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摘要: 随着科技的发展，世界各地涌现出越来越多的超高层建筑，超高层建筑作为投资巨大的工程，其中结构造价所占比例较大，其造价受到其建筑体型、结构体系及结构材料的影响，同时还受到施工周期和施工方案等因素的侧面影响。通过对一些300米高度以上的超高建筑的结构及用钢量的初步统计和分析，帮助我们找到结构造价的平衡点，继而实施结构优化，从而让超高建筑更具经济性与安全性。
关键词： 超高层建筑结构；经济性；安全性
中图分类号：TU97文献标识码： A
最近几年来，我国的经济建设取得了举世瞩目成绩，各地超高层建筑层出不穷。据相关部门统计，我国每5天就有一座超高层建筑封顶，按照这个速度，我国未来10年内，将以1318座超高楼的成绩超越美国，成为全球第一。
超高建筑的特征为楼层高、建筑面积大、由于施工周期长，投资大，而这其中的结构造价往往就占了30%-35%，因此，针对超高建筑的结构造价，有利于降低投资成本。同时，也有助于推动全球可持续发展和绿色建筑的发展。本论文将从结构设计角度，对超高层建筑结构造价及安全性进行研究。
一、各种超高层建筑体型的安全性和经济性研究
1、高宽比型
在其它条件相同的情况下，超高建筑于风荷载作用下的建筑物基底倾覆力矩和建筑高度的平方成正比例，同时，其顶产的侧向位移和高度的四次方也成正比。超高层建筑的高宽比比普通建筑多出许多，其面临的最大问题便是抵抗水平力和侧移能力，因此，在超高层建筑的设计中，适当地增加宽度的方法能提高其安全性。
2、锥形化体型
锥形化体型的超高建筑，可通过截面在伸高过程中的收缩来降低风荷载作用下的漩涡脱落及横风向效果，同时提高结构抵抗水平力效率，从而有效地抵抗倾覆力矩和提升结构抗侧力的刚度。因此，锥形化体型的设计本身便具有抗风荷载力的安全性，属于具有较强安全性的设计，巴黎埃菲尔铁塔和上海东方明珠电视台都要是这样的结构，实现了建筑的美观性和安全性。
3、抗风体型
超过150m的建筑，都会受到风力的影响，因此，风荷载是超高层建筑主要的安全控制因素。在设计的过程中，可以采取“御风”体型或者“扭转”体型的设计来增加风荷载。
（1）“御风”体型
可通过建筑物高区立面开设洞口的方式来降低迎风面面积，将有助于降低基底风荷载和倾覆力矩，从而提升建筑的安全性。上海环球金融中心和大连绿地中心便采取了这个设计方案。这种“开瓶器”造型的“御风”型的设计，有效地提升了超高建筑的安全性。
（2）扭转体型
沿高度采取不断扭转的建筑体型有助于降低横风向引起的风荷载，同时还能降低涡洲脱落间的相关性和横风向动力响应。比如芝加哥螺旋塔便有效地令顶部加速度降低了80%；上海中心大厦的120°体型，有效地降低了60%的风荷载。而且这样的设计本身还能降低建筑结构的造价，上海中心大厦便合理地节省了6000万美元的结构造价。属于同时具有安全性和经济性的完美设计。
4、其它设计方案
除了以上设计方案，还可以通过流线形平面、钝化建筑角部以及沿高度逐步退台或者立面设置导流槽等的优化措施降低风载横风作用，在取得安全性的同时，获得较好的经济收益。
二、合理结构体系有助于提升超高建筑的安全性
1、抗侧力结构体系
超高层建筑水平荷载作用下倾覆力矩和高度关系证明：结构材料将随建筑的高度非线性剧增。这就需要提升上抗侧车结构体系效率，从而有效地降低结构造价。
西尔斯大厦起初的设计方案为框筒结构体系的效率值为61%，在引进建筑内部密柱深梁框架成为束筒体系后，达到了78%的效率值，大大降低了结构造价。上海金茂大廈则通过巨柱伸臂抗侧力结构体系，也达到了70%，都比框筒体系要优化。
2、楼盖体系
超高层建筑的楼盖体系结构高度也会极大影响结构造价。比如说50层的建筑，如果每层楼盖结构的厚度增加30CM，那么总楼层的高度就增加了18M，从而有效地增加了风荷载作用和抗震力。不过，楼盖跨度也会影响承重结构材料用量，从而增加建筑成本。因此，对楼盖结构高度必须经过精心的计算，从而满足安全性和经济性的共同需要。
