近一二十年来,中国的城市化进程不断加速,基础设施建设蓬勃发展,一栋栋高层、超高层建筑不断刷新着各地城市的天际线,成为了城市的名片,也见证了城市的发展。住宅、办公、酒店、公寓、观光等高层建筑给城市带来了丰富的功能空间及美轮美奂的城市景观,它们推动了城市的发展,但它们的落成也消耗了大量的自然资源和社会资源。对高层建筑结构的合理构成进行分析并实现高效率的结构设计,不仅具有节约成本的直接经济效益,还具有绿色环保的长远社会效益,本文将在这方面进行探讨。

　　 传统评价结构设计有三个基本标准,即“安全、经济、合理”。随着时代的不断发展以及社会生活水平的不断提高,新时代环境下对评价结构设计的三个传统标准赋予了更多的内涵,也对结构工程师提出了更高的挑战。

　　 安全是结构工程师设计的底线。随着建筑方案的不断求新求变,设计过程中各方对建筑品质的追求也不断提高,目前很多工程案例超出了规范编制时的背景环境,教条照搬规范条文,死抠具体指标不意味着安全。

　　 经济不能简单理解成为材料成本的优化节约,而从以下两方面进行理解:一方面是从结构材料、构件和体系构成这三个层次进行结构效率的分析评价,这需要在结构设计过程中,尤其是方案阶段,进行多方案的比选论证工作,能够为具体项目提供具体的结构方案建议;另一方面,在快节奏和劳动力逐渐短缺的的社会发展形势下,项目实际运作综合成本中,时间和人力成本渐渐成为了主导因素,对于超高层结构,项目周期长,施工难度大,矛盾更为突出。提高设计施工效率、节约开发周期的技术成为大势所趋,如工业化设计、装配式建筑、BIM技术应用、逆作法等。这些从材料、体系以及综合成本等角度出发的经济控制措施,才是未来结构成本控制的方向。

　　 合理指建筑、结构和机电等专业之间的协调配合,以结构的“力学”实现建筑的“美学”,以结构的“技术”成就建筑的“艺术”。同时,结构构件、体系各主要组成部分之间也存在“合理”的美学要求。

　　 高效是新形势下对结构工程师更高层次的要求。高效一方面指应用材料的高效、结构体系及受力的高效,并充分发挥材料的性能,这样才能实现以最少的材料完成最优的结构;另一方面是指,采用高效的设计施工一体化理念,包括工业化施工方法,用更短时间、更高效的方式实现结构施工,节约资源,创造价值,提高结构的经济性。

　　 总之,每一个“美”的建筑都离不开安全、经济、合理且高效的结构设计。新时代环境下,“合理高效”成为结构设计的新要求。

　　 混凝土具有极佳的抗压能力,但受拉性能较弱;钢材具有良好的受拉能力,但受压时往往存在稳定问题。钢-混凝土组合结构是在钢筋混凝土结构和钢结构基础上发展起来的一种新型结构,充分利用了两种材料的受力性能,具有其独特的优势。

　　 从构件层面分类,组合结构可分为组合梁、组合柱、组合墙、组合板、组合斜撑等,每种类别又有多种细分种类。

　　 组合梁(图1(a))通过抗剪键将混凝土楼板和钢梁连为整体并使之协调受力,混凝土受压,钢梁受拉,充分发挥材料特性,承载力高。承载力相同时,比非组合梁节约钢材达15%～25%。刚度要求相同时,采用组合梁可比非组合梁减小截面高度26%～30%。同时可利用钢梁承担悬挂模板、混凝土板及施工荷载,无需设支撑,加快施工速度。

　　 钢管混凝土柱(图1(b))中的混凝土被钢管包围并受约束作用,处于三向受力状态,延缓了其裂缝发展,提高了混凝土的抗压强度和变形能力,同时混凝土对钢管的支撑作用使钢管避免发生稳定破坏,两者共同工作,具有很强的抗压能力,可以大大缩小超高层建筑中外框柱的截面,效果显著^[1]。

