台北101结构概念体系分析.docx

1、台北101结构概念体系分析台北 101 大厦概念设计引言对人类而言，高度代表雄伟、开阔。站的越高，越接近天空，更易于让心灵产生崇敬感。古时候人类的建造技术不发达对自然地貌的高山仰止之情油然而生。吕氏春秋离俗篇中的”愈穷愈荣,虽死,天下愈高之”指的就是对于高的崇敬,对天的顶礼膜拜。如今，高层建筑逐渐成为世界都市化进程中的趋势，而高楼中的高楼一一摩天楼更是成为了风靡世界的体现财富与科技实力的标志。虽然其自身具有经济性差、能耗高、产生废弃物量大等缺点，欧美等发达国家已经较少建造，但是许多经济处于崛起阶段的地区仍然对其趋之若鹜， 因为摩天楼已经超越了其自身的物质功能，代表了一种人类文明的成就。成为了展

2、示信心与实力的平台，化身为记录人类追求梦想的纪念碑。设计一栋有代表性、地标性的超高层建筑，我认为技术方面,建造方面的要求固然很高，但是文化表现更为引人。高层建筑，在西方象征对未知的崇仰、征服和追求，在东方则代表着对未来更宽阔的视野和包容。“登高”是为了“望远”，高，追求的不应该是一蹴而就，而是逐渐生长，宛如花开般节节登至富贵顶峰。纵观世界众多高层，最让我留心的就是那全球独特的多节式超高层摩天大楼-台北 101设计理念1 0 1 大厦的创作构思溯源深层文化，秉承传统的东方哲学思想，以现代科技的建筑语言加以诠释，取 吉祥高升、富贵饱满之含义。追求回归传统，探索地方主义精神在摩天楼中的体现，试图以中

3、国传统之木构架重塔楼的建筑形态来塑造现代观念的摩天大厦。塔楼平面呈正方形，符合唐代四方形平面宝塔的型制，并且四隅有小阶角。这是种常见于须弥座和喇嘛塔的装饰手法以免形体过于庞大而显得呆板。平面下小上大，塔身向上收分，墙面散发着琉璃绿光。大厦外观分为九段，暗示着九级浮屠之制，塔楼顶部则接近塔刹的形状。每级分段的分解采用花瓣式对开。主塔形式较接近阿育王塔的山花蕉叶形，花也向外翻开，中央突出花蕊，是唐宋营造法较为常见的形式。如今在我国泉开元寺内仍有留存。西方基督教尖塔有通向天堂之意东方的佛塔则成为沟通人与极乐世界的桥梁。除礼佛之外，又兼有祈圣纳福之义。在本案的造型中设计师舍弃了传统的习惯于将摩天楼统一

4、大体量化的概念，而是采用多节式的外观，斗呈上大狭小的形状层层相接形成竹节状宛如竹子节节升高柔韧有余，象征生生不息的中国传统的建筑含义。所谓 高者，登高望远也”，以达到欲穷千里目，更上一层楼；会当凌绝顶一览众山小的境界。利用透明材料形成视觉的穿透效果。斜立面与多层次的结构犹如花开绽放， 富贵饱满，实现一花一世界，一台一如来，台台皆世界，步步是未来 的东方哲学理念。同时 在细部组件中亦有咬钱龟、祥云、龙头、如意等传统图腾和中国古代建筑装饰意趣。虽然摩天楼是西方文明的产物，但与上海的金贸大厦 吉隆坡的佩重纳斯大厦一样 该方案在建筑形态方面亦有着浓厚的东方意味。可见现代摩天楼概念跨越东西方文化，艺术形

