高层金融建筑结构设计及相关技术

　　一、高层金融建筑。

　　随着现代金融业的高速发展，普通的金融类办公楼已经很难满足日益增长的需求。伴随着金融业发展的正是现代高层金融建筑的飞速发展，那么比之于传统的金融建筑，高层金融建筑有什么突破呢？ 现代高层金融建筑大都位于都是繁华地，是金融的集中体现，有时甚至是地区的标志性建筑。建筑整体趋于体量高大、功能设计多样化、结构全能化、技术更加创新。由于层数更多，在建筑设计上要面临诸多问题，例如，建筑的沉降、消防安全、抗震以及风荷载等等。高层金融建筑在设计之初，就要考虑所有可能出现的问题。本文将以上海环球金融中心大厦为例，针对高层金融建筑的问题进行探讨和分析。

　　该建筑位于上海浦东新区陆家嘴核心地段，总建筑面积达 38.16 万平方米，楼高 492 米。共 101 层，地下 3 层~地下 1 层约有 1100 个停车位，地下 2 层~地下 3层为商业设备，3 层~5 层为会议室，7 层~77 层为金融商业写字楼，在 79 层~93层是超五星级的宾馆，94 层~101 层设计为旅游观光层，在 472 米高的是世界最高观光厅--观光天阁。与在建的上海中心大厦和金茂大厦形成“三组鼎立”的局面。结构形式为钢筋混泥土结构（SRC 结构）以及刚结构（S 结构），巨型柱、巨型斜撑和周边带状桁架所构成的巨型结构体系支撑着之歌巨型大厦。

　　二、高层金融建筑结构设计。

　　1、基本设计参数。

　　根据对岩土的勘察报告中指出，该地区的土质分析，土质中含有大量粘土，形成于浅海相碱性水介质环境，PH=8 左右。所含矿物质化学成份的硅铝率K=6.0524. 对该建筑的结构设计基准期为 50 年，要求一级的安全等级，设置 7度的抗震设防烈度，规定周期为 0.9s 的场地特征，建筑场地的类别要求至Ⅳ类，对基本地震加速度设为 0.1g,达到了类别为乙类的抗震设防类别，设计地震分组的第一组。

　　2、结构体系。

　　（1）上部结构之巨型支架。

　　该建筑在建筑工程的上部结构采用三重抗测力的结构体系，巨型支架、核心筒以及外伸臂的结构，是绝大多数高层建筑都采用的结构体系。其中材料测试采用稳固性更强的混合结构--钢结构和钢筋混凝土。巨型支架的主要框架是由巨型柱为主要结构柱，巨型柱是钢骨混泥土的组合结构，钢骨的截面是用热轧性钢或是焊接形成的，位于整栋建筑法的主要外部角落，可以极大地抵抗来自地区风和地震的荷载。辅以巨型斜撑为主要斜撑，这里的巨型斜撑是钢管混凝土结构，其截面是由而两块的大型竖向翼缘板和两块水平放置的连接腹板共同组成。

　　（2）上部结构之核心筒。

　　该建筑中特殊的周边带状桁架，从大楼的底部向上延伸，高度有一层楼高，是由焊接箱截面和热轧宽翼缘型的钢架组成。这些带状桁架从侧面减少了高层相邻两柱之间的垂直位移，同时也为结构整体消化了内部的多重重力挤压。采用钢筋混凝土的核心筒是大楼的核心支撑，79 层以上海采用了带混凝土的端墙设计的钢支撑核心筒。这主要是由于建筑在平面上的限制，所以在内部核心筒的 57~61层到 79 层进行了更换，采用倒插三层的方式进行转换，为了防止出现错位，还在搭接的所有楼层部位加强了楼板厚度，也有利于荷载在各部位之间的有效传递。

　　（3）上部结构之外伸臂。

　　为了连接核心筒和巨型结构柱，在外围构架了桁架结构，是该建筑的外伸臂，有巨型柱和混凝土核心筒相连脚部之间的三层楼高的连接桁架构成。这一结构主要是解决建筑布局中无法达成外伸桁架直接通过核心筒的问题，所以，在设计时，在墙中埋置一道环装的圈桁架，满足外伸桁架所需要的后座跨力。

　　1、楼面体系的构建。

　　考虑到标准承租层的各种楼面体系，该建筑采用了两种类型的钢承板组合式的楼面，由较薄一面 2W 和较厚一面 3W 楼面体系组合而成。在设备层以及相邻上面一层的对外承租层使用的是较厚的钢承板楼面，厚度为 200mm,是为了改善这一块承租设备层的隔音效果。在楼体 79 层~93 层的宾馆层则是采用 200mm 厚的另一种混凝土的楼面。

　　2、主楼顶部。

　　楼梯的几何设计延伸到楼顶，完美呈现刀锋式的构架。该建筑在设计之初，就考虑到主楼顶部的最大特色的圆形缺口要安装观光轨道车系统。主楼的顶部空间承载着轨道系统，是该轨道系统的支撑框架。支撑框架的材料大部分采用管状截面的杆件，节省了轨道车系统在空间上的占有率，同时还能使其安全的装在钢管构成的框架上。

　　3、设计中特殊问题的解决。

　　在设计分析整体结构的弹塑性时程时采用了两种新的非线性的宏观单元，一种是传统的梁柱单元，另一种则是墙单元。两种不同的宏观单元同时通过相同编制高层钢筋混凝土结构弹塑性时程的分析程序来对结构进一步弹塑性的动力时程分析，将结果与标准的计算结果进行比较。另一方面，对结构型进行静力的弹塑性分析整体钢结构、混凝土梁柱以及斜撑，将建筑的核心筒假设为壳单元，利用程序 SATWE 等进一步分析扭转、风荷和地震对其作用。

　　三、新技术分析探讨。

　　1、振动台设计。

　　考虑到该建筑所处的位置以及地下土层，以及结构体系建筑的复杂性，设计了模型化的建筑整体结构振动台试验，提出了简化的模型方法。选取缩小尺寸的模型进行振动台试验，利用系统程序 ANSYS 对简化的模型进行设计和计算，得出结果并测量抗震性，验证建筑整体的可行性。在模型的测量中，利用相似关系设置震动参数，确定相似比，利用建造的相同材料和对照同样的施工条件，在类比相似的条件下对建筑的模型进行 1:1 的测量，最后收集所有数据，整合到系统程序中得出结果。

　　2、风荷载研究。

　　该建筑处于风力季节性的地区，为了得出其风力对建筑的影响，对建筑表面常态和动态进行了压力试验，以及风环境的进一步测试分析。设定了风荷载即风速达 43.7m/s,阻尼比为 2%,还考虑到周边环境的未来设定，进一步的风荷载即风速达 46.3m/s,阻尼比为 2.5%的设定，对建筑的将来承受进行测定。

　　四、总结。

　　目前越来越多的高层金融建筑涌现，上海环球中心的建造于设计令人叹为观止。关于高层金融建筑的结构设计也在不断创新，不断地刷新、打破前面的历史记录，对于新技术，人们一直在进一步的探索，同时在大量的数据测定之后应用到高层建筑中，构成今天我们所看到的一栋又一栋摩天大楼。

　　参考文献。

　　[1]本格尼· S·塔拉纳特。高层建筑钢、混凝土组合结构设计[M].罗福午，方鄂华，王娴明，等译。北京：中国建筑工业出版社，1999.309-335.

　　[2]何广乾。建筑结构优秀设计图集（2）[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.3-56.

　　[3]刘永添，王祖华。高层建筑下部重载柱设计[J].建筑结构，2000,30（6）： 37-40.