　　 在巨型框架-核心筒结构体系里,巨柱由于同时抵抗重力和水平力而承受极大的轴力,柱截面往往大到难以接受,因此巨柱往往采用组合结构的形式以控制截面并提高延性(图2)。

　　 在高层或超高层框架-筒体和筒中筒混合结构中,剪力墙或筒体是主要抗侧力构件,对结构体系的刚度、承载力、延性等有重要影响。钢板混凝土剪力墙既能发挥钢材受拉和抗剪强度高的优势,又能充分利用混凝土刚度大、抗压强度高、稳定性好的特点,钢材和混凝土优势互补,极大地改善了各自的缺点,在高层和超高层混合结构中得到越来越多的应用。

　　 在高层建筑的体系选择上,应特别注意建筑材料及其之间的匹配关系。如在框架-筒体结构里,当采用钢框架时,宜选用组合楼盖;当外框柱采用钢管混凝土柱时,宜选用钢梁;当外框柱采用型钢混凝土柱时,宜选用钢筋混凝土梁,以方便节点施工。

　　 结构设计中不仅必须重视属于结构外部因素的“力”,而且要牢牢地掌握及控制好属于结构内部因素的“刚度”。前者所涉及的力的平衡、结构或构件变形的协调以及由此而产生的构件内力都是通过后者所包含的绝对刚度、线刚度及相连构件之间的相对刚度来体现的^[2,3]。

　　 如在连体高层建筑中,连接体将不同的塔楼连为一体并协调塔楼之间的受力及变形。“强连接”的连体结构设计时宜尽量使连接体两侧塔楼刚度匹配且整体动力特性接近,从而减小连接体承受的“协调力”,降低连体结构设计难度并控制成本。当连接体两侧塔楼刚度及动力特性相差较远时,可考虑将连接体设计为“弱连接”或“半刚性连接”,通过弱化连接体刚度以减小或释放塔楼之间的“协调力”。

　　 刚度设计贯穿于结构设计的全过程,无论是结构体系的选择还是具体构件的设计,刚度理论都能发挥重要的指导作用。只有从设计的初始阶段开始,结构工程师就和建筑师一起合理地运用刚度理论,并在设计全过程中牢牢抓住这一概念,才能创造出建筑和结构相得益彰的合理方案^[2,3]。

　　 一个合理的结构,离不开合理的受力机理。例如在巨型框架-核心筒结构体系中(图3(a)),核心筒和外框巨柱是结构骨架,既是竖向主要的承重构件,也是提供主要侧向刚度的构件;而伸臂桁架、环桁架(图3(b))、巨型斜撑(图3(c))等主要功能为联系并协调核心筒与外框巨柱受力,使之形成一个整体抵抗水平力,从而形成高效的抗侧力体系;而楼面梁、重力柱等构件主要承受局部重力荷载,并将之传递至核心筒及外框巨柱。各类构件紧密联系,形成一个可抵抗重力和水平力的高效结构。

　　 除了结构受力机理外,建筑物本身的一些关键性技术指标也对结构的效率和成本影响甚大。例如,超高层塔楼的高宽比不宜过大,一旦高宽比超出经济适用的范围,往往意味着结构整体效率的降低和成本的增加。

　　 建筑物的平面形状、外形是否规则也会对结构效率产生影响,对称、规则的建筑通常较容易形成合理的受力机理并实现较高的结构效率,因此也更容易控制建造成本。

　　 因此,在项目早期阶段需结合建筑方案对建筑本身的关键性技术指标进行评估比选,通过结构的前期工作使复杂的建筑外形、体系尽量合理及规则,为结构方案的合理化及高效率打下坚实的基础。

　　 不能自平衡的结构需要与相邻边界发生“力”和“位移”的协调,从而带来效率的降低和成本的提高;而一个保持内部受力自平衡的结构,则能大大提高结构的受力效率和整体可靠性。“力”与“几何学”相通,两者的结合有时可带来意想不到的高效率。

