高层建筑结构的历史沿革与发展趋势

高层建筑结构

的历史沿革与发展趋势孙勇土木工程系高层建筑是一种它的“高”“层”强烈地影响其规划、设计、建造和使用的建筑。高度和层数是一幢建筑是否为高层建筑的两个主要评判指标。《规范》：10层及10层以上的居住建筑和高度超过24m的公共建筑为高层建筑。随着高层建筑高度的大幅增加，出现了超高层建筑。一般泛指某个国家或地区内较高的建筑。国际上，通常将高度超过100m或层数超过30层的建筑物称为超高层建筑。何谓高层建筑结构？有何特点？高层建筑结构可以简化成为支承在地基上的竖向悬臂构件。相对于多层建筑以承受竖向荷载为主，在高层建筑中，抵抗水平力成为设计的主要矛盾。多层到高层，是一个水平荷载起作用由小到大的量变过程。量变的积累给高层建筑的受力带来质的变化。随高度的增加，内力和变形呈非线性增长。从结构的观点看，凡是水平荷载起主要作用的建筑就可认为进入了高层建筑结构的范畴。随层数的增加，材料用量呈非线性增长。设法减少为抵抗侧向力所需增加的材料用量是衡量一个结构设计师能力好坏的主要标准之一。历史沿革高层建筑不仅是人类财富和技术实力的表现，还代表人类的精神追求和创造愿望。人类的建筑历史就是一部不断追求新的建筑高度的历史。超过100m的砖石结构建筑，已将材料特性和当时的建造技术推向了极致。中国人开创了木构架叠层架屋的建造方式（框架结构），将建筑的使用空间推向高空。成为后来建筑向高层发展之滥觞。现代高层建筑的历史始于18世纪末的工业革命。18世纪后半叶，英、法的冶金工业成功生产出“铁”。1889年，埃菲尔铁塔建成，这是一个高耸的构筑物，占据建筑物世界第一高度达42年。埃菲尔铁塔的结构意义在于打破了西方建筑以砖石为主的传统建筑观念的束缚，促进了现代建筑的诞生。1885年，芝加哥家庭保险公司大楼在美国建成，10层42米高，下面6层采用“铸铁柱－熟铁梁”框架，上面4层采用钢框架，这标志着一种区别于传统砌筑结构的新结构体系的诞生，一般被认为是第一幢现代高层建筑。家庭保险公司大楼于1931年拆除，但由此开启的现代高层建筑的蓬勃发展却一直延续至今。1931年，纽约的帝国大厦（EmpireStateBuilding）建成，纽约州别名为“帝国州”，故名。大厦底部面积为130×60平方米，向上逐渐收缩。85层以下为普通使用楼层，85层以上缩小为一个直径10米、高61米的尖塔。塔本身相当于17层，因此帝国大厦号称102层，塔顶距地面381米。这是人类历史上第一幢超越埃菲尔铁塔的现代高层建筑，也是世界上第一座超过100层的大楼。它保持世界最高建筑的记录达41年之久，是高层建筑发展史上的一个里程碑。1934年，上海国际饭店落成，大楼24层，其中地下2层，地面以上高83．8m，钢框架结构，钢筋混凝土楼板，它是当时中国乃至整个亚洲最高的建筑物，并在国内一直保持最高纪录达半个世纪。1968年，芝加哥JohnHancock大厦建成。100层332米高，立面为上小下大的矩形截锥形，底面的平面尺寸为79.9m×46.9m，顶面的平面尺寸为48.6m×30.4m，底层最大柱距13.2m，立面上的巨大的X形支撑特别引人注目，用钢量仅146kg／m2，相当于40层钢框架结构的用钢量。1972年，纽约世界贸易中心（WorldTradeCenter）双塔建成。该工程在规模和技术上的创新是前所未有的，如首次进行了模型风洞试验，首次采用了压型钢板组合楼板，首次在楼梯井道采用了轻质防火隔板，首次采用黏弹性阻尼器进行风振效应控制等，对以后高层建筑的设计和建造具有重要的参考价值。世贸中心广场双塔北楼高417m，南楼高415m，均为110层，是世界上第一次高度超过400米的大楼。它底部的台柱式转换，新颖而独特，使它看起来更像是两棵秀丽挺拔的参天大树。它首次采用钢框筒结构，平面尺寸为63.5m×63.5m，柱距1.02m，设置在平面中央的47根钢柱仅承受竖向荷载，用钢量仅186kg／m2。2001年9月11日，世界贸易中心突遭恐怖分子毁灭性袭击，造成两座大楼先后竖向倒塌，对全世界高层建筑的发展产生了很大的影响。世界贸易中心是一个传奇，它注定是20世纪的杰作，不应在21世纪停留。1974年，西尔斯大厦(SearsTower)在芝加哥建成，110层442.5m，第一次采用束筒结构，用钢量161kg／m2，1998年前一直是世界最高的建筑，至今仍然是世界最高的钢结构建筑。50层以下为9个框筒组成的束筒，51～66层是7个框筒，67～90层为5个框筒，91层以上是2个框筒。在第29～31层、第66层和第90层，沿周边各设一道水平带状桁架，起到增加刚度的作用。Khan解释水平带状桁架的作用说：“用橡皮筋将一把铅笔箍起来。”1959年，北京建成十大建筑，其中有3幢为高层建筑，北京民族饭店【图1】最高，12层，47.4m高，钢筋混凝土框架结构。1968年建成了广州宾馆【图1】，27层，高86.7m，钢筋混凝土框架-剪力墙结构，为60年代我国最高的建筑。朝鲜平壤柳京饭店香港中国银行大厦：位于中国香港，1990年建成，地上72层，地下4层，高367.4米，亚洲首次超过300m的建筑，1990年-1992年为亚洲第一高楼。中国银行大厦造型来源于美籍华人建筑师头脑中一个竹笋节节生长的形象。建筑物于1988年8月8日封顶－根据中国人的传统那一天是本世纪最幸运的一天。中国银行大厦以其非同一般的几何形态而受到赞赏，其结构工程师将它比作一个闪烁发光的金刚钻石。1993年建成的横滨标志大厦，70层，296.3m高，钢结构巨型框架体系，为日本第一高楼。

