高層建筑的結構材料

(SCandSRC)

鋼骨-鋼筋水泥三月八日–跨學科活動日B5活動洪港生老師國金二期中銀大廈長江中心中環廣場合和中心香港金融區天際線

“竹竿身材”如何抵御臺風、地震等外界侵襲呢？鋼筋混凝土結構(RC)、鋼結構(SC)

與鋼骨混合水泥結構(SRC)

結構材料的優點、缺點，摩天大樓使用的材料如C40混凝土、鋼骨框架等，幕墻建筑的運用。鋼結構的特點鋼結構構件，可以實行工廠化生產，現場安裝。由于現場作業量小，少污染環境。施工機械化度高，施工快。同樣面積建筑物，鋼結構比砼結構工期短三分一，且可節省支模材料。鋼屬于均質材料，鋼筋混凝土屬非均質材料。鋼結構建筑物，應力全由鋼骨承受，不同于鋼筋混凝土由混凝土承受壓應力、抗拉鋼筋承受拉應力。鋼，具有強度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、地基費用省、外形美觀等一系列優點。SRC(SteelandReinforcedConcrete)防震鋼骨大樓鋼骨的韌性，能減輕地震對結構體的破壞，混凝土的延展性能降低非結構體的破壞。鋼骨結構梁與柱的緊密一致的正面接合，使構材充份發揮『抗震效果』。SRC結構以鋼筋混凝土包構鋼骨，是最安全的柱梁，結構應力均勻分配傳遞，抗震效果最好。優點:耐久性，防火性高。由RC承受鋼骨變形量，地震時搖晃程度較SC結構小，減輕內部擺設之破壞，舒適度較佳。結構材料韌性高於RC。可減緩鋼骨局部挫屈之情形。

可免除鋼結構所需之裝修工程，且可加大跨度。鋼骨可作為施工中之支撐。缺點施工期較RC結構長3-4個月。多鋼骨材料，造價高于RC。

剪力墻（shearwall）稱為耐震壁，是建筑物抗震的重要結構體，通常被設計在電梯間，較一般墻壁厚許多（25-50公分)，大多都是鋼筋混凝土所建構。剪力墻的勁度大，承擔大部份結構物的水平力，在地震初期就把大部份的能量吸收，減少結構的破壞，是耐震設計中重要的結構系統。鋼骨外層另配鋼筋，并灌漿作保護層，好處是具有鋼骨構造及RC構造的優點。柱子強度高則柱斷面小，使整個建筑重量變輕，減少受地震力的影響。純鋼骨建筑受側向力時變形過大，地震來時搖晃程度比RC構造利害，RC保護層構造減少變形過大的問題。鋼骨-鋼筋混凝土(SRC)結構鋼筋混凝土(RC)不是蓋高樓的好材料倒不是RC不能蓋高樓，而是蓋到21層的RC建筑，在載重層層累積下，那柱子可能會大到1.2M*1.2M以上，嚴重影響室內可用空間和隔間。超過20層的就經濟而言應該用SRC或SC，有效減低「構材尺寸」，又能兼顧韌性抗震。因為地震力跟建筑重量成正比，頂樓只要負擔該層結構體重量所形成的側向作用力，負擔的力量小，沒有其他因素的話，變形自然就最小﹔但一樓卻必須負擔其上所有樓層累加重量形成的側向作用力，因此以剪力而言，一樓自然受力最大。

自然界常見的野草為例

草長得高(25CM高好了)的時候(樓層高)，那草通常就必須跟著風吹的韻律搖阿搖，借著搖晃來抵銷水平風力的能量，草就不會吹倒或連根拔起，但是你如果把草剪成剩三分之一長度(8CM高好了)，那只剩下半段的草大概就不會去搖了，而是以本身該下半段的硬度直接去抵抗風力﹔建筑物結構要選用何種型式去對抗水平力(地震,風力)，得看建筑細長比例(高/平面面積)而定。細長比越大，比較適合用韌性材料去處理(鋼骨好)，反之則否(低樓以剛性去處理

–RC好)。一般10層以下的房子適合用RC(鋼筋混凝土)的，中高層建筑(15-25層)可用SRC(鋼骨鋼筋混凝土)的，超高層建筑則適用SC(鋼骨構造)的。梁柱彎矩接合合成梁—剪力連接器

