超高层建筑发展趋势：多功能建筑与城市商业化、工业化发展解析

0. 概述

城市发展趋势方面，超高层项目不再仅仅是一种建筑结构需求。它要成为真正的多功能建筑，是城市商业化与工业化的发展趋势。科学技术的发展给超高层建筑的发展提供了技术条件和物质基础。国民经济持续稳定地发展，为超高层建筑的发展提供了经济保障。

世界高层建筑与都市人居学会 CTBUH 公布的数据表明，2020 年全球有 106 座 200 米以上的建筑竣工。2019 年竣工的 200 米以上建筑为 133 座。2020 年与 2019 年相比，竣工的 200 米以上建筑数量下降了 20%。同时，CTBUH 预测，2021 年建成的高层建筑数量会在 125 座至 150 座这个范围内增长，并且其中的大部分位于中国。

2011 到 2020 这 10 年时间，从整体数量方面来看，高层建筑的数量有了大幅的上升。在全球范围内，200 米以上的高层建筑竣工数量达到了 1123 座。到 2020 年的时候，全球高层建筑的数量达到了 1733 座。CTBUH 作出预测，在 2021 年，全球高层建筑的数量大约会达到 1858 到 1883 座。

我国超高层建筑的发展起始于上世纪 90 年代。经过二十多年的发展与建设，我国超高层建筑取得了迅猛的发展态势。我国已构建起较为完备的超高层建筑结构设计以及施工的规范和标准体系，这对保障工程质量发挥了巨大的作用。在全国各地，200m+的超高层建筑如雨后春笋般纷纷落地并建成，它们成为了一个个具有地标性的建筑。

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世茂紧跟我国超高层建筑的发展步伐。凭借世茂多元业务的整合能力。已经为城市贡献了将近 30 座超过 200 米的地标。用突破性的技术构筑了超级工程。打造出了城市独有的名片。

下面让我们一同来看世茂的这些 300m 超高层建筑结构是怎样设计的，由于篇幅有所限制，仅以下述项目作为例子来进行介绍。

1. 长沙世茂环球金融中心（348m）

结构体系：钢管混凝土框架-核心筒-伸臂桁架-环桁架

本项目主塔楼地上有 75 层，地下有 4 层。建筑总高度是 348.3 米，结构高度为 335.3 米。它是世茂集团目前已建成的最高超高层建筑。

主塔楼采用混合双重抗侧力结构体系，包含钢管混凝土框架、钢筋砼核心筒、伸臂桁架和环桁架。其中以钢筋混凝土核心筒作为第一道防线，而钢管混凝土框架、伸臂桁架和环桁架共同组成第二道防线，用于抵抗风和地震产生的水平作用。并且结合建筑的设备层与避难层，设置了伸臂桁架与环形桁架。

框架柱使用钢管混凝土柱。因为与伸臂连接的角部有八根钢管混凝土柱，它们承受的竖向力很大，并且有一定的抗侧刚度需求，所以在角部设置了巨柱，这样能让伸臂的工作效率达到最高，大大提高了塔楼的抗侧刚度，而八个中柱则按照普通柱来设计。

核芯筒由方形筒构成，其平面大致呈正方形，位置处于中心。核芯筒采用的是内含钢骨的钢筋混凝土剪力墙结构。核芯筒的混凝土等级主要是 C60（底部为 C70），这样既能提升构件的抗压和抗剪承载力，又能有效减轻结构自重以及地震质量，外伸臂的钢构件贯穿了翼墙。

本工程将建筑的避难层与机电层相结合，采用了三道伸臂桁架。同时，在核芯筒的墙体内贯通设置了钢桁架，以此形成了整体传力体系，从而优化了结构效能。三道环形桁架分别位于 F22 层、F38 层和 F52 层。屋面顶层因为受到建筑立面和使用功能的影响，并且计算也不需要，所以无需在外部框架周边设置环形桁架。

加强层三维轴测图

加强层平面布置图

建成实景图

2.上海世茂广场（333m）

结构体系：巨型框架-核心筒

上海世茂广场的主楼地上有 60 层，地下有 3 层，其高度达到 333 米，主楼屋面的高度约为 246 米。在这其中，1 至 6 层是商场，7 至 60 层是酒店，它是世茂集团最先建成的超高层建筑。