马来西亚吉隆坡双塔楼：88层，450米，框—筒结构，1998年建成。双子星石油大厦PetronasTowers：1998年在马来西亚首都吉隆坡建成，88层，高452米，西萨.佩里事务所的代表作品，（1998年-2004）为世界第一高楼。马来西亚前总理马哈蒂尔在吉隆坡石油双塔启用仪式上“一段绝妙的讲演”：每个国家都应有值得抬头仰望的物品，矮个子必须站在台阶上，而吉隆坡的这座石油大厦就是马来西亚的台阶。1989年，广东国际大厦主体建成，63层，199.5m，钢筋混凝土结构。1987年，北京建成50年代以后我国第一幢全钢结构：长富宫中心，26层，94m高，也是我国最高的钢框架结构。京广中心，57层，208m高，成为我国当时最高的建筑。地王大厦：位于中国深圳，1996年建成，地上69层，地下3层，高384米，1996年-1997年为亚洲第一高楼。中信广场：位于中国广州，1997年建成，地上80层，地下2层，高391.1米，1997年-1998年为亚洲第一高楼。金茂大厦的每边设置2根钢筋混凝土巨柱，巨柱的底部截面尺寸为1.5m×4.88m，88层，主体结构高372.1m，总高420.5m，在第24～26层、第5l～53层、第85～87层设置了3道钢伸臂桁架。

