结构是建造高层与超高层建筑 的最合适、最有效的结构形式之一，在未来的高层和超高层建筑中将会有更广泛的应用前景.
4.2.巨型钢筋混凝土框架的工程实例 巨型钢筋混凝土框架结构包括巨型钢筋砼实腹梁柱框架、巨型预应力砼实腹梁柱框架、巨型钢筋砼筒 柱实腹梁框架.
深圳亚洲大酒店（现为深圳香格里拉大酒店，见图2）是国内最早的巨型钢筋混凝土框架 结构（属巨型钢筋砼筒柱实腹梁框架，1985年建成），该工程为Y形平面，地上33层，高114.1m.
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