　　 宁波嘉裕酒店长102.5m,宽88.2m,高72m。主楼呈L形,塔A和塔B在靠近入口区域从一层开始分别倾斜悬挑,并从12层开始逐渐连接,形成连接体结构(图4(a))。

　　 原设计采用了简单的框架-剪力墙体系,因悬挑端竖向构件不落地,塔楼整体存在较大的倾覆力矩,造成远端剪力墙受拉,成为结构整体抗倾覆的关键环节,结构效率较低。在竖向荷载作用下,远端的剪力墙就已经出现大面积受拉破坏(图4(b)左),结构整体可靠度较差。在这个不合理的结构方案被专家直接否决之后,设计方又提出了在外立面满布斜撑的补救方案以提高可靠度(图4(b)右),但遭到建筑师的强烈反对。

　　 新方案在L形两肢处采用钢框架(局部设钢支撑)结构体系,L形交点附近采用双四棱锥+局部悬挂钢结构体系(图4(c))。由外立面相互依托的两个倾斜面可简化出两个四棱锥,理论上各自都可保持稳定。通过脊线连接的“双四棱锥”体系为结构提供两个稳定支点,同时具有多重安全性,即任意断开其中两根杆件,四棱锥依然可保持稳定。其他部分的荷载则可通过转换桁架向四棱锥传递。四棱锥自身为稳定的自平衡结构,可将悬挑端荷载较直接有效地传递至下部结构,避免了结构整体的倾覆风险。

　　 宁波嘉裕酒店的“双四棱锥+局部悬挂钢结构体系”受力机理明确,形成高效的结构体系,让独特的双向悬挑建筑造型得以成立,是结构创意与建筑创意的完美融合(图4(d))。

　　 综上所述,结构的合理构成是十分重要的,合理构成在形成合理受力机制的同时,也能提高建筑品质,其经济性十分明显。

　　 方案设计的优劣,直接关系到整个项目设计的成败,在这个阶段充分体现出设计工作多解(即多种设计方案)的特点。结构专业需要与建筑、机电等专业密切配合,才能孕育出一个融合结构创意和建筑创意的高效率结构。

　　 青岛某中心塔楼共63层,屋面高度279m,塔冠高度320m,塔楼高宽比6.45。本项目建筑体型沿高度多次变化,办公低区(24层及以下)为长方形,其长宽比为1.19;25,26层为办公低区往办公高区的过渡区,其外轮廓比办公低区和办公高区都小;办公高区(27～40层)东侧建筑体块顺时针旋转了12°,南北侧及东侧局部外挑,以适应其上酒店区布局;酒店区(41层及以上)取消西侧部分平面形成长矩形平面,其长宽比为2.6。整栋塔楼外立面呈“扭腰”的造型(图5(a))。

　　 本项目采用框架-核心筒结构体系(下部为混凝土框架,上部为钢框架),由于塔楼平面的扭转和收进,低区核心筒不能完全直上高区。早期方案时,核心筒主受力墙体沿底部正交布置,与顶部酒店主受力方向呈一定角度(图5(b)),高区核心筒极不完整且使用效率低;中期方案时做了优化,核心筒外围主受力墙体沿底部正交布置,内部墙体基本与顶部酒店主受力方向正交(图5(c)),大幅提高了高区核心筒的完整性和使用率;通过各专业配合,最终方案做了进一步优化调整,核心筒底部左右两侧墙体正交布置,中部右侧受力墙体与办公高区正交(图5(d)),高区核心筒正交完整且可直落地下室,竖向传力直接高效,核心筒内空间利用率也大幅提升。上部“扭腰”楼层,有近2/3的框架柱需在115m高空旋转转换,最大柱脚设计值达68 800kN,通过水平构件进行转换很困难。故上下柱位的对应协调十分重要,上下柱位的对应协调可有效减少转换柱的数量,使竖向力传递十分简单直接。通过方案阶段的多轮配合,本项目最终实现了结构创意与建筑创意的完美融合。