RC核心筒+外伸桁架和巨型（型钢）柱(三重结构体系)，101层，高492m，7度抗震设防核芯筒底部剪力墙哈利法塔BurjKhalifa：2004年9月21日开始动工，2010年1月4日竣工启用，它是21世纪的帝国州大厦，160层和828米的高度另其它建筑望尘莫及，它会被谁超越，现在不得而知，但它必定会是21世纪最引人注目的建筑之一。为了保证迪拜塔在建设过程中的稳定，它垂直方向和水平方向的动态，都有一个全球卫星定位系统进行跟踪。在建设期间，建筑物的重力变化情况由设置在建筑物中的700多个传感器进行实时监测。为了使迪拜塔保持世界最高建筑物的称号，从700米的高度开始，它设计了一种螺旋管钢结构体，从建筑物内部一直延伸到顶端，这个螺旋管可以用液压千斤顶提升，作为增加建筑物高度的支柱。上海中心主体建筑结构高度为580米，总高度632米，127层。“上海中心”是目前规划中的我国第一高楼，其主体建筑结构高度为580米，塔冠最高点632米。大楼于2008年11月开工，总投入将达148亿元，预计将在2014年竣工并交付使用，建成后最多可容纳3万人同时办公。2010年3月28日，上海建工集团的建设者在“上海中心”大底板混凝土浇筑现场施工。上海中心大厦的主楼深基坑是中国乃至全球少见的超深、超大、无横梁支撑的单体建筑基坑，其大底板是一块直径121米、厚6米的圆形钢筋混凝土平台，位于深31.4米、局部深34.4米的深基坑底部，其面积相当于1.6个标准足球场大小。在经过60多个小时连续作业后，规划中的我国第一高楼——上海中心大厦6.1万立方米的大底板混凝土浇筑工作3月28日顺利完成，这是我国民用建筑领域一次性连续浇筑方量最大的基础底板工程。远处可见金茂大厦（左）和环球金融中心。“上海中心”建设将带动浦东小陆家嘴地区地下空间的统一规划和整体开发，形成立体交通网络，其地下通道将连接金贸大厦、环球金融中心地下空间，并与轨道交通2号线、14号线相连通，把人流以最快的速度引导到周边公交站点，最大程度缓解区域人流疏散的问题。这张拼版照片显示的是：2011年6月20日拍摄的上海中心大厦主楼核心筒建设工地（左图）；2010年9月20日拍摄的开始进入地面施工的上海中心大厦（右图）。这是2011年10月9日拍摄的正在施工的上海中心大厦（前）。近日，在建“中国第一高楼”上海中心大厦主楼核心筒开始35层以上高度建设，主楼高度即将突破200米。10月10日，上海中心大厦将进行地下爆破拆除施工，地下5层开始进入最后施工阶段。2010年12月8日上午，由上海绿地集团投资建设的606米的武汉绿地国际金融城项目在武汉正式开工。上海绿地集团2011年6月21日下午在武汉首次公开介绍全球第三高楼606米武汉绿地中心大楼的设计方案。来自世界第一高楼迪拜塔设计团队的建筑师表示，将用先进的设计理念和技术，确保这幢超高建筑的安全性和节能性。美国AS+GG建筑设计事务所联合创始人艾德里安·史密斯（右）介绍:大楼主塔底座俯视图成“三瓣形”，是武汉三镇地势的抽象化体现；整个主塔外观呈流线型，下粗上细，顶部是一个光滑的穹体。为减小风压，主塔外部多处设有开槽，以便让风顺利通过。

美国捷得国际建筑事务所设计师大卫·罗杰斯则表示，武汉绿地中心大楼的群楼将引入更多自然光和自然风，以达到建筑节能的效果。2010年11月20日，由绿地集团投资80亿元开发建设的高度达518米的东北第一高楼——大连·绿地中心正式开工建设。

项目名称:大连绿地中心

项目地块:东港区B04,B14,B15地块

公寓占地面积:3.78万平方米

公寓建筑面积:27万平方米

公寓容积率:5.82

项目性质:商业、公寓

建筑高度:108F主塔518米,3栋49F公寓165.6米,2栋21F公寓83.7米

开发单位:大连绿地置业有限公司

2011年9月，北京第一高楼“中国尊”开工，共108层，高510米。中国尊，是计划成为北京最高的建筑，位于北京CBD核心区内编号为Z15地块正中心，其西侧与北京目前最高的建筑国贸三期对望，计划510米高，未来将被规划为中信集团总部大楼。于2011年9月19日启动。深圳平安国际金融中心中文名称：平安国际金融中心

英文名称：PINGANIFC建设地点：深圳市福田区01号地块，益田路与福华路交汇处西南角。建设单位：中国平安保险（集团）股份有限公司承建单位：中建一局集团建设发展有限公司开工时间：2009年8月（整理场地）。竣工时间：2014年。总用地面积：18931.74㎡。建设用地面积：18931.74㎡。总建筑面积：460665.0㎡，其中计容积率面积：388679.0㎡，不计容积率面积：71986.0㎡。规定容积率：20.00调整容积率：20.53建筑基底面积：12305.63㎡。塔顶高度：646米。主体高度：588米。建筑层数：地上115层,地下5层。结构形式：带外伸臂的混合结构。设计年限：50年天津117大厦【建设地点】：中国天津

