▲ 截止2021年，环球已建成的最高的二十座超高层建筑(@CTBUH)
我国的超高层建筑发展始于上世纪90年代。经由二十多年的发展培植，我国的超高层建筑也得到了迅猛发展。根据CTBUH最新统计，截止2021年，环球已建成的最高的二十座超高层建筑中，中国就占了11栋。
▲ 中国已建成的最高十大超高层建筑(@CTBUH)
大家可能都知道上海中央、上海环球金融中央、台北101等这些有名的超高层建筑。那么大家知道我国的这些最高的超高层建筑的构造是如何设计的吗？下面就随着
1 上海中央
建筑设计：Gensler & TJAD
构造设计：TT & TJAD
构造体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
上海中央大厦建筑高度632m，构造高度574m，主塔地上124层，裙房地上5层，地下5层，建筑面积约为57.8万平米。2009年开始施工，历时8年，上海中央大厦建筑总体正式全部落成。上海中央的高度环球第二，仅次于环球最高的迪拜哈利法塔(828米)。
▲ 上海中央竖向分区图
其平面为倒角的三角形形状，随着建筑高度不断旋转上升并均匀缩小，每层约旋转1度，共旋转120度，这种平滑光顺的非线性旋转性型体，可以有效降落构造的风荷载，通过风洞试验创造，这种体型降落了约24%的风荷载。
▲ 上海中央平面旋转上升示意图
塔楼抗侧力体系为“巨型框架—核心筒—外伸臂”构造体系。在8个设备支配了六道两层高外伸臂桁架和八道箱型环带桁架。由环带桁架和巨柱形成外围巨型框架。由8根巨型柱，四根角柱（仅支配在地下室及1-5区），8道两层高的环带桁架（位于各加强层）组成巨型框架。6道伸臂桁架分别位于2、4、5、6、7、8区的设备层处。
▲ 构造体系组成示意图(@tt)
环带桁架为双榀的箱型空间桁架，比较单榀的环带桁架，其对巨柱的约束效果基本不变，增加了环带桁架抗扭刚度。同时，在加强层还设置了一层高的径向桁架，将外侧悬挑的幕墙荷载通报巨型框架。
▲ 环带桁架及径向桁架示意图(@tt)
▲ 伸臂桁架示意图(@tt)
巨柱采取SRC巨柱，通过6道两层高的伸臂桁架将8根巨柱与核心筒联系起来，使核心筒与外框折衷变形，共同抵抗侧向荷载。4根角柱紧张是用来减小环带桁架的跨度，减缓外框的剪力滞后效应。
▲ 巨柱支配图(@tt)
巨柱的截面尺寸最大为3.7x5.3m，到顶部收为1.9x2.4m，1~6区巨柱采取王字型钢骨，7~8区 采取日字型钢骨。
▲ 巨柱内钢骨形式(@tt)
由巨柱和环带桁架组成的巨型框架，通过6道伸臂桁架与核心筒相连，使得巨型框架可以和核心筒有效协同事情。在水平荷载浸染下，核心筒承担了48%旁边的基底剪力及22%旁边的倾覆弯矩，巨型框架承担了52%旁边的基底剪力和78%旁边的倾覆弯矩。可以看到，巨型框架承担了紧张的水平剪力和绝大部分的倾覆力矩。
▲ 巨型框架与核心筒剪力与倾覆力矩分配比例(@tt)
▲ 上海中央
2 深圳安然金融中央
建筑设计：KPF & CCDI
构造设计：TT & CCDI
构造体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
深圳安然金融中央，建筑高度599.1m，构造高度562.2m，地上115层，地下5层，于2017年正式落成，目前是深圳最高的建筑，同时也是中国第二高以及天下第四高的建筑。
▲ 平面尺寸
建筑平面约为正方形，角部向内切角，底部平面尺寸约为65x65m，平面尺寸沿高度逐渐收进。构造体系采取“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”，巨型框架由8根巨柱、7道环带桁架以及巨型斜撑组成，并设有4道两层高的伸臂桁架，将巨型框架与核心筒折衷共同浸染。
