南京理工大学土木工程系江苏南京
摘要：随着科技的发展，超高层建筑已不断成为一个地区的标志和一个时代的缩影。本文详细说明了国内外不同规定下超高层建筑的限高及结构形式分类。并梳理出超高层建筑结构设计的要点。本文最后，根据超高层结构设计要点与难点，选取了在超高层结构设计中较为成熟的三项关键技术进行简单剖析。
关键词：超高层建筑结构弹塑性动力时程分析复杂节点有限元BIM
前言：中国自上个世纪八十年代开始进行超高层建筑设计，迄今已有近四十年。短短的四十年间，中国紧跟国际结构设计潮流，已基本掌握当今超高层结构设计关键技术，并已建成的超高层建筑数量位居世界前列。
一、国内外超高层建筑定义：
对于超高层建筑的高度限定，国内外并没有统一的规定。根据中国《民用建筑设计通则》GB503520-2005规定：建筑高度超过100m时，不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。在Wikipedia上，则以“skyscraper”（摩天大楼）这一概念来对应超高层建筑，即四十层以上，高度超过150m的建筑。根据世界超高层建筑学会的新标准，超高层建筑的限定高度增加至300m。根据我国国情，现阶段建议把高度超过200m或50层以上的高楼，称之为超高层建筑。
二、超高层建筑结构形式选取：
FazlurR.Khan是超高层建筑领域的一代宗师，提出并完善了筒体，桁架筒体，束筒的概念。根据汗在1969年提出的理论，超高层建筑的结构体系可分为：（巨型）框架-核心筒结构，（巨型）框筒-核心筒结构，筒中筒结构，成束筒结构，巨型支撑及混合结构。根据安全经济，方便施工，绿色环保的设计原则，近年来结构工程师提出新的分类方法：按照内部抗侧力结构和外部抗侧力结构分类。其中内部抗侧力结构包括刚接框架，框架-剪力墙，框架铰接，支撑铰接框架和伸臂结构；外部抗侧力结构体系包括筒体结构，斜交网格结构，空间桁架结构，巨型框架结构和外部骨架结构。（表一为世界著名超高层建筑结构形式）
表一
三、超高层建筑结构设计要点：
1.重力荷载随高度的增加而增大，自重大。
选择自重轻，刚度大的结构形式尤为重要。以钢筋混凝土框架为主的结构形式由于其结构自重大，梁柱粗大，开间与进深限制较多，跨度较小，施工繁琐等因素限制其在超高层建筑领域的发展，因而逐渐被钢结构与钢混结构所替代。据统计，世界最高的100栋建筑中，钢结构和钢混结构占67%。
2.水平位移对超高层建筑结构影响较大，侧向振幅成为结构设计的主控因素。
由于风荷载或地震作用产生的二阶效应，使结构进一步增加侧移值且引起结构内部产生附加内力。《高层建筑混凝土结构技术规范》JGJ3-2010第5.4.1规定了高层建筑要考虑重力的二阶效应。目前应用较多的减振装置有以下四类：基础减震、附加阻尼器、动力阻尼器、主动控制系统。
3.结构的动力效应和扭转效应明显。
4.需考虑结构的整体稳定与抗倾覆。
5.基础要求高。
由于超高层建筑上部结构自重大，使得基础承载力要求变高，单桩竖向承载能力增大，埋深加大，增大了施工难度，以及体型巨大的混凝土承台，对于大体积混凝土的施工及后期养护也是一个挑战。
6.需要设置避难层和设备层。
由于超高层建筑的高度高，消防安全不可忽略，一旦火灾发生，避难层可以起到安全转移建筑物内人员，施展救援工作的作用。另外，超高层建筑涉及到许多的器械设备，因此设备层也是必不可少的。通常，超高层建筑每隔15层就会设置一个避难层和设备层，并且可将避难层与设备层设计为结构的加强层，以提高建筑物整体刚度。
7.超高层建筑防火，防灾及灾后重建工作
超高层建筑多采用钢结构和钢混结构。由于钢材耐火性能差这一特点，往往容易发生各种次生灾害。超高层钢结构建筑的抗火性能分析；混凝土结构火灾作用下力学影响分析；灾后的损伤评估与内力分析；超高层建筑火灾后结构检测鉴定与修复加固等方面均为超高层建筑的结构分析要点。
8.风荷载作用大。
超高层建筑风振效应明显，风荷载作用下结构的自身侧向位移与顶层加速度直接影响人体的舒适度，因此超高层建筑必须控制顶层的侧移及扭转加速度，且围护结构必须采取抗风措施。常见的结构措施有：开洞透风（上海环球金融中心大厦）、降低风力形心、设置粘弹性阻尼器（美国纽约世贸中心大厦）、协调液体阻尼器TLD（我国珠海市金山大厦）、外框筒加斜撑（芝加哥汉考克大厦）、CFD风洞模拟分析出最大风压及其所处位置，在最大风压处设置透风层（日本东京MillenniumTower）等构造措施。
