一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系的制作方法

本实用新型涉及建筑结构工程领域，涉及一种超高层建筑结构体系，尤其涉及一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系。

背景技术：

超高层建筑作为现代建筑技术的结晶，提升城市和国家形象，高大建筑一直是人们展示发展成就的重要手段。由于超高层建筑的地处城市中心位置、造型突出、视觉效果强烈，往往会成为所在城市和国家的“名片”。

超高层建筑承受巨大的风荷载和地震荷载作用，超高层的抗侧力结构体系的选择与组成成为高层建筑结构设计的首要考虑及决策重点，应按照建筑使用功能的要求、建筑高度、抗震设防烈度等，选择合理的结构体系，超高层建筑结构设计应遵守“高轴压比、高延性、强剪弱弯和薄墙厚”抗震设计原则。

千米级超高层建筑必须有良好的抗风形体，必须有强大的水平向抗侧刚度和优良的抗震延性，现有的结构体系很难同时兼顾千米级超高层的结构布置和建筑功能二者要求。工程界热切期待超高层结构体系能有重大革新，亟需一种经济合理的超高层建筑结构新型体系，建造千米级超高层建筑结构。

借鉴富贵竹塔盆景造型，针对千米级超高层建筑结构需求，将多个六边形巨型筒中筒结构单元集束组合在一起，形成圆柱状集束筒群节段，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元结构单元的数量，多个圆柱状节段构成宝塔状新型超高层结构体系。在每一个圆柱状节段的顶部设置一个转换层厚板，增加塔楼结构的整体性，在转换层厚板之间布置单叶双曲面空间缆索，形成一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系，以便建造1000米级超高层建筑结构。

技术实现要素：

技术问题：本实用新型提供一种结构刚度大、立面造型丰富、挺拔利索，简洁稳定、抗风稳定性能好和抗震能力强的变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系，借鉴富贵竹塔盆景造型，蜂窝状集束布置多个六边形筒中筒结构单元，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒中筒结构单元的数量，构成多节段宝塔状结构体系，在塔楼节段转换层厚板之间设置单叶双曲面空间缆索，进一步提高超高层塔楼结构的抗风和抗震能力，可用于1000米级超高层建筑结构。

技术方案：本实用新型的一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系，包括六边形巨型筒中筒结构单元和单叶双曲面空间拉索体系，其特征在于：六边形巨型筒中筒结构单元由六边形外筒结构和六边形核心筒结构构成，所述的六边形外筒结构由六个沿圆周均匀分布的六边形钢管混凝土巨柱和在巨柱之间布置的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙、巨型框架梁构成，蜂窝状集束布置多个六边形巨型筒中筒结构单元，形成圆柱状集束筒群节段，随着塔楼高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元的数量，在蜂窝状集束筒体系的外围设置巨型环梁，在宝塔状集束筒群节段的顶部设置结构转换层厚板，在转换层厚板之间布置单叶双曲面空间拉索体系。

所述的六边形钢管混凝土巨柱由六边形外套钢管、内置圆形钢管、连接钢板和管内混凝土构成，在六边形外套钢管中，放入内置圆形钢管，在六边形外套钢管对角线方向，将六块连接钢板焊接在六边形外套钢管和内置圆形钢管之间，空腔内填充管内混凝土，构成六边形钢管混凝土巨柱。

所述的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙由双层钢板、波形钢板、槽钢端柱和混凝土填充物构成，双层钢板中间设置波形钢板，双层钢板的两端设置槽钢端柱，三者焊接牢固，形成带有空腔的长条形格栅管式墙板，格栅管式墙板空腔内浇筑混凝土填充物，形成格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙。

本实用新型还提供一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系的施工方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：按照设计要求，在工厂预制六边形钢管混凝土巨柱和格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙；

步骤二：现场施工六边形核心筒结构，沿圆周均匀分布，施工六边形钢管混凝土巨柱，巨柱之间布置格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙和巨型框架梁，形成六边形外筒结构，浇筑楼板，六边形外筒结构和六边形核心筒结构协同工作，形成六边形巨型筒中筒结构单元；

步骤三：蜂窝状集束布置多个六边形巨型筒中筒结构单元，形成圆柱状集束筒体群，在蜂窝状集束筒的外围设置巨型环梁，在宝塔状集束筒节段的顶部浇筑转换层厚板，随着塔楼高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元的数量，形成宝塔状超高层结构体系；

步骤四：在转换层厚板之间布置单叶双曲面空间拉索体系，张拉体外预应力抗风拉索，进一步提高超高层塔楼结构的抗风和抗震能力，形成带有单叶双曲面拉索的变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系，进行内部的次框架结构施工，建造1000米级超高层建筑结构。