▲ 构造体系组成
与上海中央类似，其环带桁架在正立面采取双榀环带桁架，角部采取单榀桁架。比较于单榀环带桁架，其截面较小，与巨柱的连接较为方便，如下图所示。
▲ 环带桁架示意图
巨柱采取异形截面的SRC柱，柱内采取王字型型钢。巨柱最大截面尺寸为6525x3200mm，到顶部收为3120x1400mm，含钢率为4%~6%，如下图所示。
▲ 巨柱支配及截面示意图
在水平荷载浸染下，核心筒承担的剪力与倾覆力矩比例分别为52.%和28.2%，巨型框架承担的剪力与倾覆力矩比例分别为47.5%和71.8%。可见，在伸臂桁架的协同浸染下，巨型框架承担了一半旁边的剪力和紧张的倾覆力矩，形成了有效的双重抗侧力体系。
▲ 深圳安然金融中央(@CTBUH)
3 广州周大福金融中央
建筑设计：KPF & GZDI
构造设计：ARUP & GZDI
构造体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
广州周大福金融中央（广州东塔），建筑高度530m，构造高度495.5m，地上111层，地下4层，于2016年正式落成，目前是中国第三高、天下第七高的超高层建筑。
▲ 建筑平面沿高度变革
主塔楼建筑平面底部为正方形，平面尺寸约为58x58m，在中上部平面收进，立面效果为节节收进，如上图所示。
▲ 构造体系示意图
构造体系采取“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”，设有4道两层高的伸臂桁架，分别位于F23~24、F40~41、F68~69、F93~95层。并设置了6道环带桁架。
▲ 伸臂桁架示意图
巨型框架由8根巨柱和6道环带桁架组成。8 根巨柱从地下室一贯延伸至办公区顶部(68 层)，之后减掉 1 根，余下 7 根连续延伸年夜公寓区顶。6 道刚度较大的双层空间环桁架充当巨型梁，能有效地提高外框的抗侧刚度，一方面可折衷外框架各竖向构件的变形差，使之受力均匀；另一方面还能将次构造上的竖向荷载通报到巨型柱上，有效减小巨柱在大风或罕遇地震浸染下受到的拉力；同时，环桁架还可作为巨型柱的侧向支撑，有效减小打算长度。环带桁架均为双榀桁架，如下图所示。
▲ 加强层示意图
▲ 环带桁架、伸臂桁架与巨柱及剪力墙的连接节点
巨柱采取CFT柱，截面尺寸底部最大为3.5x5.6m，到顶部收为2.0x1.5m，含钢率为4.5%~9.0%。F1~43层柱内混凝土采取C90高性能混凝土，F44~69层采取C80，别的采取C60。
▲ 巨柱截面示意图
▲ 巨柱钢骨示意图
外墙厚度从1800mm过渡到500mm，内墙厚度为750~400mm，B5~F32层，剪力墙外墙采取箱型钢板剪力墙，如下图所示。
▲ 单层与双层钢板剪力墙
水平荷载浸染下，核心筒承担了约78%的剪力和43%的倾覆力矩，巨型框架承担了约22%的剪力和47%的倾覆力矩。在伸臂桁架的约束浸染下，巨型框架与核心筒共同抵抗水平荷载，剪力紧张由核心筒承担，巨型框架承担大部分的倾覆力矩。
▲ 巨型框架与核心筒之间剪力与倾覆力矩分配
▲ 广州周大福金融中央(@CTBUH)
4 天津周大福金融中央建筑设计：SOM & ECADI
构造设计：SOM & ECADI
构造体系：带陡斜撑框架-核心筒-环带桁架
天津周大福，建筑高度530m，构造高度439.4m，地上97层，地下4层，于2019年正式落成，目前是中国第三高、天下第七高的超高层建筑。
▲ 竖向平面分布图
构造体系为“带陡斜撑和带状桁架的钢管（型钢）混凝土框架-钢筋混凝土核心筒构造”，未设伸臂桁架。
▲ 构造体系组成(@SOM)
