超高層寫字樓技術研究及對策

作為房產(chǎn)開發(fā)企業(yè)對于開發(fā)產(chǎn)品的前期技術研究至關重要，如何以科學務實的精神對待所開發(fā)的產(chǎn)品，確保產(chǎn)品定位的準確；使用功能的科學、先進；成本控制的有效、合理，直接關系到項目開發(fā)的成敗。產(chǎn)品的技術特征更是維持物業(yè)產(chǎn)品在中長期保持同類領先水平的重要因素。

本文意圖通過對近期國內(nèi)在建和竣工的若干有代表性的超高層建筑的研究和分析，對 “珈鼎國際”超高層辦公樓的結構體系、電梯配置選擇和消防等幾方面探討相應的對策。

一、“珈鼎國際”項目簡介

“珈鼎國際”是珈鼎置業(yè)公司將于近期開發(fā)的一個大型項目，位于長沙市開福區(qū)原湖南新華印刷一廠廠址，南臨湘春路，北望留芳嶺路，東臨芙蓉路，西接蔡鍔北路，地塊南北方最大尺寸約120m，東西向最大尺寸約370 m，擬建設成大型建筑綜合體，集超高層寫字樓、商務公寓、購物中心、商業(yè)街、大型超市、大型地下停車場為一體的綜合性商業(yè)、商務開發(fā)項目，其中超高層寫字樓建筑面積約9萬平方米，地上54層，地下4層，塔樓平面尺寸45.2×45.2m，塔樓主高度218m，第51層以上附加3層設備層，結構總高230m。地下室埋深約17m。裙房平面尺寸92×50 m，裙房5層。

二、結構體系研究和分析

（一）案例研究：

1.廣州珠江新城西塔：用途為寫字樓、酒店，主塔樓面積約25萬m²，103層，高432m，高寬比6.9—6.9。平面為圓角等邊三角形，70層以下為寫字樓，以上為酒店和公寓。塔身沿豎向在中部略為外鼓。采用混合筒中筒結構，鋼筋混凝土內(nèi)筒為不等邊六角形，70層以上取消全部內(nèi)墻而形成酒店的中庭。外筒為新型的鋼管混凝土棱形斜交網(wǎng)格筒。樓蓋采用鋼梁和鋼筋混凝土板。

2.廣州珠江城：用途為寫字樓。主塔樓面積約21萬m²，71層，高309m，高寬比8.4，平面為微彎曲長方形。結構采用鋼筋混凝土——鋼混結構，內(nèi)筒為鋼筋混凝土，外周為鋼框架，由于內(nèi)筒短向尺寸小且外框架柱兩道內(nèi)收，造成短向抗側(cè)力能力不足，為此采用了兩種措施，其一是加設兩道伸臂桁架并利用之以解決外柱內(nèi)收的連續(xù)問題，其二是在短向兩側(cè)各設一榀帶巨型交叉支撐的框架。

3.天津津塔：用途為寫字樓。主塔樓面積約20萬m²，75層，高333m，高寬比約8。平面為橢圓形，周邊成鋸齒狀，平面沿豎向逐步收小。結構體系為框架由于短向剛度比較單薄，因而設置了4層伸臂桁架及相應的腰桁架。

4.廣州合景大廈：用途為寫字樓。總建筑面積約11萬m²，樓高41層，高178m，正立面幕墻高出屋頂20m，高寬比6.3。采用鋼管混凝土柱鋼梁框架——鋼支撐結構，鋼梁和鋼筋混凝土板組合樓蓋。由于鋼框架筒偏置，通過強化筒內(nèi)側(cè)一邊剛度和弱化外側(cè)一邊剛度，另在平面長向兩端框架的中間跨加設每4層一道的交叉支撐以解決扭轉(zhuǎn)問題。