9.竖向构件产生的混凝土缩短变形差对结构内力的影响增大。
缩短变形分为受力变形、干缩变形和徐变变形三部分。对于全钢结构仅考虑受力变形。对于钢混结构、钢组合结构、混凝土结构则需考虑干缩缩短和徐变缩短的影响。
四、超高层建筑关键应用技术举例
1.超高层建筑弹塑性动力时程分析：
根据《高规》表3.33.1-2，建筑高度超过200m的钢混高层建筑均属于B类高度。宜采用弹塑性静力或动力分析方法进行补充计算。我国颁发的新抗震规范，提出了“三个水准，两个阶段”的抗震设计目标，在罕遇地震时，大部分结构进入塑性变形，其受力成非线性变化，传统的弹性时程分析已经无法满足要求，在这里我们引入弹塑性时程分析，即满足第三水准，第二阶段，以保证建筑结构的可靠性。
目前各国各个版本的弹塑性分析软件均以有限元为基础，以ANSYS，MIDAS，ABAQUS为首的有限元分析软件都有较为成熟的体系进行静力，动力弹塑性时程分析。由于受到材料规格，尺寸模数，强度，构造等限制，必然在结构中存在相对的抗震薄弱环节，这些薄弱环节在强烈地震中将率先发生塑性变形并屈服，导致不同程度的塑性变形集中，通过动力弹塑性分析，可直观的得到结构的薄弱层位置，屈服机制及从弹性到弹塑性过渡的变化过程。相较弹性假设的理想化模型，弹塑性时程分析更贴合实际作用下构筑物的受力状态。同时，采用时程分析法，记录相当数量的实际地震波与人工模拟的加速度时程曲线，即可得到结构任意时刻的单元体的内力，加速度，速度及位移，以进行结构裂缝与损失的评估。
2.复杂节点有限元的分析：
超高层建筑由于其结构的复杂性，往往难以避免多根形态参数各异的型钢杆件在某一空间位置的交汇，我们称这一空间节点为复杂节点。这一节点，受力大，受力方向多，夹角小，汇交构件多，造成其应力应变复杂。为了更为精确的确定复杂节点的应力应变状态，我们对复杂节点进行三维实体建模。通常这类三维实体模型直接采用有限元软件进行分析，最优化的方案为，结构工程师通过AutoCAD等建模软件来构件复杂节点的空间形态，并将几何实体模型导入ABAQUS软件。对材料进行材料与单元性质的赋值后，离散节点模型，即对单元进行网格划分，确定合理的网格类型和单元网格密度。
复杂节点的有限元分析已在目前非常成熟的一项分析技术，除ABAQUS外如ANSYS，LUSAS，Hypermesh，COMSOLMultiphysics也是较为常用的有限元分析软件。
3.BIM技术在超高层建筑领域的应用：
BIM作为数字化技术的一种，具有动态模拟性，执行性，协调性，优化性与可视性等多方面优势。BIM技术能针对超高层建筑投资规模大，信息量大，全寿命周期长等特点，将超高层以三维立体的视角展示其结构组成，通过建立单个单元构件，并不断组合，可还原复杂节点构件组合过程，同时对钢构件与整体骨架结构连接，钢构件之间相互连接及梁与梁铰接等结构组合过程进行先后顺序及空间位置的合理调控与选择。并且先进的BIM技术可对结构进行分析和优化，去除多余配筋，对结构承载力进行分析，已达到对超高层建筑内部结构多方位，多维度，动态化的模拟。无论
是基于BIM对复杂节点的有限元分析；超高层装配式建筑体系中BIM的运用；BIM技术对水电暖通及结构设计之间的协调与优化等超高层建筑结构设计的方面，BIM技术都将是目前乃至未来最具有发展前景的一项技术。
参考文献：
【1】中华人民共和国国家标准.GB5001-2010建筑抗震设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2010
【2】中华人民共和国国家标准.JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2010.
【3】吕西林，超限高层建筑工程抗震设计指南【M】.上海：同济大学出版社，2009.
【4】汪梦甫，周锡元.高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及抗震性能评估的研究【J】.土木工程报，2003，36（24）：44-49
【5】陈孝堂.超高层建筑结构体系方案优选【J】.建筑结构.2007.（2）