外框由角柱、陡斜撑（斜柱）和普通边框柱组成。塔楼立面设置 3 道环带桁架，第一道设置在中部48M~L51 层。同时也实现下部办公区 9m 柱距到上部公寓和酒店区 4.5m 柱距的转换。别的两道环带桁架设置在 L71~L73 层和 L88~L89 层设备层，在核心筒顶部（471.15m~481.15m）设置一道帽桁架来缩小周边柱与核心筒之间的变形差。
▲ 环带桁架示意图(@SOM)
F1~49层办公区框架柱采取CFT柱，上部公寓和酒店区域框架柱采取SRC柱，中间通过第一道转换桁架进行转换，如下图所示。
▲ 框架柱示意图(@SOM)
核心筒外墙厚度沿高度从1500mm收到900mm，内墙厚度从顶到底均为800mm。核心筒外墙从F13 层开始收掉一个角，到 F33 收掉两个角。直至F 44 层全部收掉。核心筒在F45 层至F73层呈“井”字型，F73 层以上仅剩内墙，如下图所示。
▲ 核心筒收分示意图
▲ 天津周大福金融中央
5 北京中信大厦
建筑设计：KPF & BIAD
构造设计：ARUP & BIAD
构造体系：巨型框架—钢板组合剪力墙核心筒
北京中信大厦，建筑高度528m，构造高度515.5m，地上109层，地下8层。平面为方形，底部尺寸为 78m×78m，中上部平面尺寸为 54m×54m；同时顶部逐渐放大为 69m×69m，终极形成中部略有收分的建筑造型。于2018年正式落成，目前是中国第五高、天下第九高的超高层建筑。
▲ 范例平面图
▲ 巨型支撑筒承担的剪力分布图
项目初期的业态为办公、酒店、公寓等稠浊业态，因此，初期的构造方案是在酒店、公寓区采取密柱抗弯框架的形式，避免在酒店公寓区涌现斜撑，在办公楼层采取巨型斜撑的形式。后来随着业态的统一，构造体系才逐渐演化成现在的沿全高支配巨型斜撑的方案。
▲ 构造体系示意图 ▲ 构造体系示意图
终极的构造体系为巨型框架支撑外框筒+钢板组合剪力墙核心筒组成的双重抗侧力构造体系。外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架组成。其侧向荷载紧张外框的支撑筒与核心筒承担。
▲ 构造立面支配图
F1~6层采取异形多腔体巨型柱，位于塔楼平面四角，巨型柱在F7层开始分叉，由4根转换为8根，柱形状由六边形渐变为五边形、四边形，且柱截面逐渐变小。F7～F17层为六边形田字型巨柱；F18～F19层为五边形田字型巨柱；F20～F92层为四边形田字型巨柱；F93～F106层四边形箱型柱。底部柱截面约63.9m2，顶部柱截面约2.56m2。
▲ 异形巨柱分布示意图
▲ 异形巨柱分布示意图
由于外框筒沿全高设置了巨型支撑，外框筒的刚度得到了显著提高。对付一样平常楼层， 支撑承担的剪力占相应楼层的剪力约 40%～50% 。构造大多数楼层外框筒承担的剪力超过底部剪力的 20%。对付倾覆力矩而言，支撑筒分担了约67%的倾覆力矩。解释巨型支撑的设置，可以使得外框筒的空间浸染得到充分发挥。支撑筒发挥了紧张的抗侧浸染，成为第一道防线，核心筒内筒成为第二道防线。在实现多道设防的条件下， 降落了混凝土核心筒在罕遇地震下刚度退化、内力重分配对型钢外框架的不利浸染， 提高了却构的整体安全储备。
▲ 巨型支撑筒承担的剪力分布图
▲ 北京中信大厦
6 台北101大厦
建筑设计：CY Lee & Partners
构造设计：Evergreen Consulting Engineering & TT
构造体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
台北101大厦，建筑高度508m，构造高度438m，地上101层，地下5层。于2004年正式落成，目前是中国第六高、天下第十高的超高层建筑。
▲ 构造平面及剖面