主楼采用的是巨型框架 - 核心筒结构体系。其平面形状为直角等腰三角形，在中部设置了芯筒，而周边的三面则是巨型框架。1 至 11 层使用的是钢筋混凝土框筒。12 层以上，外周边为巨型框架结构。通过利用 11 层、28 层、47 层的设备层来配置周边巨型桁架，其余角部的巨型柱便形成了巨型框架结构体系。为增加结构刚度并减少楼层侧移，在周边桁架的相应楼层设置了外伸臂桁架。周边桁架之间设置了钢框架，将其作为二次结构。此举增加了巨型结构的刚度，也利于楼面梁的布置。采用巨型结构体系，不但解决了上下各个竖向荷载的传递问题，还能减少外围柱之间的竖向变形差异。12 层以上角部巨型柱外移了 1.5m，所以在设计中采用了斜柱转换的方式。

主楼立面图

结构典型平面布置图

主楼屋面的桅杆高度为 88m，这是设计的又一挑战。设计选用了圆形钢管截面，并且从下到上分成了三段。为了确定风荷载，进行了气弹模型风洞试验，该试验结果表明高频抖振是确定等效静风荷载的主要因素。在进行抗震计算时，把桅杆纳入整体结构模型中，以考虑鞭梢效应的影响。上海地区的气象资料显示，对在常遇风作用下的钢管疲劳强度进行了分析，其疲劳应力能够满足设计要求。在柱脚的锚固方面，考虑把桅杆钢管套在下面楼层的巨型柱外面，向下插入 2 个楼层，并且将作为嵌固端的屋面层楼板加厚，同时设置 SRC 梁来拉结巨型柱。有限元分析的结果证明，这一设计能够保证桅杆钢管的可靠锚固。施工时采用了自爬式提升系统，完成高空吊装的难题。

3.烟台世茂海湾壹号（323m）

结构体系：筒中筒

综合塔楼的抗侧力体系是筒中筒结构，由内筒和外框筒组成。内筒由钢筋混凝土剪力墙构成。外框筒由钢骨（型钢）混凝土柱与钢梁构成。外框筒底部楼层通过斜柱、转换桁架等方式把柱距加大。本工程纵横两个方向的刚度存在较大差异。为了增大结构的横向（Y 向）刚度，在 26 层和 46 层（这两层均为避难层）的内筒两个端部，沿着 Y 向设置了钢结构伸臂桁架，从而形成了结构加强层。

外框筒的柱位置依据建筑图的要求来确定。外框筒的外形与建筑外形相比，存在局部内收的情况。如此一来，就能够借助楼板外挑长度的变化，以满足建筑立面变化的需求。外框筒的基本柱距是 5.1m。因为本建筑的高度和高宽比较大，经过分析显示，其受力特点仍然接近框筒，与框架的差异较大。为满足建筑功能要求，在底部建筑物的两端，通过设置斜柱的方式加大中间柱距。在上侧和下侧，通过钢桁架作为转换构件，使 L4 及以下楼层的柱距加大一倍。在 L54 以上的建筑物两侧，各向内收进 1.4m。为避免竖向构件出现不连续的情况，在 L53 及 L54 采用了斜柱方案。

L55、L56 和 L57 的柱子采用了钢结构。

内筒的平面形状呈切角菱形。因为其高度较大，所以宽度方向的高宽比也过大。这就导致了宽度方向的抗侧刚度较小。为了提高宽度方向的抗侧刚度，同时结合建筑功能，在 27 层以下把内筒的宽度加大了，并且也加大了剪力墙的厚度。本建筑外框筒的抗侧刚度比一般外筒小一些。计算显示，本工程内筒承受的楼层剪力和倾覆力矩较大。所以，内筒依然是本工程最主要的抗侧力结构。为满足抗震设防要求且达到经济合理的目的，在底部加强部位的剪力墙边缘构件内设置钢骨（型钢）。同时，在底部加强部位以上的剪力墙周边转角处以及与楼面刚接钢梁相连的部位，也设置了钢骨（型钢）。