（二）案例分析：

從以上幾個案例可以看出，當前超高層建筑的結構形式體現(xiàn)出以下一些發(fā)展趨勢。

1.多種結構形式同時使用

由于建筑規(guī)模大，形式變化多樣，單一的結構體系如框架結構，剪力墻結構或筒體結構等往往已不能滿足結構布置和受力的需要，因而一般都同時使用多種結構形式，或者在常用結構形式上補充其他結構，將之組織成整體，共同受力。例如，廣州合景大廈在鋼管混凝土柱框架的基礎上，在不同部位加設斜支撐和交叉支撐；天津津塔在鋼管混凝土柱框架的部分跨內(nèi)填充鋼板組成帶邊框鋼板剪力墻等等。此外，也常常加設伸臂桁架和腰桁架來加強結構。

不同的結構采用不同材料，由于同時使用多種形式的結構，因而形成同一棟建筑同時使用多種材料，成為混合結構，一般是同時使用鋼筋/型鋼混凝土和鋼的居多。

2.使用強大的抗側(cè)力結構

規(guī)模大特別是高度高的建筑，對結構的抗側(cè)力能力要求也高，因而隨之出現(xiàn)了一些抗側(cè)力能力很強的結構形式。

例如，廣州西塔的外筒，它是由鋼管混凝土柱斜交組成的網(wǎng)格筒體。一般框架結構主要是通過構件的抗彎能力來抵抗側(cè)力，加上它是由軸向強度很高的鋼管混凝土組成的，因而這種網(wǎng)格筒具有強大的抗側(cè)力能力，同時它還具有很強的抗扭能力，因為它也是通過軸力來抗扭的。

桁架具有比框架較好的抗側(cè)力能力，尺寸巨大且桿件粗大的桁架就具有強大的抗側(cè)力能力。這種結構也被用于超高層建筑的結構中。例如，廣州珠江城在其長向兩側(cè)各設一榀覆蓋整個側(cè)面的巨型斜撐框架，解決了整體結構短向的抗側(cè)力問題；廣州合景大廈也在兩側(cè)面的框架中加設了交叉支撐來加強整體抗側(cè)力能力。設置于平面兩側(cè)的強大抗側(cè)力結構，同時能增強整體結構的抗扭能力，用這種措施解決了內(nèi)筒偏置而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的問題。

3.傳統(tǒng)結構形式的變形

由于建筑形式的多樣化，往往需作必要的變化才能配合建筑的需求。

核心筒仍然是較多使用的結構。對于一般建筑，它通常是形式沿高度不變，僅截面逐步收小。但有些高度較大的建筑，由于建筑沿豎向劃分功能段或逐步改變平面形狀，就使得核心筒需要隨之變化，因而往往出現(xiàn)分段變化的核心筒。例如，廣州西塔下段為寫字樓，具有完整的核心筒，但上段是酒店，核心部分改為高大的中庭而取消所有筒內(nèi)墻；上海金茂大廈也有此情況；上海環(huán)球金融中心隨著建筑平面逐步收縮，核心筒從下而上由方形變?yōu)榱切卧僮優(yōu)楠M長六角形。又如，高寬比較大的高層建筑常用伸臂桁架，它原來的功能是加強抗側(cè)能力減小水平位移，但有時卻被同時或單獨用來作結構轉(zhuǎn)換或者裝置粘滯阻尼器之用；廣州珠江城就是用伸臂桁架來轉(zhuǎn)換外框柱內(nèi)收的豎向連續(xù)問題。

4.結構構件有相應的進展

為了適應新的結構形式，相應地也發(fā)展了一些構件。使用最多的是鋼管混凝土，這種結構較早時已有應用，由于它具有強大的抗壓能力，主要用于柱。近來使用更為普遍，而且不僅用于柱，還用以組成新的結構形式，或用作某種結構的桿件。例如，珠江新城西塔的外筒就是用鋼管混凝土作為構件組成的；廣州新電視塔也采用鋼管混凝土斜柱；天津津塔和合景大廈用的都是鋼管混凝土柱和鋼梁組成的框架。