5、式突破本土与国际的界限。项目概况由李祖原建筑师设计的总高508米(含尖塔之高度)的台北101大厦位于台北市信义计划区。于1997年开始规划兴建，历时7年投入营建人力超过23万人次，于2004年12月31日正式竣工启用。该大厦底层是商场，高层为办公区。共101层地下5层，裙房6层 总高度达508米，被确认为目前世界第一高楼（2009）。建筑工程造价280亿新台币。101大厦堪称是一座垂直的城市，其空间庞大且功能完整。内含地下停车场、购物中心 健康俱乐部展览馆 多功能宴会会议厅、金融服务区商务俱乐部、办公服务区、景观餐厅及观景台等。大厦兼顾安全、防灾 品质等多方面需求与自然及周遭环境极其融合。具有

6、前瞻性的建筑自动化、办公自动化、通讯自动化设计使本建筑成为高科技的汇集点，以人流、资金流、信息流三重考虑，展现经济、文化、科技的辉煌成就。除了满足金融业，证券业银行总部企业总部内上万员工的办公之外更提供崭新的生活消费空间。底部四分之一是商业用途，以水平空间为主，顶部的四分之三是办公用途，以垂直空间为主。由于台北多飓风、烈日所以设计者把广场的概念移入室内空间，塑造了一个由社交广场和都市街共同构筑的大型室内空间，提供具有生活性、舒适性的活动场所。构造特点结构设计配合建筑立面的变化而有所限制，再加上地基大小和建筑法规的限制规划之后的建筑高宽比达到了62：1，已经接近纽约世贸大楼的65：1。由于处于地

7、震带、台北受飓风的影响以及911事件带给人们深刻的反思建筑结构体的坚固性问题成为了重中之重，致使本摩天楼的结构系统方案的选择更加具有挑战性。如采用筒中筒结构其特点是密柱深梁，由每隔3米的外柱形成外筒，与由核心柱与核心斜撑形成的内筒通过桁架联系成为整体。如果采用巨型桁架结构系统，则由16根巨型SRC边柱，即每隔8层设置一层楼高的巨型梁与中央斜撑核心筒连接。巨型构架的整体则类似由11个次结构所连接。经计算机模拟计算、比较评估之后，决定采用巨型桁架结构。主要考虑在相同的屋顶水平位移之下该结构类型较为经济。同时，无论对外开窗内部空间使用，都较筒中筒容易。巨型桁架系统可以满足强柱弱梁的需求现场结合的接电

8、焊量较少不足之处是构件和细部设计较为不易。实施方案中服务核内共有16支箱型柱每8层构件成一个组，自主构成空间，如一个11层的组合建筑，以8根巨型钢结构圈梁和高性能混凝土强化建筑结构。主楼四周每侧采用两根巨型钢柱延伸至90层与H形梁组成抗弯构架，提供局部载重的迁移使用并提高结构强度。62层以下的箱形柱内均灌注10000psi自充填高性能混凝土，使结构整体坚固程度远超过建筑法规之规定，可以承受2500年一遇的10级以上大地震。台北 101 为大型多功能综合开放项目，主要用途为金融业务。基地面积达 3 万，是台北市繁华地段中绝无仅有的大规模方整地块。为了给市民提供活动休憩的空间，本开发方案建筑红线退

9、缩 35m，创造开放的公共空间共达 2.5 万，建筑密度仅为 49.8%。主体为 101 层摩天楼，平均单层面积为 14032393 平方米，皆为金融机构办公使用。为提高抗风能力并保障最佳消防安全及机电供应效率，每 8 层设置一机械层，共有 11 层机械层。大楼顶部为通讯塔，以顺应信息时代的需求。大楼为 SRC 钢骨加高强度混凝土结构。全栋建筑的外墙采用玻璃帷幕墙，使用双层隔热清水玻璃，仅底部采用石材。大楼地 5 层，全面开挖，单层面积达 2.4 万。筏基内安放储冰槽，以提供高效经济的空调系统。裙楼有 5 层楼高，单层面积达约 1.46 万，将成为“台北101”购物中心。裙楼上部有高达 42m