低区标准层平面布置图

转换层平面布置图

转换桁架节点图

4.广州世茂汇金中心（320m）

结构体系：钢管混凝土框架-核心筒

本项目具备商业和办公的功能，是一座超高层写字楼。它地下有 4 层，地上有 69 层。屋面的高度是 305.4 米，建筑的高度为 320 米。

多道设防结构体系提供了结构必要的抗侧刚度。

加强层示意图

框架部分的结构形式为圆钢管混凝土柱与型钢梁相配合。依据建筑造型的需求，从 B4 层至 55 层，沿着建筑周边布置了 17 根钢管混凝土柱。因为立面有收进的情况，56 层东北角的 A-F 轴柱被取消，周边的柱变为 16 根。61 层西南角的 A-B 轴柱也被取消，周边的柱变为 15 根。外框柱大多是斜柱，不过倾斜角度比较小，处于 0.1 度到 2.9 度之间。在楼层的倾斜角度或倾斜方向发生变化时，依据柱轴压力来计算水平分力，这个水平分力会直接传递给楼面钢梁，然后由框架梁来进行平衡。

核心筒包含外围墙肢和中部墙肢。为提升墙体的抗倾覆能力，其外围使用了较厚的墙肢。而中部墙肢是为了减轻结构自重，所以厚度较薄。核心筒剪力墙在 39 层、54 层、67 层有不同程度的收进情况。

低区结构平面布置图

高区结构平面布置图

5.深圳前海世茂大厦（300m）

结构体系：钢管混凝土斜柱框架-核心筒

本项目是一个综合体，兼具商业和办公功能。办公塔楼地上有 63 层，其建筑高度达到 294.3 米，结构主屋面的高度是 285.72 米。顶部是塔冠，塔冠在中间开槽，从而形成了双坡屋面。

塔楼建筑体型是由下至上均匀旋转上升的，并且逐渐内收。其外立面是向建筑内倾的扭曲面。为了配合建筑体型以及满足幕墙的要求，结构外框柱需要跟外立面一起旋转内倾。为了方便结构计算，把外框柱简化成了由若干直线段相连的形式。其中底部首段与地面的夹角是 4.1 度，中间段相互之间的夹角约为 179.25 度。塔楼首层的建筑平面尺寸是 52.5 米乘以 52.5 米。它从下往上旋转，并且在旋转的过程中逐渐内收。到了屋面层，建筑平面尺寸约为 46.5 米乘以 46.5 米。此项目是国内最高的扭转建筑。

外框示意图

依据建筑设计理念与建筑特点，同时结合结构性能要求、经济合理性以及施工等方面的因素，对多种结构方案进行了分析和比选之后，塔楼选用了钢管混凝土斜柱框架加核心筒的混合结构。其四周分布着 16 根均匀的钢管混凝土柱，这些钢管混凝土柱内的混凝土为 C70，核心筒外围墙的厚度从低到高逐渐变小。

结构体系

核心筒典型平面布置图

扭转外框的水平向分力会经由梁柱节点向楼板进行传递。在传递过程里，此力先是转变为外框梁的轴力，接着通过梁上的栓钉传递到楼板。在力的传递进程中，节点附近的楼板承受的力比较大，会向远离节点的区域扩散，并且逐渐减弱。所以需要对节点区域的楼板进行配筋加强。此外，在外框梁上设置加强板带，与混凝土一起分担由外框梁传递过来的力。

竖向荷载分解示意

外框梁柱节点与楼板之间力的传递

节点区域受力扩散及加强措施

本项目抗震性能目标有要求，节点在不同荷载工况下需满足不同设计要求。节点在竖向荷载、风荷载以及小震组合时，要满足弹性设计要求；在中震组合工况下，也需满足弹性设计要求；而在大震组合工况下，则要满足不屈服设计要求。在有限元分析中，针对弹性设计工况和不屈服设计工况，分别选取了最不利组合，对角柱节点和边柱节点进行了分析，角柱的计算结果如下图所示。