蜂窝状集束布置六边形筒体的超高层塔楼结构体系是多个圆柱状节段组成，具有良好的抗风形体，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒体结构单元的数量，形成宝塔形状的结构，有利于降低迎风面积，减少风压力，可控制风荷载作用下的结构侧移在一定范围之内。

新型超高层结构体系内部采用六边形巨型筒中筒结构单元，承担竖向巨大压力并且满足轴压比要求，水平向承担大于85％的地震剪力或风荷载；外部采用带有斜向支撑巨型框架和核心筒组成的六边形框筒结构单元，满足超高层建筑的采光要求。大楼中设置次框架，可以灵活布置使用空间，同时兼顾千米级超高层的结构布置和建筑功能二者要求。

筒体剪力墙采用格栅式双钢板混凝土组合剪力墙结构，具有结构刚度大、工业化程度高、施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、抗震延性和耗能能力，可确保千米级高层建筑结构承受巨大的竖向荷载和水平荷载。巨型框架柱外形为六边形巨柱，可以方便地构成六边形框架筒体结构，在六边形钢管内设置圆钢管和连接钢板，双重钢管混凝土组合结构，六边形巨柱具有良好的承载能力和抗震延性。

利用单叶双曲面的直纹特性，在宝塔状巨型框筒结构节段之间布置单叶双曲面拉索体系，构建空间交叉拉索网体系，提高宝塔状巨型框筒结构的水平刚度，可大幅度提高抗风和抗震能力。

有益效果：本实用新型的一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系，具有以下有益效果：

1000米级高层建筑结构承受巨大的竖向荷载和水平荷载，必须具有像山一样的坚固结构体系，必须具有圆柱形状良好的建筑抗风形体。仿照富贵竹塔盆景造型结构，将多个六边形筒体结构单元按照蜂窝状集束在一起，构成宝塔状新型结构体系，设置加劲肋过渡层和单叶双曲面空间缆索增强结构整体性，形成一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系，具有良好的建筑抗风形体和山一样的坚固结构骨架。

现有的超高层建筑结构多数是巨型框架-核心筒的结构体系，外部采用巨型框架结构，内部采用钢筋混凝土剪力墙核心筒结构，一般用于600～700米超高层建筑，随着建筑高度的进一步增加，巨型框架核心筒超高层结构体系的水平向刚度不足，水平风荷载作用下结构位移太大，影响电梯正常运行，大楼摇摆加速度过大，影响超高层建筑塔楼正常办公使用。变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系将多个六边形筒中筒结构单元集束在一起，形成集束筒群体，大大的提高了大楼的水平向结构刚度，塔楼节段之间设置单叶双曲面体外空间缆索进一步增强抗侧结构刚度，可以大大减少风荷载作用下结构位移。

现有的巨型框架-钢筋混凝土剪力墙核心筒超高层建筑结构为了形成宝塔状外立面造型，大楼楼层平面随着斜外立面逐渐变小，采用巨型框架斜柱结构，导致施工困难，也导致建筑平面功能布置困难。变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系，借鉴富贵竹塔盆景造型，蜂窝状集束布置多个具备独立建筑功能的六边形巨型筒中筒结构单元组合在一起，形成圆柱状集束筒群节段，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元结构单元的数量，多个圆柱状节段构成宝塔状新型超高层结构体系，建筑立面造型丰富，挺拔利索，简洁稳定，建筑平面功能布置灵活，没有斜柱施工方便快捷。

现有的集束筒体超高层结构基本上是多个方形筒体集束在一起，外筒体结构通常采用密集框架梁柱框筒结构，密集柱梁施工比较困难，建筑采光通风不良，随着建筑高度的增加，逐渐减少方形筒体结构单元的数量，建筑外形变得复杂不规则，抗风形体差导致不利于抗风；变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系是蜂窝状集束布置六边形筒中筒，形成圆柱状集束筒群节段，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元结构单元的数量，多个圆柱状节段构成宝塔状新型超高层结构体系，抗风形体良好，有利于降低风荷载，有利于控制风荷载作用下的结构侧移在一定范围之内，变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系内部采用六边形巨型筒中筒结构单元，承担超高层建筑的巨大竖向荷载和水平荷载，外部采用巨型框架和核心筒组成的六边形框筒结构单元，可满足超高层建筑的采光通风要求。

现有的超高层建筑结构多数是巨型框架-核心筒的结构体系，组合结构巨型框架柱与钢筋混凝土剪力墙核心筒两者的刚度和延性是严重不匹配的，严重影响在罕遇地震作用下超高层建筑结构的抗震性能。变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系采用新型的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙核心筒和外六边形内圆形的双重钢管混凝土组合巨型柱，协同工作，强强联合，解决了组合结构巨型框架柱与钢筋混凝土剪力墙核心筒两者刚度和延性匹配问题，新型筒中筒集束筒群具有结构刚度大、抗压承载力高、施工方便、抗屈曲能力强、屈服荷载高、抗震延性好和耗能性能好等优点，可以保证新型超高层塔楼结构抵抗巨大竖向荷载和水平荷载，可保证抗震延性要求。