10、 的玻璃采光罩，覆盖 2887 的室内广场，将成为台北市最大规模的室内公共空间。其他楼层则以挑空走道贯穿店面，提供悠闲地逛街购物空间。结构系统简介本工程之地上结构包含一栋101层的塔楼及一栋6层的裙楼，两栋结构于地上部分以伸缩缝完全断开，地下室共有五层，且塔、裙楼相连。地上结构除了塔楼钢柱大部分皆以高强度混凝土灌注之外，其余为纯钢骨结构；地下室中B1层为SRC梁柱构造，B2至B4层为RC无梁板构造。101层塔楼的结构系统以井字形的巨型构架(Mega Frame)为主，巨型构架在每八层楼设置一或二层楼高之巨型桁架梁，并与巨型外柱及核心斜撑构架组成近似11层楼高的巨型结构（Mega Structu

11、re）。塔楼的结构系统分为垂直系统及侧力系统。垂直系统：楼层中混凝土直接承载于兼具模板及结构用途之钢承板上，并与钢承板结合成复合楼板，剪力钉则将钢梁及混凝土连结成合成梁（Composite Beam），荷重传递路径则经由复合楼板、合成梁、柱及基础。柱位之规划简单归纳为内柱与外柱，服务核心内共有16支箱型内柱，箱型内柱由4片钢板经由电焊组合而成，中低层部分并以内灌注混凝土增加劲度和强度；外柱则随着楼层高度而有不同的配置，在26层以下均为与帷幕墙平行的斜柱，其每侧各配置两支巨柱及两支次巨柱，其中巨柱及次巨柱皆为内灌混凝土之长方形钢柱，另外每层配置4支双斜角柱。角柱为内灌混凝土之方形钢柱。而26层以

12、上则在每侧配置二支铅直巨柱及6支H形斜柱，其中H形斜柱与外围边梁组成之构架配合每8层建筑立面形成一独立单元，并在建筑“斗底”处经由巨型桁架梁传递垂直力予巨柱。另外因91层至101层楼地板面积明显减下，每侧配置方形钢柱并将载重直接传递至91层以下之服务核心钢柱。侧力系统：侧力由服务核心内之斜撑构架、内外柱之间的巨型桁架梁、外柱及外围平行帷幕墙面之抗弯矩构架共同承担，其中巨柱、斜撑构架及巨型桁架梁提供主要的侧向劲度。服务核心内的梁柱则大部分均以斜撑相连结以提供劲度，其中外侧的正中间跨度设置一倒V形同心斜撑，边跨则配置单一斜撑，另外部分边跨的斜撑为了配合建筑楼梯或电梯开门之需求而有些微偏心，另外在八

13、楼以下，服务核心内之斜撑构架外则设计包覆60cm厚的RC剪力墙。服务核心与巨柱及次巨柱之间，则配合建筑规划之11处机械层设置巨型桁架梁。结构系统在设计过程以抗弯构架及同心斜撑构架组成之二元系统视之。地上结构体系本工程之地上结构体包含1栋101层的塔楼及1栋6层的裙楼，两栋结构体于地上部份以伸缩缝形式完全断开，地下室共有5层且塔、裙楼相连。在平面配置上，服务核内共有16根箱型柱，主楼四周每侧采用2根巨型钢柱(Mega column)延伸至90层，其最大尺寸达24 m 3m 80 mm。主楼四周于26 F以下并另外配置12 m 26 m12 m 16 m及14 m 14 m 16 m 16 m等两

14、种尺寸箱型柱，27 F以上则配合建筑斜面造型而使用H900 mm400 mmH1000 mm500 mm之H形斜柱(Sloping Column)并与H型梁组成抗弯构架，主要在于提供局部载重之传递使用。又为提高抗风劲度与强度，62层以下的箱型钢柱均内灌10000 psi自充填高性能混凝土，在立面配置上，图5为本工程之3种主要立面构架，其中X、Y方向各配置两组合计6道立面构架，服务核心的钢柱间以钢骨大梁、斜撑相连，斜撑主要为同心斜撑与V型斜撑，部分斜撑因开门需求而为偏心斜撑型式，但基于抗风劲度之需求予以加劲补强而未依偏心斜称细部设计之。9楼以下之同心斜撑并与600mm厚之剪力墙浇灌一体以形成良好