在弹性设计组合的情况下，钢材的最大应力比钢材的设计强度要小；混凝土的压应力比 C70 混凝土的抗压强度设计值要小。在不屈服设计组合的情况下，钢材的最大应力小于钢材的强度标准值；混凝土的压应力小于 C70 混凝土的抗压强度标准值。

角柱节点弹性设计组合应力云图

角柱节点不屈服设计组合应力云图

6.南京世茂国际中心（双塔）（300m）

办公塔楼的结构体系为框架 - 核心筒，公寓塔楼的结构体系为框架 - 剪力墙。

南京世茂国际中心是一个集商业、酒店、办公和公寓于一体的超高层综合体。办公/酒店塔楼地上有 64 层，其总高度约为 300 米，这里包含 20 米高的塔冠。公寓塔楼地上有 66 层，总高度约为 260 米，其中包含 10 米高的塔冠。

办公塔楼采用框架核心筒结构体系。它的四周有 16 根框架柱，这些框架柱是均布的。办公区的柱距为 12.6m，酒店区的柱距为 11m。

办公区典型平面布置图（低中区）

酒店区典型平面布置图（高区）

核心筒典型平面布置图

办公塔楼顶部塔冠，其东西两侧顶部的幕墙呈现“内凹”的状态。该幕墙采用斜柱与斜撑相结合的结构形式。为了与建筑的塔冠造型相契合，在塔冠的四周设置了钢立柱，并且在顶部设置了弧形空间钢构架，二者共同承担幕墙的支撑任务以及抵抗风荷载。

公寓塔楼的结构体系为框架剪力墙结构。其主要的抗侧力体系由居中的是矩形的钢筋混凝土剪力墙以及四周的钢筋混凝土框架构成。四周分布着 16 根框架柱，这些柱是均布的。柱距有 10.8m 和 9m 两种。柱的截面是长方形的。

低区平面布置图

高区平面布置图

7.深圳坪山世茂大厦（300m）

结构体系：框架-核心筒

塔楼的主要功能是办公。它地上有 57 层，地下有 4 层。建筑高度为 302m，结构大屋面高度是 263m，塔冠高度为 39m。在满足建筑设计与功能要求的同时，基于安全、适用和经济的原则，并且考虑到结构抗侧刚度、抗震性能、重量以及施工可建性等问题的要求。其三为稀柱框架 - 核心筒（混凝土结构）等结构体系。

本项目处在风荷载起控制作用的深圳地区。地基基础选用承载力较高的嵌岩桩形式。这种形式对结构自重的敏感性较小。经过造价经济性分析，表明混凝土结构有一定优势。本项目的建筑高宽比不大。伸臂桁架的设置对建筑功能和施工进度影响较大。经过综合评价后，决定采用混凝土框架 - 核心筒结构体系。

每一个区与相邻区的框架柱折角，都控制在不大于 1°的范围内。

核心筒收进示意图

8.厦门世茂海峡大厦（300m）

结构体系：框架-核心筒

B 塔有 55 层，主屋面的高度是 249.9 米，屋顶钢架顶的高度为 300 米。

本工程的 A 塔与 B 塔结构体系较为相似。它们都采用了劲性混凝土柱、钢 - 砼组合梁以及钢筋混凝土核心筒来构成框架—核心筒混合结构体系。为了提升建筑的整体刚度，借助建筑避难层沿着高度方向设置了两道腰桁架。并且，还适当增大了各层外框架环梁的尺寸，以此来增加外框架的整体刚度。外框架承担水平地震剪力。外框架和中心筒体共同抵抗水平风力产生的倾覆弯矩。外框架和中心筒体共同抵抗地震力产生的倾覆弯矩。

外框柱选用劲性混凝土框架柱，其柱截面会沿着建筑的高度逐渐减小。因为建筑立面造型有着相应的需要，所以在 A 塔和 B 塔中，各自都有一边的外框柱是斜率相对较小的斜柱。