另一種較新的構件是鋼板剪力墻。例如，天津津塔平面中央豎向交通部分用的是鋼管混凝土柱和鋼梁組成的框架，在短向各榀和長向框架部分跨內(nèi)填充鋼板成為帶邊框鋼板剪力墻。這種剪力墻不參與承擔重力荷載，僅通過斜向拉力承擔水平剪力。鋼板剪力墻比鋼筋混凝土剪力墻重量輕，占用面積小，抗剪能力強，但要通過節(jié)點設計或施工措施來解決不承擔重力荷載問題。

組合構件也比較多用。包括壓型鋼板與混凝土的組合樓板、鋼梁與混凝土樓板的組合梁等。鋼筋混凝土結構中，當某部位受力很復雜而不好布置鋼筋時，也會用鋼板代替鋼筋通過栓釘與混凝土構成組合結構，為了提高鋼筋混凝土柱的軸向承壓力而在其內(nèi)設置鋼管混凝土芯柱等。

5.節(jié)點形式和構造趨于復雜

由于結構復雜，而且往往使用不同材料的構件，再加上建筑設計要求的提高，使節(jié)點變得越來越復雜。特點之一是，相交于同一節(jié)點的構件數(shù)量較多，而且往往是不同材料的構件；特點之二是，由于結構設計控制整體工作狀態(tài)的需要而規(guī)定節(jié)點的工作性能，如剛接、鉸接或滑動等；特點之三是，設計中考慮使用或美觀的需要而對節(jié)點的外形有所限定，使節(jié)點設計受到相當?shù)募s束。上述的特點加上節(jié)點設計必須遵循的原則造成節(jié)點設計的難度增大。

（三）“珈鼎國際”項目的結構體系對策：

1.結構體系

在6度區(qū)，框架——剪力墻結構體系較多適用于160 m高層建筑；框架——核心筒結構體系適用于210 m高層建筑；筒中筒結構體系適用280 m高層建筑。根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2002，抗震設防B級烈度為6度的框架——核心筒結構體系，B級高度鋼筋混凝土高層建筑最大適用高度為210m。綜合考慮，“珈鼎國際”超高層辦公樓結構體系適合采用框架——核心筒——伸臂結構體系，屬于B級高度超限高層建筑。“珈鼎國際”平面布置比較規(guī)則、對稱，豎向抗側(cè)力構件上、下貫通，核心筒分三級向里收縮，豎向剛度有突變。從結構體系的經(jīng)濟合理性來看，“珈鼎國際”目前的定位和平面功能布置是非常合理的。

2.加強層的設置

設置加強層位置和數(shù)量要合理有效。當布置一個加強層時，位置可設在0.6H附近；當布置2個加強層時，位置可在頂層和0.5H附近；當需要布置3個加強層時，位置可在豎向均勻設置。“珈鼎國際”可利用建筑避難層或設備層設置3個加強層，加強層伸臂和窗裙梁可采用普通鋼筋混凝土大梁，伸臂梁底滿足建筑高度要求。

3.水平構件

樓蓋結構形式有鋼架+壓型鋼板復合樓板、鋼梁+普通混凝土樓板和普通混凝土梁板結構。普通混凝土梁板施工技術要求低，混凝土用量差別不大，成本較低。“珈鼎國際”可以采用普通混凝土梁板結構。

4.豎向構件

“珈鼎國際”可以采用鋼筋混凝土實腹筒體。鋼筋混凝土實腹筒體剛度大，適合承擔大樓大部分剪力和傾覆彎矩。外圍框架擬采用圓形或矩形鋼管混凝土柱，這兩種形式柱造價較低，占用建筑空間較少，施工技術要求比較低。