15、的水平力传递系统，机械层上下大梁问则以斜撑相接所形成的外伸桁架梁作为内外柱间的主要垂直剪力传递机构。从宏观的角度；主楼结构主要是由巨柱、核心系统与外伸桁架梁等构件所组成的101层巨形构架(Megaframe)。市民广场的屋顶结构为了满足建筑大空间与采光罩的设计要求，其屋顶结构为一水平跨径约76 m之立体刚构架；藉由结构构件外露的方式所表现的特殊建筑造型，随着群楼电扶梯向上行进的动线中，视线仰望时的视觉惊艳则是一般商业大楼所无法提供的建筑与结构结合之空间美学。主要竖向分体系的计算主要竖向分体系的计算包括井筒的计算和框架的计算。计算截面取第5层楼面。计算设计构件尺寸及配筋之前必须先知道核心筒与框架

16、分别承担了多少荷载。对于竖向荷载而言，假定屋面或楼面荷载（含梁和板自重）为5.5KN/，根据建筑的体型，结构的总重估计按第5层层楼面直径45.5m估算。计算截面以上共96层。考虑调制阻尼器的重量为660吨，则建筑的总重为：W 96 45.5 5.5 0.66 10 1.10 10 kN2 4 6核心筒必须承受的屋面或楼面荷载百分率： 钢框架必须承受的屋面或楼面荷载百分率：1 55.84% 44.16% 为简单起见，假设核心筒承受屋面或楼面荷载的55, 框架体系承受屋面或楼面荷载的45,即：1.10 106 55% 6.05 105kN 核心筒 1.10 10 45% 4.95 10 kN 6

17、5 框架体系对于水平荷载而言，由于各分体系在一个建筑物中必须共同变形，所以荷载按刚度分配，而分体系刚度由组成构件的刚度即其尺寸及配筋决定，这是一个十分复杂的问题，必须通过先假设构件尺寸然后反复试算得出构件尺寸和刚度比。考虑到核心筒的高宽比比较大，假设它承担侧向荷载的40%，而框架承担荷载的60%。超高层建筑在风荷载作用下的效应要通过风洞试验来确定，根据荷载规范的查得的标准是不可靠的，所以在这里只是假定风荷载大小2.4 KN/。按整个建筑体型从底部往上截面不变化。取方形结构的体型系数为1.1。则单位高度的风荷载为q 2.4 45.5 1.1 120.12kN / m计算截面处的倾覆力矩为ql2

18、/ 2 120.12 5082 / 2 1.55 107 kN m所以核心筒承受的倾覆力矩为1.55 10 40% 6.2 10 kN m7 6外部钢框架承受的倾覆力矩为1.55 10 60% 9.3 10 kN m7 6对于地震力，风洞试验得出结构的第一模态周期T=18s，台湾为中等地震区故Z=0.5；取K=1.0。设计基本地震加速度为0.05g。C 0.05 / 3 T 0.05 / 3 18 0.019地震力V ZCKW 0.5 0.019 1.0 1.10 106 1.045 10 kN4假设地震力沿建筑高度分布为三角形，则底部弯矩为1.045 10 2 / 3 508 3.54 10

19、 kN m4 6一核心筒计算核心筒的边长为22.5m，厚度为2.2m。估计开洞面积大约为表面积的10%。则方筒的惯性矩为3 1 3I 22.5 22.5 (22.5 2.2) (22.5 12最外纤维拉或压应力为f My / I 6.2 10 11.25 / 72106 max 3 29.67 10 kN / m近似计算墙上的竖向荷载。墙平均自重以墙表面积计约为28 KN/。（已考虑开洞10的影响），因此计算截面在结构自重在的应力为28 508 / 2.2 6.47 103 kN / m2核心筒承受的屋面或楼面荷载为6.05 105 kN ，分摊到截面上的应力为6.05 10 / (22.5