【占地面积】：83万平方米【建筑面积】：183万平方米【建筑造价】：约270多亿元人民币【建筑层数】：地下3层地上117层【建筑高度】：597M世博园中国馆天津蜂巢广州西塔建筑总高度437.5米，地上103层，地下4层。广州电视观光塔整体高度达到600米，将取代加拿大的西恩塔成为世界第一高塔，其中塔身主体454米，天线桅杆146米。

苏州东方之门大连国贸中心大厦RC核心筒+方钢管混凝土柱78层，高度341m，7度抗震设防香港国际金融中心楼高415.8米，地上88层，但事实上建筑结构（蓝图）有90层楼，地下6层。香港环球贸易广场118层，484米。纽约自由塔芝加哥螺旋塔芝加哥“水”楼巴黎灯塔俄罗斯联邦大厦地下5层，地上93层，A塔建筑高度354米，连接两塔的观光电梯箭塔，包括天线总高为420米。俄罗斯塔北京新保利大厦千余平方米的大堂，无一根立柱，异常宽敞、通透，从下至上高达９０米，堪称“北京第一中庭”，２００６年底建成。CCTV大楼建筑面积－472,998平方米最大高度－234米层数－52地下室－18.2米地下层数－4钢结构－12.18万吨混凝土－30万立方米幕墙–10万平方米电梯–79部演播厅–32个工程造型新颖独特

主楼功能包括行政管理、综合业务、新闻制播、播送、节目制作以及分布在大楼内的员工服务和一系列技术功能区。电视制作的各个程序单元如商务,行政管理,新闻,广播及制作由一个连续的环线相互连接.容纳人数－10000空间分配

65%普通空间

12%特殊空间

14%车库(2800车位)9%机电+234.000m+194.000m75.165m+162.200m67.165m

两座塔楼整体向内双向倾斜6°，大悬臂结构的最大悬臂长度75.165m，平均高度56m，底部标高162.2m，顶面倾斜，与塔楼的顶面位于同一个倾斜面内。塔楼核心筒为全钢结构，外筒体为一完全支撑框架，由梁、柱及斜撑组成整体空间网状结构。在F37～F39层之间设有转换桁架。工程外部围护结构为钢结构网壳，是半椭圆球形，东西长轴212.2m，南北短轴143.64m，总高度46.285m。内设歌剧院（2416席）、音乐厅（2017席）、戏剧院（1040席）及公共大厅等。屋面采用钛金属板，整个网壳外环绕人工湖（35500m2）,各种通道及入口均设在水下。设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师，北京市建筑设计研究院参与主体设计，整体结构用钢量达6750t，195kg/m。现代高层建筑结构的发展现代高层建筑离不开新结构、新材料和新技术的发展，在一定程度上反映了一个国家、一个地区的社会和经济发展水平。一、结构的演变二、材料的进步三、技术的创新一、结构的演变1、钢结构钢铁作为建筑材料促进了轻骨架结构的发展，允许高度增加和内部大空间及大开窗。第一幢全钢框架结构建筑是1889年建于美国芝加哥的10层Rand-McNally大楼。