5.基礎形式

超高層建筑豎向荷載大，水平作用大，豎向和水平方向變形較大。因此，基礎形式必須保證滿足足夠的強度，合理的剛度和變形及抗傾覆要求。“珈鼎國際”基礎根據(jù)地質(zhì)情況，經(jīng)技術經(jīng)濟分析比較，可以采用底板+樁基礎形式。

三、電梯配置調(diào)研和分析

（一）案例研究：

1.超高層寫字樓電梯可分成以下幾類：

（1）高區(qū)辦公專用電梯

（2）中區(qū)辦公專用電梯

（3）低區(qū)辦公專用電梯

（4）消防電梯（兼貨運電梯或VIP電梯）

（5）地下室短程接駁電梯

2.電梯的配置標準：

電梯的配置是衡量寫字樓等級的硬性指標之一，直接關系到入駐客戶的辦公效率和對寫字樓的滿意程度。與電梯配置有關的因素包括：建筑種類及用途、電梯服務樓層數(shù)、樓層高度、電梯的行程、入口樓層、每層人數(shù)。

電梯配置的甲級評價標準：每部電梯服務的辦公面積約5000平方米（或3層/臺），平均候梯時間約40秒鐘，電梯5分鐘載客率在11%—15%之間。平均候梯時間和5分鐘載客率是最重要的兩個參數(shù)。

辦公建筑的電梯主要是滿足上行高峰，一般來說，如果能夠滿足上行高峰，那么就具備午餐時間和下行高峰1.2到1.8倍的處理能力。

3.調(diào)研中國部分城市大廈電梯配置情況如下表：

（二）案例分析：

    綜合以上案例電梯數(shù)據(jù)及技術狀況，我們可以得到以下幾方面的結論：

1.OTIS、迅達、蒂森、通力、三菱為全球電梯行業(yè)五強企業(yè)，以北京為例，北京甲級寫字樓配備電梯的品牌多集中在三菱（Mitsubishi）、奧的斯（Otis）、日立（Hitachi）、迅達(Schindler)、富士達（Fujitec）、蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）、通力（Kone）等進口品牌。日本三菱、美國奧的斯和日本日立三大品牌占據(jù)了整個市場的2/3。從目前幾大廠商的情況來看，安裝質(zhì)量決定了電梯運行質(zhì)量，由于所有電梯企業(yè)的安裝都屬于分包性質(zhì)，所以選擇合作伙伴非常關鍵。

2.目前主流電梯采用VVVF或永磁同步技術。進口電梯的任何品牌都是全球采購，其鈑金部分基本都是國產(chǎn)，包括轎廂、轎廂門等，如原產(chǎn)三菱其轎箱都是在上海三菱生產(chǎn)；進口的只有軌道、電引機、控制箱。

3.有的電梯（迅達）有層選擇功能，即在首層按下自己要到達的樓層，會得到選擇哪部電梯的指示。但應用很少，原因在于：乘客一般不習慣，需要學習； 萬一上錯梯則不能到達目的樓層，且沒有修正機會。

4.雙層轎箱電梯的應用：必須在1、2樓分別設單、雙層大堂，之間用扶梯聯(lián)系。優(yōu)點：減少梯數(shù)，減少井道； 平均運行時間與單層電梯比差不太多但運力倍增；可能給2層商業(yè)帶來人流。 缺點：平均等待時間延長；相鄰層交通不便；造價高昂，一部梯重3.2噸，比平常梯1.6噸貴1倍以上，且產(chǎn)量少，使用少，屬于定制，價格很高。

5.通過對深圳市中心區(qū)卓越、榮超和星河等專業(yè)超高層寫字樓類似項目的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)：全部選擇3段X5梯或4段X4梯的方案，且電梯載重全部選用1350㎏，實際使用時除上班高峰比較擁擠以外，其他時候都能滿足需要。而上行高峰時可以采取“上行優(yōu)先”的電梯群組控制方式，大大提高電梯運行效率和載客量，也完全可以解決上行高峰問題。

