高层建筑结构发展现状及前沿发展方向
2 发展现状
2.1 高层建筑的发展特点
2.1.1 高层建筑发展迅速，数量多，分布广
社会生产力水平决定了高层建筑的建筑物高度和结构形式的发展，两者之间是高度密切相关的。抵御侵略的功能是古代各国建造高层建筑的最主要目的,随后修建高层建筑是因为宗教原因的目的,由于当时材料和技术的限制，高层建筑在古代都是采用木材和砖石材料,其内部相对使用空间较狭小，是因为建筑物的结构体系复杂并且材料教笨重。18世纪到19世纪末,以欧洲为主导的工业革命给世界的经济带来了繁荣和的飞速发展，生产力得到前所未有的提高。在这个时期,城市化发展水平提高，城市规模扩大并且迅速发展,城市人口数量急剧增长,导致城市中心的土地使用紧张。因此,为了满足城市人口的居住需求，必须在十分紧张的城市土地上建筑更多供人们居住地方，房屋建筑使用面积必须得到快速提升,所以在这种实际情况下，建筑物的高层不得不向更高的方向发展。同时在那个时期工业革命的兴起, 钢铁工业得到了快速发展,一批新型钢材料的出现为高层建筑的发展奠定了材料方面的基础。此外, 科学技术在那个时期也快速涌现，尤其是电梯的出现,为建造高层建筑提供了技术前提。高层建筑发展的必要条件可总结为以下三条:①钢材在钢铁工业高速发展时期技术得到提升,然后其被大量用于房屋建筑上;②土地资源在满足城市居住的发展中十分的紧张,同时生产力得到迅速发展;③电梯的发明。
1885年,美国芝加哥建造了史上第一座高55m、共10层的高层建筑——家庭生命保险大楼。从此半个多世纪的时间,高层建筑开始迅速发展。随后美国纽约建成了ParkRow大厦(高118m,共30层),被列为十九世纪前最高的建筑。由于不断改革的建筑体系,钢筋混凝土结构，建筑材料的不断发展，井喷式方法不断改善不断进步,高层建筑的命运已经不在受到材料和方法的限制,至此高层建筑在我们的大街小巷决然而起屹立不倒,并且不断的创造世界第一高度的新纪录。1935年帝国大厦于美国纽约建成(高250米,共102层)高层建筑的第二阶热潮段达到顶峰,此后41年内,帝国大厦犹如一个神话没人再能挑战。由于历史的变更第二次世界大战打响了，陷入混乱的世界,各方面行业的发展都停滞不前,建筑业当然也不例外。最终还是战争结束，建筑行业才慢慢复苏,20世纪末期高层建筑迎来了第二春。不论
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是宏观的经济繁盛，还是建筑业本身的完善，最终在共同的努力下高层建筑整体得到了提高。
到了20世纪80年代末期及90年代，我国高层建筑的发展进入黄金时期，无论是高层建筑的数量还是质量都得到了迅猛发展，高层住宅逐渐走进我们的生活，尤其以上海、深圳、广州、北京这几个城市为主，其中主要的高层建筑有：1998年的金茂大厦（如图1-1），其位于上海，共88层，高达420米，是当时我国最高的建筑;广州在1996年也建成了80层，高达391米的中信广场（如图1-2）;同一年，深圳也建成了384米高的地王大厦（如图1-3），其楼层数为69层；与此同时，香港也建成了两栋标志性的高层建筑，分别是中环广场（如图1-4）及中国银行大厦（如图1-5），前者为78层，高374米，后者为70层，高369米。2002年，世界最高建筑前十名我国已占了其中的5幢，而前100名则有17幢。
图1-1 金茂大厦
图1-2 中信广场
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图1-3 地王大厦
图1-4 中环大厦
图1-5 中国银行广场
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2.1.2 建筑高度不断增加，超高层建筑以混合结构、组合结构为主
由于这些复杂高层建筑结构的受力较为复杂，竖向及平面刚度突变，其一些特点超出规范的规定，因此，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010对这类复杂高层建筑结构的设计进行了规定。带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构和连体结构规范明确规定9度抗震时不应采用，这也是考虑到目前这类复杂高层建筑结构缺乏研究和工程实践经验，考虑到安全的问题，因此规定不得用于实际工程。出于同样的考虑，规范对剪力墙结构、框架-剪力墙结构、错层高层建筑的适用范围进行了限制，同时，考虑到连体结构连接体部位易产生严重震害，且这种不利状况随着高度的增加而愈加严重，因此B级高度高层建筑不宜选用连体结构。另外，由于实践表明B级高度高层结构当外筒框支层以上选用壁式框架时抗震性能比密柱框架更差，因此规范对其适用高度规定更为严格。