　　 广义的结构优化包含:结构成本合理、施工难度降低、土建工期缩短、建筑使用率提升、建筑品质提升等。结构优化必须寻找结构的控制因素,重点突破。

　　 深圳某超高层项目高350m,平面呈“凸”字形,核心筒偏置于北侧(图6(a))。原方案采用钢框架-巨型钢支撑筒结构体系(图6(b)),最大层间位移角1/324,每平米用钢量约270kg,且存在重力前倾、舒适度超限、楼面配重大、焊接难等问题。

　　 改进方案采用钢管混凝土柱-钢支撑结构体系,部分删除办公区斜撑,在加强层以上两层仍保留斜撑,形成18m高的伸臂(图6(c))。从层间位移角来看(最大1/332),删除办公区斜撑对结构刚度有很大影响,基本抵消了钢管混凝土所增加的刚度,且层间位移角最大的楼层为是删除伸臂的楼层。因此有针对性地将删除伸臂楼层处的电梯筒斜撑截面加大至口600×600×50×50(图6(d)),同时将钢管柱钢板厚度减小约1/3,南北两个立面上的X向斜撑钢板厚度由55mm减小至50mm,Y向斜撑钢板厚度不变。优化后,部分删除办公区斜撑的方案不仅大幅改进了办公区使用空间,还同时节省了5 800t的用钢量,无论是受力合理性、整体刚度还是用钢量都比初步方案更优,各项指标中仅剪重比略有减小(表1)。

　　 一般而言早期方案决定项目结构材料90%的成本。经方案阶段的基础选型、上部结构选型、体系的多方案论证基本能够保证结构的合理性与经济性。

　　 建筑、机电、基坑等外部输入条件往往对结构经济性的影响很大,这需要有经验的顾问团队参与,动态协调,以实现建筑商业价值为目标,配合建筑功能灵活性的同时,把握好结构成本与后期使用价值之间的平衡,即“经济与品质并重”。

　　 对于大型项目,财务(时间)成本往往在项目总投资成本中占有较大比重,缩短项目工期对控制项目总成本具有重要意义。合理的结构方案(基础、地下室、上部结构)应在受力合理的同时,重点关注施工便利性及项目总工期。

　　 在不同阶段(方案、初设、施工图)对结构的钢材(型钢、钢筋)、混凝土用量进行动态跟踪,重点关注方案合理性、建筑品质、工期影响,在此基础上细化材料成本,把握宏观结构成本,即“抓重点顾大局”。

　　 只要进行必要的多方案比选,论证充分,即便适当增加材料成本,都是对项目有利的。材料成本不应成为结构专业的主要考核指标。

　　 先进计算分析方法的发展往往会推动结构设计大跨步发展,例如参数化设计的逐渐发展和弹塑性计算软件的普及。面对建筑师的天马行空,面对丰富多变的建筑曲面造型,传统的标准层建模逻辑往往力不从心,一旦方案略有调整就必须重新建模,费时费力,不再适用。而参数化设计能显著提高此类不规则建筑的建模效率,并可利用参数化对结构形态进行研究,分析不同形态对结构受力的影响,并进行结构评估,选择出较优解(图7)。此外,还可利用参数化软件作为转换工具,与BIM以及其他计算分析软件互相转接,提高工作效率。

　　 复杂建筑结构的不断出现对结构计算分析(尤其是弹塑性计算分析)提出了新的挑战:更精细的单元划分、更庞大的计算规模、更快的计算速度、更准确的计算结果。新一代的弹塑性计算软件(例如SAUSAGE)不仅可以对结构进行大震弹塑性受力复核,发现结构的薄弱环节;还可以根据弹塑性计算结果进行反向性能化设计,不断推动结构计算分析的发展,特别是由于计算速度快、效率高、计算成本低,可以在方案创作的过程中对非常规建筑提供早期的方案论证,更显其配合建筑设计的价值。