20、2.2) 4 2.2 3.39 10 kN / m5 3 2则竖向荷载下计算截面处总应力为6.47 10 3.39 10 9.86 10 kN / m3 3 3 2则每m墙上最大和最小应力为9.86 10 9.67 10 1.95 10 kN / m3 3 4 29.86 10 9.67 10 1.9 10 kN / m3 3 2 2说明在风荷载的作用下核心筒两面均受压，考虑开洞面积10后，有效面积上的最大和最小应力为1.95 104 90% 2.17 104 / 2 21.7 / 2kN m N mm1.9 102 90% 2.11 102 / 2 0.211 / 2kN m N mm核心筒

21、只要按构造配筋，满足要求。由于筒体结构的近似侧移比较容易计算，计算如下 计算筒顶的弯曲变形。由于筒较细长，可忽略剪切变形， w 120.12 40% 48.05kN / mC80混凝土 E 3.8 1010 N / m2 wh4 / 8EI 48.05 103 5084 / (8 3.8 1010 7.21 103 ) 1.46m / h 1.46 / 508 1/ 350侧移较规范规定的稍大，但建筑顶部的“调谐质块阻尼器”能够用摆动来减缓建筑物的晃动幅度，对侧向变形进行约束，从而使测向变形满足要求。二钢框架计算台北101大厦的层高以5m计算。用底部剪力法计算计算截面处柱端弯矩。计算截面处的剪

22、力为V 120.12 508 60% 3.66 10 kN4框架的剪力由8根巨型柱子承受，假设反弯点在柱子的中点，则每根柱子的剪力为V 4 3 kN3.66 10 / 8 4.58 10 c柱端的弯矩为Mc 4.58 10 2.53 4 1.145 10 kN m再用悬臂梁法计算倾覆力矩下柱子的轴力，设倾覆力矩为M，柱子距截面中和轴距离为y i 1, 2.7,8 则距中和轴最远的柱子的轴力为(中和轴近似取形心轴)i8 N My / y2 c,max max i i 18 i 1y 4 (11.25 21.25 ) 2312.5m2 2 2 2i柱子的轴力N ,1 9.3 10 21.25 /

23、2312.5 8.55 10 kN6 4 c在屋面或楼面荷载下周子的轴力为N ,2 4.95 10 / 8 6.19 10 kN5 4 c则柱子总的轴力为N N ,1 N ,2 8.55 10 6.19 10 1.474 10 kN4 4 5 c c c设计时，底部柱子采用钢管混凝土柱，由于实验和理论分析证明，圆钢管混凝土受压构件的承载力可达到钢管和混凝土单独承载力之和的1.72.0 倍，所以设计时乘以系数1.7。混凝土采用C80，钢材选用Q235钢材按轴心受压确定柱子的截面，先估计钢管直径为D=2000mm，厚度t=60mm，内部为C80 混凝土，柱子承载力为N 1.7 ( fA f A )

24、 1.7 (205 2000 60 35.9 930 ) 2.97 10 kN 比2 5 s c c1.474 10 kN 大很多。在弯矩 M 1.145 104 kN m 和轴力 N 1.474 105 kN 共同作用下，5c c柱子设计按课本所述公式计算。e M / N 1.145 10 / 1.474 10 0.078m4 5 c ce / D 0.078 / 2.00 0.039当e / D在01 / 4之间，柱的设计荷载可在轴向荷载 N 1/ 4N 之间插值，这说明柱子可以按下述c c轴力设计N (1 0.039 / 0.25) 1.704 10 kN 2.97 10 kN5 5 c