1895年，芝加哥另一幢最早的全钢框架结构Raliance大楼建成，15层，钢梁腹板开洞以穿过管道，梁柱刚接，内隔墙、电梯间和外墙板增加了结构的刚度，顶上10层钢框架仅用了14天就安装完成。2、混凝土结构钢筋混凝土结构在19世纪已经开始出现，但是发展十分缓慢，而且是间断的。最早的钢筋混凝土结构高层建筑是1903年建造的美国辛辛纳提城Ingalls大楼，16层，64m高。1922年，在达拉斯建成MedicalArtsBuilding，19层，70m高。直到1931年最高的钢筋混凝土建筑仅达到23层，即美国西雅图的Exchange大楼，其结构体系均为框架结构，与钢结构的最初体系类似。高层钢筋混凝土结构在二次大战后迅速发展。战后房屋的大量恢复重建，使许多国家采用了用钢量少、价格便宜、材料易得、施工简便的钢筋混凝土结构，尤其是钢筋混凝土剪力墙在工程中的应用，使高层钢筋混凝土结构体系出现了全新的发展。1959年，建成ExecutiveHouse，39层，113m高，框架—剪力墙结构。1965年，Khan设计的芝加哥Dewitt-Chestnut公寓大楼建成，43层，柱距1.5m，是第一幢钢筋混凝土框筒结构。同一时期，Khan提出了钢筋混凝土桁架筒的设计新概念。第一幢用Khan的概念设计的钢筋混凝土桁架筒是纽约780ThirdAvenue办公大楼，50层，174m高，1983年建成。Khan设计的钢筋混凝土桁架筒是芝加哥的OnterieCenter大楼，59层、174m高，周边框筒的柱距为1.68m，风荷载由桁架筒承担，不但充分利用了场地，而且造价比框架结构低20％，1984年建成，这也是Khan设计的最后一幢建筑。3、钢-混凝土混合结构钢-混凝土混合结构是指钢钩件、钢与混凝土组合构件和钢筋混凝土构件组合成的结构类型，这些构件的组合形式较多，从而可形成多种结构体系。这一结构可有效地发挥钢构件、钢与混凝土组合构件及钢筋混凝土构件各自的优点，使整体结构相比较，可减轻自重、施工速度有所加快、结构占用的面积和空间有所减少。Khan设计的新奥尔良市的第一贝壳广场(OneShellSquare)大楼，50层，212.4m，也是由钢骨混凝土梁和钢骨混凝土柱组成的框筒结构。在此以前，由于为软土地基，而且经常有飓风，人们认为新奥尔良市的建筑不能高于23层。该大楼的成功，证明了组合结构可以用于超高层建筑。休斯顿的第一城市塔楼(FirstCityTower)，49层、207m高，1982年建成，建筑平面为平行四边形，长边与短边的夹角为65°或115°，框架—核心筒结构，周边框架采用钢骨混凝土柱，核心筒的四角和纵横墙的交接处设置H型钢。休斯顿的德克萨斯商业塔楼(TexasCommerceTower)，75层、305m高，1981年建成，是当时休斯顿最高的建筑，也是当时世界上最高的采用组合结构的建筑。由三期北京国贸大厦的结构变化，可以看到我国高层建筑结构体系的发展。1989年建成的国贸一期为钢筒中筒结构。1999年建成的国贸二期(38层、160m高)的平面与一期相同，外钢框筒的柱距由3m扩大为9m，核心筒由全钢改为钢骨混凝土，结构体系变为框架－核心筒结构。2009年建成的国贸三期中央大厦，330m高，建成后为北京最高的建筑，采用框架－核心筒－伸臂结构。l-5层采用巨型支撑框架，6～63层为钢梁—钢骨混凝土柱框架，64层以上采用钢框架；钢筋混凝土核心筒的墙体内，43层以下设置钢骨。第5～7层、第39～41层、第63～65层设置了钢伸臂桁架。二、材料的进步高度的增加亦伴随着建筑重量的增加，重心的增高，从而增加了对竖向构件和地基的压力，对抗震也很不利。巨大的重量也意味着巨大尺寸的结构体与巨大的造价。因而减轻建筑的自重在安全、灵活使用及经济性等方面都有重要意义。休斯顿的贝壳广场大厦(oneShellPlaza)，地上52层，高218m，采用18KN/m3的高强轻质混凝土，至今仍然是世界上是最高的轻混凝土建筑。不仅减轻了自重，还使52层大楼的单价，与原计划采用普通混凝土的35层大楼单价相差无几。休斯顿的土质很差，基岩埋置很深，经常遭到飓风袭击，人们一直认为建造50层建筑是不可能的。高强混凝土是近50年来建筑材料方面最重要的发明创造。高强混凝土用于高层建筑有许多优点：减小柱的截面，增大可用空间，降低层高，减轻结构自重，降低基础造价等。1967年，芝加哥建成世界最早的高强混凝土高层建筑湖心大厦（LakePaintTower），70层，197m高，底层混凝土强度等级相当于C65。1971年，芝加哥建成水塔广场大厦(WaterTowerPlaza)，79层，262m高，25层以下柱的混凝土强度等级相当于C75。1990年，芝加哥建成311SouthWackerDrive大楼，70层，294.5m高，筒中筒结构，底层柱的混凝土强度等级相当于C95。高强混凝土用于地震区时，需要解决“脆”的问题，最好的解决方法就是将高强混凝土填充在圆形钢管内，成为钢管混凝土柱。SeattleGatewayTower，62层，平面为八边形，1989年建成，在两条长边各设置两根直径2.7m的钢管混凝土柱，柱之间设置X形大支撑，支撑竖向跨越10层楼，形成巨型支撑框架，作为抗侧力结构，管内混凝土强度为C80。西雅图的双联广场大厦(TwoUnionSquare)，58层，219．5m高