构造体系采取“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”构造。底部平面尺寸约为63.5x63.5m。周边设置8根巨型CFT柱和12根小的CFT柱，巨柱截面从2.4x3.0m收到1.6x2.0m，钢板厚度由70收到50mm。在26层以上只剩下8根巨柱直到90层。从根本顶到26层为斜柱，设置三道双层高环带桁架，27层以上为直柱，每隔8层设置一道环带桁架。90层以上立面紧缩，设斜撑将外柱连接到内筒柱。
▲ 构造平面及剖面
内筒由16根箱形柱与斜撑形成桁架筒，延伸到95层，在9层以下钢柱与600mm厚的混凝土剪力墙浇筑成整体，96层以上退缩为4根柱子，为增加平面缩小后的构造刚度，从94层到99层在箱型钢柱内灌68.9Mpa的混凝土。
▲ 巨柱截面形式
▲ 台北101大厦
7 上海环球金融中央
建筑设计：KPF & ECADI & IMAE
构造设计：LERA & ECADI & MORI
构造体系：巨型框架—核心筒—伸臂桁架
上海环球金融中央，建筑高度492m，构造高度474m，主楼地上 101 层，地下3 层。于2008年正式落成，目前是中国第7高、天下第11高的超高层建筑。
▲ 范例平面支配图
▲ 上海环球金融中央的构造体系组成
上部构造同时采取以下三重抗侧力构造体系：1）由巨型柱，巨型斜撑（紧张的斜撑）和周边带状桁架构成的巨型支撑筒；2）钢筋混凝土核心筒（79层以上为带混凝土端墙的钢支撑核心筒）；3）联系核心筒和巨型构造柱之间的外伸臂桁架。
▲ 伸臂桁架及环带桁架(@LERA)
核心筒在 79 层以下为钢筋混凝土剪力墙，在 79 层以上则为钢支撑核心筒体系，其端部墙外包钢筋 混凝土。核心筒既承担重力荷载，又承担由风和地震引起的部分剪力和倾覆弯矩。为改进混凝土核心筒的延性，在钢筋混凝土核心筒每个角部沿墙体全高支配了型钢。
▲ 核心筒构成示意图(@LERA)
由巨型柱、巨型斜撑以及环带桁架组成的巨型框架空间浸染强，具有很大的抗侧刚度，在建筑底部的巨型框架承担了60%以上的倾覆力矩和30~40%旁边的水平剪力，而且与框筒比较，避免了剪力滞后效应的不利影响，也减轻了却构自重。
▲ 核心筒与巨型框架的剪力分布图(@LERA)
构造体系内外筒抗震防线的分布与传统框架-核心筒构造体系比较发生了明显的变革，巨型框架为紧张的抗侧力构件， 成为构造的第一道防线， 内部核心筒成为体系的第二道防线。
▲ 上海环球金融中央(@CTBUH)
虽然在该项目中设置了伸臂桁架，但是由于巨型框架的空间浸染已经发挥的较为充分，因此，与普通的框架-核心筒或框筒-核心筒构造比较，伸臂桁架所起的浸染已大大降落，因此伸臂桁架并未贯穿核心筒筒体。
8 环球贸易广场
建筑设计：KPF
构造设计：ARUP
构造体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
环球贸易广场，建筑高度484m，构造高度468.8m，地上108层，地下4层。于2010年正式落成，目前是中国第8高、天下第12高的超高层建筑。
▲ 建筑平面支配图
构造体系采取“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”，设置了一道混凝土伸臂桁架和三道钢构造伸臂桁架。
▲ 建筑立面图
▲ 环球贸易广场
9 长沙国际金融中央
建筑设计：王董国际有限公司 & ECADI
构造设计：ECADI
构造体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
长沙国际金融中央，建筑 高度452.1m，构造高度431m，地上94层，地下5层。于2018年正式落成，目前是中国第9高、天下第16高的超高层建筑。
▲ 构造体系组成(@ECADI)