25、满足要求。校核地震对柱子的影响每根柱子地震引起的剪力产生的弯矩为M , 1.045 10 / 8 2.5 3266kN m4 c EQ由地震倾覆力矩产生的轴向力为8N M y / y 3.54 10 21.25 / 2312.5 3.25 10 kN 2 6 4c,EQ c,EQ max i i 1每根柱子总内力为N 1.474 10 3.25 10 1.80 10 kN 5 4 5 tM 1.145 10 3266 1.472 10 kN m 4 4 t在地震作用下，材料的强度由于滞后的效应，可以允许有1/3的增量。而考虑地震力后，弯矩轴力增量在25左右，可不用修改设计。框架在侧向力的作用下

26、的侧向变形由于较复杂，此处省略。主要水平分体系的计算主要水平分体系为钢混凝土的主次梁体系（与范本相同）。在钢次梁上铺设较厚的压型钢板，压型钢板上浇筑混凝土面层，板与次梁用抗剪栓钉连接，次梁再与主梁连接。主梁与次梁均采用轧制工字形钢。设计时忽略铺板与混凝土之间的组合作用。这里只计算第5 层即计算截面处的主次梁的选用。上面各层的截面尺寸尽管有变化，但变化较小，荷载相同，所以沿用计算截面的设计结果，还是相差不大的。1. 金属铺板的设计 设金属铺板与次梁的连接为铰接。板的跨度L 3.00m铺板 混凝土+ =1.44kN / mm2活荷载 未折减( )=2.40kN/m2隔墙、吊顶等=0.96kN /

27、m2则没米宽的板带上的总荷载=1.44+2.40+0.96=4.80 KN/设简支跨M qL2 / 8 4.80 3.002 / 8 5.40kN ms所需要的截面抵抗矩W M / f 5.40 10 / 215 2.51 10 m6 4 3 s查询建筑用压型钢板(GB/T 1275591)，选用压型钢板型号YX70-200-600,板厚t=1mm，其正弯矩作用下的截面抵抗矩W 2.737 103 mm3跨高比 3.00 103 / 70 42.9，较一般板的跨高比有点偏大，但若挠度和振动都在允许范围内，则仍然可用。2. 钢次梁的设计 按次梁与主梁的连接为铰接计算。对于次梁，跨度L=4.55m

28、楼板传来的荷载 4.80 3.00 14.40kN / m假设次梁重 0.6kN / m 则次梁上所受的总荷载 14.40 0.6 15.00kN / m 设次梁为简支，则跨中弯矩M ,1 qL2 / 8 15.00 4.552 /8 38.82kN mb所需要的截面抵抗矩为W M f 6 5 mm2,1 / 38.82 10 / 215 1.81 10 b选用的热轧普通工字钢为 I22a H 298 149，其截面抵抗矩W 1.93 105 mm33. 钢主梁的设计主梁承受的荷载面积是一个矩形区域，假设按均布荷载设计，如图。主梁与核心筒以及主梁与边柱的连接更接近于固接，但此处仍按铰接设计。主

29、梁的跨度 L 11.5m楼板自重1.44 4.55 6.55kN / m次梁自重0.6 4.55 / 3.00 0.91kN / m主梁自重 1.5kN / m总恒载6.55 0.91 1.5 8.96kN / m 隔墙，吊顶等0.96 4.55 4.37kN / m 活荷载（未折减） 2.4 4.55 10.92kN / m 总的设计荷载8.96 4.37 10.92 24.25kN / m 则主梁的跨中弯矩M qL2 / 8 24.25 11.52 / 8 400.88kN mb所需要的截面抵抗矩为W M f 6 6 mm3/ 400.88 10 / 205 1.96 10 b选用的热轧普通工字钢为 I50a H500 200 ，其截面抵抗矩W 2.40 105 mm3 。验算荷载作用下主梁的挠度，假设荷载标准值等于 q / 1.3，I50a的截面惯性矩 I 7.34 10 4 m4V L q L3 EI 3 3 11 4/ 5 / 384 (5 24.25 / 1.3 10 11.5 ) / (384 2.06 10 7.34 10 )k 0.