合成柱－十字形組合斷面

基礎板接合—承受軸壓力柱及基礎板接合

鋼骨多種接合模式逆打鋼支柱RC灌漿基樁RC灌漿鋼混水泥結構的施工鋼骨構件澆灌C50混凝土成鋼骨鋼筋的高樓

臺灣巨蛋大廈SRC(鋼骨-鋼筋結構)ＳＲＣ結構，結合鋼骨的高抗拉能力以及混凝土的高抗壓能力，兼顧結構的韌性和剛性。ＢＯＸ方型鋼柱，在鋼骨的四周外圍，以堅固的水泥做保護層，不僅有優越的抗震性，比ＳＣ純鋼骨具備更佳的耐火性。每棟建筑的十六根柱結構，宛如井字型的九宮格，前后左右對稱，無論四面八方受力都非常地平衡，不會旋轉扭曲，這就是最安全的韌性立體剛構架。每棟建筑都有兩道厚達７０cm

的剪力墻，以增加結構的剛性，除了有效提升抗震力，更能減輕地震或強風所造成的搖晃，即使住在高樓層不會暈，家中擺設不會掉落。

世界摩天大樓的建筑材料從八十年代至今由于鋼結構、鋼—混凝土混合結構的盛行，鋼構安裝技術有新發展。以塔式起重機為主機進行安裝，高強螺栓連接取代鉚接和部分焊接。

在世界范圍內（日本除外）高度200—

262m的建筑物，RＣ結構跟鋼結構或鋼混結構，是可以相互競爭領域，在200m以下的建筑物，RC結構所占的比例大。在262m以上的建筑，全部為鋼或鋼混結構。在全世界最高的104幢建筑物中，鋼結構占69幢，鋼混結構占21幢，且占據了前面第1～19名和21～28名的位置。RC結構僅占14幢。

香港上海匯豐銀行總行諾曼·福斯特大膽采用鋼骨及玻璃為基本建材，取消傳統用梁柱支撐內部的做法，將建筑結構完全開放，在入口手扶梯處向上望，銀行里的活動情形清晰可見。安全方面是通過精密的風速、聲波測試。每一個細部、桁架、斜撐和桿件都似乎負載著巨大的荷載。大廈從八組柱子上騰空架起，建筑懸立在3組垂直組合的4對鋼柱上，在整個高度上，5組2層高的桁架將鋼柱連接起來，備組樓層就懸掛在桁架上。3組垂直的樓身結構高度不一，形成了一個錯落的輪廓。外墻是特別設計的外包鋁板結構和透明玻璃板的組合，以表現內部空間的豐富。成束筒體系是由多個筒體組成的筒體結構。最典型的成束筒體系的建筑為美國芝加哥的西爾斯塔樓。美國芝加哥的西爾斯塔樓（1974），地上110層，地下3層，高443m，包括兩根TV天線高475.18m，采用鋼結構成束筒體系。1～50層由9個小方筒連組成一個大方形筒體，在51～66層截去一個對角線上的二個筒，67～90層又截去另一對角線上的另兩個筒，91層及以上只保留二個筒，形成立面的參差錯落，使立面富有變化和層次，簡潔明快。西爾斯樓筒體不同高度的截面美國芝加哥西爾斯塔樓【圖說︰這是世貿大樓當年正在建筑時的情景。照片中，大樓鋼絲網外墻骨架看得一清二楚。】現代摩天大樓的設計，是以建筑物的中央核心支撐起整個結構，周圍外柱的功能就像支架，能使大樓在臺風、地震中不至傾倒或滑動。同時，每層的地板則將內外支架聯系在一起，以撐起整棟建筑。世貿大樓的設計，代表1960年代后期最先進的技術；它的鋼絲網外墻骨架極為堅固，但是支撐各樓層的鋼桁架卻非常脆弱，而且大樓中央核心的結構設計，沒有考慮到側面負載暴增的情況。飛機撞進大樓時，毀掉許多內外支柱，大部分保護鋼鐵構件的防火披覆也脫落。大樓尚未遭到破壞的結構雖然還能支撐梁柱倒塌后新增加的負載，但是飛機燃料將各樓層所有的可燃物都卷入大火，于是大樓結構還要對抗潛伏在火勢中的破壞力量。

世貿大樓的弱點臺灣、迪拜摩天大樓在整個建筑結構上，101大樓采用的是巨型建筑建構，該樓建在深達80尺的380支基樁上，從92樓還懸掛著世界最大的被動式風阻尼器，能夠抵消自然力量造成的擺動，確保大樓人員的舒適。101大樓大部份樓層為辦公室，設置各種最先進通信設備。阿聯酋首都迪拜正在興建的BurjDubai摩天大樓，有192根鋼筋混凝土巨柱從40米的地基深處向藍天挺進。這個海灣地區的彈丸小國，將以705米的新高度從臺北市的“101”大樓(508米)手中，奪取“世界第一高樓”的桂冠。什么是建筑幕墻?