三、优化施工方案降低施工周期
超高建筑的施工周期也是影响造价的一个关键因素，因此在施工的设计中，也要充分考虑这个因素。在天津津塔的设计中，塔楼结构体系为“钢管混凝土柱框架＋核心钢板剪力墙体系 (SPSW) ＋外伸刚臂抗侧力体系”。起初的设计由框架柱承担中竖向荷载，由于SPSW不承担竖向荷载，因此，必须要在主结构封顶后才能安装，这样的话，将让整个施工周期延长半年，与业主的预期相差太远，后来通过施工顺序的调整，采取了SPSW延迟主体结构15层，也就是当主体结构中的混凝土浇铸到16层后，便同步进行1层的SPSW。这个过程中为避免SPSW于竖向荷载时产生屈曲，加强了钢板剪力墙的方案，即增加用钢500吨，尽管这样令施工费用增加了600万元，但是却有效缩短了施工周期，节省了高达千万元的利息，总投资成本不升反降，安全性能更强，满足了业主的要求。
四、结语
在超高层建筑的总投资中，结构造价占了较大比例，因此，我们在对超高层的结构设计中，应该由概念设计着手，对建筑体型、结构体系、材料及施工方案等多方面预以综合的考虑，从而提升其经济性和安全性。通过以上分析，我们发现，建筑形体的优化往往能对结构的经济性起到重大的作用。
在对超高层建筑的结构设计时，我们应该充分重视风洞试验，从而改变国内超高楼设计中“重震轻风”的倾向。而风洞试验作为复杂体型建筑设计中对风荷载的重要依据，是十分重要的环节，能帮助我们确定横风向荷载及交应，从而提升超高层建筑的安全性。
参考文献：
[1]黄 艳.实现视觉与文化的可持续发展——浅谈北京高层建筑对城市景观的冲击及应对[J].城市规划，2014（4）P92-P96
[2]蔡咏梅.摩天大楼难逃“劳伦斯魔咒”[J].现代企业文化，2012（34），P46-P47
[3]吕 杨.高层建筑结构设计及结构选型探讨[J].城市建设，2012（34）
[4]武 燕.风荷载对高层建筑物的影响[J].城市建设理论研究（电子版），2010（15）
[5]岳盼.高层建筑结构设计问题分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2013(17)
关键词： 超高层建筑结构；经济性；安全性
中图分类号：TU97文献标识码： A
最近几年来，我国的经济建设取得了举世瞩目成绩，各地超高层建筑层出不穷。据相关部门统计，我国每5天就有一座超高层建筑封顶，按照这个速度，我国未来10年内，将以1318座超高楼的成绩超越美国，成为全球第一。
超高建筑的特征为楼层高、建筑面积大、由于施工周期长，投资大，而这其中的结构造价往往就占了30%-35%，因此，针对超高建筑的结构造价，有利于降低投资成本。同时，也有助于推动全球可持续发展和绿色建筑的发展。本论文将从结构设计角度，对超高层建筑结构造价及安全性进行研究。
一、各种超高层建筑体型的安全性和经济性研究
1、高宽比型
在其它条件相同的情况下，超高建筑于风荷载作用下的建筑物基底倾覆力矩和建筑高度的平方成正比例，同时，其顶产的侧向位移和高度的四次方也成正比。超高层建筑的高宽比比普通建筑多出许多，其面临的最大问题便是抵抗水平力和侧移能力，因此，在超高层建筑的设计中，适当地增加宽度的方法能提高其安全性。
2、锥形化体型
锥形化体型的超高建筑，可通过截面在伸高过程中的收缩来降低风荷载作用下的漩涡脱落及横风向效果，同时提高结构抵抗水平力效率，从而有效地抵抗倾覆力矩和提升结构抗侧力的刚度。因此，锥形化体型的设计本身便具有抗风荷载力的安全性，属于具有较强安全性的设计，巴黎埃菲尔铁塔和上海东方明珠电视台都要是这样的结构，实现了建筑的美观性和安全性。
3、抗风体型
超过150m的建筑，都会受到风力的影响，因此，风荷载是超高层建筑主要的安全控制因素。在设计的过程中，可以采取“御风”体型或者“扭转”体型的设计来增加风荷载。
（1）“御风”体型