　　 与普通混凝土相比,高强混凝土(强度等级高于C60)具有明显的技术优势,不仅可以减小混凝土构件尺寸,减轻结构自重和地基荷载,减少材料用量,节省资源,降低施工能耗,而且能够提高混凝土结构的耐久性能,延长建筑物的使用寿命,减少结构维护和修补费用。高强混凝土是现代混凝土技术水平的代表和未来的发展方向之一,在高层、超高层建筑中具有广阔的发展前景(图8)。

　　 随着钢结构制造技术的不断提高,各类高性能钢材在建筑结构领域得到越来越多的应用,由于其具有高强度、厚板化(即在钢板厚度较厚时仍具有较好的强度及抗撕裂性)、低屈强比或低屈服点等不同特性,因此各类高性能钢材在超高层、大跨、减隔震等结构中得到充分发挥。

　　 高性能钢材和高强混凝土搭配使用可形成高强、高延性的组合构件(如钢管柱、钢板墙等),既能有效提高构件强度,又能避免钢板易屈服、高强混凝土延性较差等问题,在超高层结构中应用可有效控制构件截面,大幅减少用钢量。

　　 建筑工业化具有节能减排、降低能耗、绿色环保的社会意义,是今后建筑结构设计发展的新方向。

　　 免模装配一体化钢筋混凝土结构工业化体系(简称PI体系)是新近研发并发展起来的一种新型建筑工业化体系。PI体系在结构装配方式上取得了革命性的突破创新,整体性和连接安全性与现浇混凝土结构基本一致,适用于各种结构体系和多层、高层、超高层结构,而预制件重量只有传统预制构件的30%,运输和安装简便快捷。施工过程中形成自平衡体系,连接简单可靠,混凝土一次性免模浇筑,无需安装及拆除模板。PI体系绝大部分工作在加工厂通过自动化生产线和工业机器人完成,具有鲜明的建筑工业化特色,目前已经在佛山市保利紫山公馆等项目中得到实际应用(图9)。

　　 超高层全装配式钢结构工业化体系(简称SPI体系)也是新近研发并发展起来的一种适用超高层工业化的系统解决方案。SPI体系利用外包多腔钢板混凝土组合剪力墙的先进设计思路(图10(a)),将传统的钢筋混凝土核心筒离散为较小尺寸的外包钢板组合剪力墙(图10(b)),具有施工简便、无需支模、无需或仅需少量绑扎钢筋、施工速度快等优势,系统解决了传统巨柱、厚墙等制约超高层工业化的问题,充分发挥钢构件的材料优势,提升结构体系抗震性能。

　　 SPI体系可减小墙、柱构件尺寸,有效增加使用面积与净高,提升建筑品质;减少伸臂加强层数量,机电灵活布置,释放建筑可用空间;在施工的综合造价不增加的基础上,结构重量可减少10%～15%,一栋280m左右的超高层塔楼可减轻总重量约10 000t,明显降低基础费用;采用钢结构吊装工艺代替传统混凝土爬模施工工艺,施工速度明显加快,可大幅缩短工期,项目提早运营,提早收益。

　　 SPI体系通过建立设计施工一体化平台,融入信息化、工业化等核心概念,利用钢板组合剪力墙、BIM技术、3D打印技术等,在设计初期即充分融合钢结构制作、运输、现场安装、装修、维护等配套环节,颠覆先设计后施工的传统组织模式,整合多方资源,将带来惊人的综合效益,成为未来超高层的发展方向。目前,SPI体系已经在珠海横琴总部大厦二期(280m高)等超高层项目中得到实际应用(图10(c))。

　　 目前社会发展形势下,对传统结构专业提出了更高的要求,“合理“、“高效”是行业未来的发展方向,坚持创新是一种积极的解决方式。值得特别注重的是:1)充分利用材料性能,利用最少的材料实现结构的高效率;2)合理的结构组成,高效的传力途径是高性能结构设计的前提,这需要各方在方案阶段充分地论证、比较,才能得到理想的结果;3)高效率结构设计体现为结构体系的合理选择及满足现行规范设计条件下结构优化及合理尺度;4)树立合理的结构成本控制理念,材料成本不应成为结构专业的主要考核指标;5)创新技术成果的大胆应用。