6.速度較高的電梯運行時間較短。而載重越大，意味著進出轎廂所耗費的時間相對較長，同時停站的次數(shù)比載重小的轎廂更多。因此會影響電梯的運行周期時間。在增加電梯載重也沒有很大改善5min載客率的情況下，應優(yōu)先選擇電梯載重1600㎏或1350㎏為合理。

（三）“珈鼎國際”項目的電梯對策：

“珈鼎國際”超高層寫字樓6—51層為辦公層，每層面積約2000平米，每層用戶為約116人（即按每層的使用面積為70%，且每人占用12平米計算），則辦公總?cè)藬?shù)為4988人。經(jīng)過計算，使用15臺客梯提供垂直運輸服務，分高、中、低區(qū)三組設置，每組5部。低區(qū)停至22層，中區(qū)停至37層，高區(qū)至54層。除此以外，另設2部消防電梯，2部地下室短程接駁電梯。消防電梯其中1部兼貨梯，1部兼VIP電梯。從嚴格控制成本的角度來看，該配置能滿足寫字樓辦公人群流動的基本需求，如寫字樓中出現(xiàn)較大面積的商業(yè)營業(yè)體量或人流密集的公司辦公，則在此標準的基礎上適當提高配置水平。

電梯速度及載重詳表

四、消防給水方式調(diào)研和分析

（一）案例研究：

超高層消防給水系統(tǒng)按壓力可分為高壓制和臨時高壓制，按給水方式可分為串聯(lián)和并聯(lián)。目前已建或在建的超高層建筑消防給水方式如下表所示：   

（二）案例分析：

1.高壓制和臨時高壓制

重力式常高壓消防給水系統(tǒng)在滅火時無需水泵給水，系統(tǒng)無論平時還是火災時均處與工作壓力狀態(tài)，所更趨于安全。但缺點是必須在寫字樓高位設置大容量水池，加大技術處理難度，增加大額投資，不利于成本控制。臨時高壓消防給水系統(tǒng)消防水池設置在地下室技術處理難度低，造價較經(jīng)濟，在滅火時需水泵給水，只要平時管理到位，也是非常安全的。

2.串聯(lián)和并聯(lián)給水系統(tǒng)

超高層建筑由于樓高和有多個避難層的特點，一般均采用串聯(lián)給水系統(tǒng)，在避難層設置加壓泵房及中轉(zhuǎn)水箱。串聯(lián)給水系統(tǒng)對超高層建筑而言，減少了豎向立管，使消防泵壓力和管道配件壓力減小，增加了系統(tǒng)使用的可靠性。并聯(lián)給水系統(tǒng)的消防泵一般集中設在地下室，不占用樓層面積，各區(qū)相對獨立運行，設備集中，維護管理方便，但高區(qū)系統(tǒng)壓力過高，管道配件承受的壓力大，容易漏水，且豎向立管多，占用有限的建筑面積。

（三）“珈鼎國際”項目的消防對策：

“珈鼎國際”如果采用常高壓系統(tǒng)，中間設備層以及屋頂?shù)脑O備層需要儲存消防期間全部的消防用水量540m³，地下消防儲水池容積為576 m³。若采用臨時高壓系統(tǒng)，則中間設備層轉(zhuǎn)輸水箱容積70 m³，而且屋頂?shù)南浪涞娜莘e只需要18 m³即可，無論從設備層的占地面積出發(fā)，或者從技術處理難度方面考慮，還是從造價方面考慮，采用臨時高壓系統(tǒng)都有一定的優(yōu)勢。并聯(lián)給水雖有一定優(yōu)勢，但在使用過程中經(jīng)常因為管道配件承壓過大而出現(xiàn)問題，且因豎向立管多而占用較大空間，擴大了管道井范圍，減少了樓宇的有效使用面積。綜合比較，“珈鼎國際”宜采用臨時高壓制串聯(lián)給水系統(tǒng)。