A 塔的核心筒平面为近似三角形，B 塔的核心筒平面也为近似三角形。A 塔在 29 层时，其核心筒的一边内收；B 塔在 37 层时，其核心筒的一边也内收。

标准层结构布置图

加强层结构布置图

9.绍兴世茂天际中心（288m）

结构体系：型钢混凝土框架-核心筒

本项目主楼地上有 54 层，大屋面的标高是 218.85m，总高度为 280m。218.85m 到 280m 这段没有使用功能，只是为了建筑外形的需要。建筑的外立面呈现出台阶式，并且是对称内收的。顶部 23m 是针状造型。

主楼主要抗侧力系统由三部分组成。内部有钢筋混凝土核心筒，外围是框架，包括型钢混凝土柱与钢梁。还有连接钢筋混凝土核心筒与外围框架的外伸臂桁架。核心筒外墙是闭合式的，能提供建筑大部分的扭转刚度。型钢混凝土柱的截面形式为圆形混凝土加十字形钢骨，在 16 层和 37 层设备层布置的外伸臂钢桁架将其与核心筒连接在一起。外围型钢混凝土柱在上述两层各有一道带状桁架，该桁架在外围进行连接。这样做使得柱子能够更加均匀地受力，同时增强了结构的整体性，也提高了结构的冗余度。

标准层结构布置图

主楼 Y 向体形较薄，在风荷载作用下水平位移较大。利用三个设备层设置伸臂桁架及周边带状桁架，这是一种很有效的方法。然而，加强层的施工存在困难，用钢量也较大，会对建筑使用空间产生影响。因此，做了 4 个方案来进行对比。

从方案三的情况可以看出，其整体刚度较为合适。与方案一和方案二相比，方案三能更有效地控制水平位移。与方案四相比，方案三减少了一层加强层，这使得用钢量减少，施工难度也随之减小。并且，方案三的位移控制在可接受的范围之内。基于这些因素，最终采用了方案三的加强层设置方案。

加强层结构布置图

10.杭州世茂智慧之门（双塔）（279m）

结构体系：带斜撑的巨型框架-核心筒

本项目包含 2 栋 63 层的塔楼，分别是 A 楼和 B 楼；还有 1 栋 19 层的塔楼 C 楼；以及 1 栋独立的 3 层附楼 D 楼和 1 栋独立的 2 层附楼 E 楼，总共 5 栋楼，并且有三层地下室，构成了一个城市综合体。A 楼和 B 楼是 5A 级甲级写字楼，其建筑高度为 279.160m（檐口）。

A 塔楼和 B 塔楼的结构体系大致相同。它们都采用了带有斜撑的巨型框架 - 筒体结构。周边的带斜撑组合框架与核心筒共同抵御侧力。这两座塔楼都设置了 2 道环桁架。周边的带斜撑框架由钢斜撑、型钢混凝土巨柱以及环桁架构成。核心筒则采用的是混凝土结构。

结构体系示意图

本结构体系的周边框架包含以下部分：每边各有 2 根带箱形型钢的钢筋混凝土组合柱（SRC 柱），还有单向的钢斜撑。这些构件在立面上形成了竖向桁架，用于抵抗侧向力。每边的两根巨柱避开角部进行布置，这样角部的窗口空间就能够完全打开，从而实现了建筑要求的无柱窗口。

周边带斜撑的框架给塔楼提供了很大的侧向刚度，并且承担了很大部分的侧向力。这一情况使得核心筒能够做得很小，墙也可以很薄。另外，斜撑在竖向力方面也有着良好的传递作用。巨柱之间小柱子上的重力，大部分能通过斜撑传递到较大的 SRC 柱上。所以这些小柱子，其截面可以做得很小。即便某一个小柱子或者某根支撑发生破坏，也不会导致结构倒塌，结构的冗余度是很好的。

在外围部分，A、B 塔楼除了设置了斜撑之外，还利用避难层空间设置了 2 道环桁架。避难层的楼板也得到了加强。环桁架与加强后的避难层楼板有效地将核心筒与周边框架联系起来，共同抵抗侧向力。

周边带斜撑的巨型框架给塔楼提供了较大的侧向刚度，所以塔楼能够采用较小的核心筒来满足结构设计要求。A 塔楼的核心筒尺寸约为 17.9m×18.9m，B 塔楼的核心筒尺寸约为 23.0m×22.2m。