构造体系采取“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”。共设置了2道X型伸臂桁架，分别位于建筑楼层27F~28F、54~55F。设置了5道环带桁架，分别位于建筑楼层 27F、44F、54F、64F、80F。五道环带桁架的设置，合营伸臂桁架，大大加强了却构整体刚度。
外框架由每边 4 个外框柱，每个角部设 1 个外框柱组成（外框统共 20 个柱），个中与核心筒角部对应的 8 根柱最大（底层 2600×2600）。部分外框柱在 70 层开始以小于 1:6 的斜率开始向内倾斜，以 合营建筑立面的高位收进。框架柱混凝土强度等级为从低区 C70 逐渐过渡至高区 C50。
▲ 范例平面支配图(@ECADI)
水平荷载浸染下，巨型框架承担的剪力约在7%~8%旁边，承担的倾覆力矩比例约为50%。解释核心筒承担了紧张的剪力，由于伸臂桁架的协同浸染，巨型框架承担了较大一部分的倾覆力矩。
▲ 长沙国际金融中央(@ECADI)
10 苏州国际金融中央
建筑设计：KPF & ECADI
构造设计：ECADI
构造体系：巨型框架-核心筒-伸臂桁架
苏州国际金融中央，建筑高度450m，构造高度399.1m，地上95层，地下5层。于2019年正式落成，目前是中国第10高、天下第19高的超高层建筑。
▲ 构造体系组成(@ECADI)
构造体系采取“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”，设置了4道伸臂桁架，5道环带桁架。伸臂桁架连接巨柱与钢筋混凝土核芯筒，折衷内外筒变形，有效提高了却构整体刚度。
▲ 范例平面支配图(@ECADI)
平面尺寸约为52.7x52.7m，沿建筑周边支配了8根巨柱以及8根角柱，巨柱通过伸臂桁架与核心筒相连，巨柱内型钢采取王字型型钢，角柱采取十字型型钢。
▲ 苏州国际金融中央(@CTBUH)
11 南京绿地紫峰大厦
建筑设计：SOM & ECADI
构造设计：SOM & ECADI
构造体系：框架-核心筒-伸臂桁架
南京绿地紫峰大厦，建筑高度450m，构造高度316.6m，地上66层，地下5层。于2010年正式落成，目前是中国第10高、天下第19高的超高层建筑。
▲ 三维模型及平面支配
框架柱采取型钢混凝土柱，直径在1750mm~900mm ，剪力墙厚度从500mm~400mm之间变革。
▲ 南京绿地紫峰大厦(@CTBUH)
▲ 伸臂桁架支配形式
构造体系采取“框架-核心筒-伸臂桁架”，在F10、F35、F60 处共设置了三道加强层。构造平面为等腰三角形，边长分别为75m和58m。核心筒也为等腰三角形支配。伸臂桁架支配在弱轴方向。
小结
末了，我们对上述海内已建成的最高超高层建筑进行一个大略的汇总，如下表所示。
▲ 海内已建成的最高超高层建筑
可以创造，87.5%的超高层建筑采取的都是“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”体系，通过伸臂桁架与环带桁架，使巨型框架与核心筒发挥协同浸染，共同抵抗水平荷载。
虽然中国近年来在超高层建筑领域发展迅猛，但是目前海内超高层建筑的设计还是紧张以国外有名事务所为主，海内设计单位在超高层领域方面任然是任重而道远。相信在不久的将来，我们与国外事务所的差距会越来越小。
参考资料：
[1] https://www.ctbuh.org/.
[2] 周建龙. 超高层建筑构造设计与实践[M]. 同济大学出版社.
[3] 高立人, 方鄂华, 钱稼茹. 高层建筑构造观点设计[M]. 中国操持出版社.
[4] 干系项目资料.
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