可通过建筑物高区立面开设洞口的方式来降低迎风面面积，将有助于降低基底风荷载和倾覆力矩，从而提升建筑的安全性。上海环球金融中心和大连绿地中心便采取了这个设计方案。这种“开瓶器”造型的“御风”型的设计，有效地提升了超高建筑的安全性。
（2）扭转体型
沿高度采取不断扭转的建筑体型有助于降低横风向引起的风荷载，同时还能降低涡洲脱落间的相关性和横风向动力响应。比如芝加哥螺旋塔便有效地令顶部加速度降低了80%；上海中心大厦的120°体型，有效地降低了60%的风荷载。而且这样的设计本身还能降低建筑结构的造价，上海中心大厦便合理地节省了6000万美元的结构造价。属于同时具有安全性和经济性的完美设计。
4、其它设计方案
除了以上设计方案，还可以通过流线形平面、钝化建筑角部以及沿高度逐步退台或者立面设置导流槽等的优化措施降低风载横风作用，在取得安全性的同时，获得较好的经济收益。
二、合理结构体系有助于提升超高建筑的安全性
1、抗侧力结构体系
超高层建筑水平荷载作用下倾覆力矩和高度关系证明：结构材料将随建筑的高度非线性剧增。这就需要提升上抗侧车结构体系效率，从而有效地降低结构造价。
西尔斯大厦起初的设计方案为框筒结构体系的效率值为61%，在引进建筑内部密柱深梁框架成为束筒体系后，达到了78%的效率值，大大降低了结构造价。上海金茂大廈则通过巨柱伸臂抗侧力结构体系，也达到了70%，都比框筒体系要优化。
2、楼盖体系
超高层建筑的楼盖体系结构高度也会极大影响结构造价。比如说50层的建筑，如果每层楼盖结构的厚度增加30CM，那么总楼层的高度就增加了18M，从而有效地增加了风荷载作用和抗震力。不过，楼盖跨度也会影响承重结构材料用量，从而增加建筑成本。因此，对楼盖结构高度必须经过精心的计算，从而满足安全性和经济性的共同需要。
三、优化施工方案降低施工周期
超高建筑的施工周期也是影响造价的一个关键因素，因此在施工的设计中，也要充分考虑这个因素。在天津津塔的设计中，塔楼结构体系为“钢管混凝土柱框架＋核心钢板剪力墙体系 (SPSW) ＋外伸刚臂抗侧力体系”。起初的设计由框架柱承担中竖向荷载，由于SPSW不承担竖向荷载，因此，必须要在主结构封顶后才能安装，这样的话，将让整个施工周期延长半年，与业主的预期相差太远，后来通过施工顺序的调整，采取了SPSW延迟主体结构15层，也就是当主体结构中的混凝土浇铸到16层后，便同步进行1层的SPSW。这个过程中为避免SPSW于竖向荷载时产生屈曲，加强了钢板剪力墙的方案，即增加用钢500吨，尽管这样令施工费用增加了600万元，但是却有效缩短了施工周期，节省了高达千万元的利息，总投资成本不升反降，安全性能更强，满足了业主的要求。
四、结语
在超高层建筑的总投资中，结构造价占了较大比例，因此，我们在对超高层的结构设计中，应该由概念设计着手，对建筑体型、结构体系、材料及施工方案等多方面预以综合的考虑，从而提升其经济性和安全性。通过以上分析，我们发现，建筑形体的优化往往能对结构的经济性起到重大的作用。
在对超高层建筑的结构设计时，我们应该充分重视风洞试验，从而改变国内超高楼设计中“重震轻风”的倾向。而风洞试验作为复杂体型建筑设计中对风荷载的重要依据，是十分重要的环节，能帮助我们确定横风向荷载及交应，从而提升超高层建筑的安全性。
参考文献：
[1]黄 艳.实现视觉与文化的可持续发展——浅谈北京高层建筑对城市景观的冲击及应对[J].城市规划，2014（4）P92-P96
[2]蔡咏梅.摩天大楼难逃“劳伦斯魔咒”[J].现代企业文化，2012（34），P46-P47
[3]吕 杨.高层建筑结构设计及结构选型探讨[J].城市建设，2012（34）
[4]武 燕.风荷载对高层建筑物的影响[J].城市建设理论研究（电子版），2010（15）
[5]岳盼.高层建筑结构设计问题分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2013(17)