建筑幕墻不同于填充墻，它是由面板和支承結構組成的完整的結構系統；建筑幕墻具有兩個特點：(1)不分擔主體結構所受的荷載和作用的圍護結構。(2)在自身平面內可以承受較大的變形或者相對于主體結構可以有足夠的位移能力；幕墻通常由面板（玻璃、鋁板、石板、陶瓷板等）和后面的支承結構（鋁橫梁立柱、鋼結構、玻璃肋等）組成。由于面板之間有寬縫，面板與橫梁立柱的連接有活動能力，所以幕墻在平面內，可以承受1/100的大變形。幕墻用螺栓、搖臂、彈簧機構與主體結構連接，可以在兩者間產生大的相對位移，側移達到1/60時，幕墻也不損壞。

建筑幕墻的選用用建筑幕墻將整個結構包封起來，讓結構處在室內，溫度不再變化，就不會產生對結構的損害，保證主體結構安全，就是高層建筑須采用幕墻的一個主要原因。傳統磚墻、砌塊墻是填在梁柱平面的，梁和柱子有部分露在室外大氣中，直接受到溫度變化的影響。所以填充墻解決不了溫度變化的問題，難以在高的建筑中應用。各種類型建筑幕墻的振動臺試驗，即使當臺面輸入加速度達到0.9g（相當于10度大震），結構位移達到1/60以上時，幕墻也沒有損壞。

千絲板、埃特板、微晶玻璃、陶瓷掛板等一大批新型建材在建筑幕墻上使用加速了幕墻技術的發展。

高樓大廈地震中強烈擺動，只有幕墻能保證抗震安全，不會倒塌。

砌體填充墻在自身平面內變形能力很差，又被填充在主體結構內，不能有相對的位移，在1/1000位移時開裂，1/300位移時破壞，在小地震下會破損，中震下會嚴重破壞。常規玻璃窗大體上差不多，在地震中震害非常嚴重。幕墻的板面寬縫和特別的連接構造，耐受1/100~1/60的大位移。類似于樹葉相對于樹枝，無論主體結構怎樣搖晃，幕墻都無恙。玻璃幕墻的重量相當于磚墻的1/10，混泥土墻板的1/7；鋁板幕墻更輕，370mm磚墻760kg/㎡，200mm空心磚墻250kg/㎡，玻璃幕墻有35~40kg/㎡，鋁板幕墻有20~25kg/㎡。一座150m高，外墻面爲20000㎡的高層建筑，用幕墻減輕墻體自身5000t-12000t，大大減少主體結構的材料用量，也減輕基礎的荷載，節約基礎造價。在上海、天津等軟地基上建造超高層建筑，起了決定性的作用。建筑材料，如鋼材、水泥都是高耗能、高造價的材料。預制浴室預制墻身

瓦

板

混

凝

土

由

鐵

板

模

制

成

因縮

短

拆

卸

棚

架

所

需

的

時

間，提

早

進

行

內

圍

粉

飾

工

序。屋邨預制浴室、預

制

掛

墻

整個預制浴室是一個盒形的產品，運送到地盤前已完成防水、鋪砌墻身瓦、水喉套筒及暗喉的工序。預制浴室是利用合符規格的輕質混凝土組成，在墻身加入鐵網組成，比傳統用的干間墻更堅固。預制浴室是一獨立構件沒有接口，滲漏的問題可以完全解決。整個生產過程在工廠完成后才運送到建筑地盤，減少泥水粉飾的工序

，大大減低在建筑過程中所產生的建筑廢料。懸

掛

式

預

制

墻

身

瓦

板

，將

墻

身

瓦

安

放

在

特

別

設

計

的

鐵

模

上

，

再

加

入

輕

質

混

凝

土

，

完

成

養

護

過

程

及

脫

模

后

，