不同类型的复杂高层结构具有相应的特点，因此有必要对这些复杂高层结构进行分类。带转换层的高层结构一般多出现在商业住宅等，通常有底部被作为商业、大空间的厅堂、交通通道，上部则被用作酒店套房、住宅，或者底部被作为办公，而上部则被用于酒店需要设置大空间厅堂、大空间的套房等。这些建筑的竖向结构构件很多时候不能上下连续，需要采用转换层以实现上下的转换与过渡，但转换层结构容易造成竖向刚度突变以及竖向构件不连续，设计中应该留有充足的上、下连续并且落地的剪力墙或筒体。连体结构是指几幢高层建筑之间由架空的连体相互连接，连接体的跨度有几米长以至几十米长，有时建筑会有几个连接体，这使得建筑的竖向刚度发生突变，结构的扭转效应增大，且一些连接体的竖向地震作用会变得明显。另外，由于建筑外观的需要，还有些竖向收进和悬挑结构，除了需要考虑竖向刚度突变和高阶振型的问题外，还要考虑附加的倾覆力矩对结构的影响。如果结构带加强层，其能够比较好的增强整体结构的侧向刚度，使其满足设计的需要，但在加强层邻近楼层容易产生刚度和内力突变，对结构的抗震不利，因此需要谨慎选择加强层的数量、位置等。而平面不规则的结构可以分为平面形状不规则、抗侧力结构布置不规则以及楼盖连接比较薄弱三种，这类结构的共同特点是地震作用产生的效应会比较大，部分楼盖不能满足整体刚性楼板假定，承载力较弱，局部应力变形比较大，易形成薄弱部位。
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010有独立的复杂高层建筑结构设计章节，对比较常见的复杂高层建筑结构的设计和分析给出了较为详细的规定，如
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带转换层的高层建筑结构、带加强层的高层建筑结构、错层结构、连体结构、竖向体型收进、悬挑结构。自20世纪80年代始，尤其是90年代至21世纪初，新出现的现代高层建筑表现出了全新的面貌，无论是建筑艺术、建筑造型，还是建筑多功能、多用途方面都体现出创新性，其体型较之前更为复杂，内部空间也更为多变，而且往往是不规则结构，对结构工程师提出了新的挑战。但随着结构工程师的不断努力以及结构设计技术的不断发展，如今已建成大量的复杂高层建筑。 2.1.3 结构体型日趋复杂
仅仅满足实用，安全，经济的建筑物是远远不够的，追求美观也是现在社会的必然之路。我国建筑行业日益的发展，大部分的设计师已经不单单要满足业主的居住实用性，还要在建筑美观方面大下功夫，不断的改革创新。从而才有了今天市面上哪些千奇百怪的复合体高层建筑，进而让我过高层建筑在世界上有了一席之位。但是在美观的同时结构无非还是两种，一呢混合结构，二是新型体系结构。
（1）随着建筑高度的不断攀升，技术水平也不断提高。从结构上来说，目前超高层建筑大多采用钢结构或钢———混凝土组合结构，材料强度也在提高。值得关注的是，混凝土强度越大就越脆，不利于抗震。因此，有人在混凝土内加钢板或型钢，或在外面用加密箍筋、在钢管中注入混凝土以增加其抗震性能。目前，我们完成的最高建筑高度约五六百米，如果需要达到更高的高度，比如1000米的大楼呢？其实，从技术角度来说完全没有问题，但需要成本和材料的更多投入。我们怎么才能把楼房建得又高、投资又省呢？这就需要新材料、结构的新形式。
（2）标准化的建筑体系，即适应标准化建造的体系，要把整个体系、部品、连接设计好。建筑体系可以分解为筋、骨、皮、胆四大部分。“筋”即各类管线；“骨”即骨架，结构部分；“皮”是围护系统；“胆”是内部的装修，包括整体式卫浴等。要把这四部分标准化，组成标准化的体系。目前，标准化的建筑有以下几类：第一类是模块式标准化建筑。最大的模块就是把几个房间做成一个标准模块，如集装箱式房屋。第二类是板式标准化建筑，其中屋面板、楼板、墙板等是标准件。第三类是构件式标准化建筑，对建筑来说包括楼梯踏板等构件，对结构来说包括梁、柱等构件。如果标准化模块越大，越容易实现标准化的制作和建造，但不能适应建筑多样化的要求。模块越小，越容易实现多样化的要求，但不容易实现标准化建造，连接就是其中一个难点。
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