A塔标准层结构布置图

B塔标准层结构布置图

建成实景图

11.福州世茂天城（270m）

结构体系：钢管混凝土框架-核心筒-伸臂桁架-环带桁架

本项目包含酒店、办公、公寓式办公以及商业这四大功能部分。主楼的地上有 58 层，地下有 3 层。屋顶的标高是 245.35 米，屋架顶的标高是 273 米。

主楼的主要抗侧力系统由两部分组成。一部分是内部的钢筋混凝土核心筒，另一部分是外围的框架，框架由钢管混凝土柱与钢梁组成。核心筒系统处在主楼的中心位置，其中包含电梯、电梯厅以及疏散楼梯的墙体。钢筋混凝土的连梁会把相邻的剪力墙连接起来。核心筒的外墙是闭合式的，这种闭合式外墙能够为建筑提供大部分的扭转刚度。外围由钢管混凝土柱构成，在 19 层和 47 层的 9.0 米高设备层布置的外伸钢桁架将其与巨型核心筒相连。上述两层的外围钢管柱各有一道钢的边桁架在外围进行连接，以此让柱子受力更均匀。主楼的第二道抗侧力体系位于建筑外围，是钢框架。建筑自上而下，每层的外围钢梁与外围钢管混凝土柱刚性连接，形成了第二道抗侧力体系。还提高了结构的冗余度。

建筑立面图

标准层结构布置图

福州地区风载特别大，且主楼高度较高。在整体计算时，为控制主楼在风和地震荷载作用下产生的侧移，增加了外伸桁架和带状桁架。这带来了很大的实用效果，但也引起了竖向刚度的不规则。外伸桁架及带状桁架位于主楼的 19 至 20 层之间以及 47 至 48 层之间。

为了降低建筑在风及地震作用下的位移程度，在整个建筑的高度范围内，借助建筑设备层，设置了 2 组高度为 9.0 米的钢结构外伸桁架，把周边的钢管混凝土柱和内部的钢筋混凝土核心筒连接起来。设置加强层之后，结构的楼层位移减少了将近 50％。外伸与带状桁架将周边柱和核心筒连接起来，这是主要原因。这样做增大了结构抵抗倾覆弯矩的力臂。相应地，周边柱会由于风荷载或地震水平作用而受到较大的轴向力。

加强层结构布置图

12.长沙世茂中心（241m）

结构体系：钢管混凝土框架-核心筒

本项目的主塔楼地上有 51 层，地下有 3 层。其建筑的总高度是 241 米，结构高度为 210.9 米。

主塔楼的结构体系为钢管混凝土框架加钢筋砼核心筒。主楼的标准层平面，依据景观朝向选择了三角形平面。这样做能够确保最多的房间能够看到湘江景观。核心筒被放置在中间位置，外围一周是房间。整个体型匀称。这种对称的平面布局对于超高层建筑来说是比较有利的。

框架柱选用钢管混凝土柱，在三角形平面的三边进行均匀布置，一共布置了 18 根柱。依据建筑平面的功能，采用了三角形核芯筒。

标准层结构布置图

参考文献：

长沙世茂广场的塔楼进行了结构设计。该设计成果发表于《建筑钢结构进展》，时间是 2019 年。

世茂国际广场的主楼进行结构设计。此设计成果发表于《建筑结构》杂志，时间是 2007 年。

烟台世茂 T1 综合塔楼进行了结构设计。该设计成果发表在《城市建设理论研究》2012 年的刊物上。

深圳前海世茂金融中心的塔楼进行了结构设计及分析，相关成果发表于《建筑结构》2015 年。

厦门世茂海峡大厦的结构设计进行了研究。该研究成果发表于 2012 年的《城市建设理论研究》。

绍兴世茂天际中心有超高层建筑施工技术。该技术刊载于《上海建设科技》，时间是 2011 年。

杭州世茂智慧之门的结构设计问题得到了探讨。该探讨成果发表于《建筑钢结构进展》2019 年。

长沙世茂塔楼的结构设计被收录于第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文集，该论文集的出版年份是 2014 年。