千米级超高层建筑结构塔楼是高耸结构，为了进一步提高抗风能力，可以分节段配置体外预应力抗风拉索，降低倾复力矩，降低风荷载作用下的位移效应。利用单叶双曲面的直纹特性，在宝塔状巨型框筒结构节段之间布置单叶双曲面拉索体系，构建空间交叉拉索网体系，大幅度提高抗风和抗震能力。

借鉴富贵竹塔盆景造型，将多个六边形筒中筒结构单元集束在一起，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒中筒结构单元的数量，构成宝塔状新型结构体系。利用单叶双曲面的直纹性，在宝塔状巨型框筒结构节段之间布置单叶双曲面拉索体系，形成一种带有单叶双曲面拉索的蜂窝塔状巨型集束筒超高层结构。新型超高层结构体系具有结构刚度大、立面造型丰富、挺拔利索，简洁稳定、抗风形体好、抗震能力好和施工方便等优点，可以建造1000米级超高层塔楼。

附图说明

图1是本实用新型的7个六边形蜂窝状集筒塔楼的水平剖面示意图；

图2是本实用新型的19个六边形筒体蜂窝状集束布置塔楼的水平剖面示意图；

图3是图1中的六边形钢管混凝土巨柱示意图；

图4是图1中的的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙示意图；

图5是单叶双曲面空间索网的三维示意图；

图6是本实用新型的一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系三维示意图；

图中，1-六边形巨型筒中筒结构单元；11-六边形外筒结构；12-六边形核心筒结构；111-六边形钢管混凝土巨柱；112-格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙；113-巨型框架梁；1111-六边形外套钢管；1112-内置圆形钢管；1113-连接钢板；1114-管内混凝土；1121-双层钢板；1122-波形钢板；1123-槽钢端柱；1124-混凝土填充物；2-巨型环梁；3-结构转换层厚板；4-单叶双曲面空间拉索体系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。

如图1-图2所示，本实用新型的一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系，包括六边形巨型筒中筒结构单元1和单叶双曲面空间拉索体系4，六边形巨型筒中筒结构单元1由六边形外筒结构11和六边形核心筒结构12构成，所述的六边形外筒结构11由六个沿圆周均匀分布的六边形钢管混凝土巨柱111和在巨柱之间布置的格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙112、巨型框架梁113构成，蜂窝状集束布置多个六边形巨型筒中筒结构单元1，形成圆柱状集束筒群节段，随着塔楼高度的增加，逐渐减少六边形巨型筒中筒结构单元1的数量，在蜂窝状集束筒体系的外围设置巨型环梁2，在宝塔状巨型框筒结构节段的顶部设置结构转换层厚板3，在宝塔状巨型框筒结构节段之间布置单叶双曲面空间拉索体系4，形成一种变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系。

如图3所示，六边形钢管混凝土巨柱111由六边形外套钢管1111、内置圆形钢管1112、连接钢板1113和管内混凝土1114构成，在六边形外套钢管1111中，放入内置圆形钢管1112，在六边形外套钢管1111对角线方向，将六块连接钢板1113焊接在六边形外套钢管1111和内置圆形钢管1112之间，空腔内填充管内混凝土1114，构成六边形钢管混凝土巨柱111。

如图4所示，格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙112由双层钢板1121、波形钢板1122、槽钢端柱1123和混凝土填充物1124构成，双层钢板1121中间设置波形钢板1122，双层钢板1121的两端设置槽钢端柱1123，三者焊接牢固，形成带有空腔的长条形格栅管式墙板，格栅管式墙板空腔内浇筑混凝土填充物1124，形成格栅管式双钢板混凝土组合剪力墙112。

具体地，如图6所示，某370层宝塔状超高层结构建筑，层高为5米，建筑结构总高度为1852米，采用变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系。

超高层结构体系是多个六边形筒中筒结构蜂窝状集束布置在一起，随着建筑高度的增加，逐渐减少六边形筒体结构单元的数量，形成宝塔形状的大楼结构。

大楼中每一个六边形筒中筒单元的对边距离为60米，大楼底部到大楼顶部分一共为5个节段。从大楼底部到裙楼顶部为200米，第一节段裙楼采用37个六边形筒中筒结构单元集束在一起。大楼200到900米为第二节段，采用19个六边形筒中筒结构单元集束在一起，结构外围设置48*2正反交叉的单叶双曲面空间拉索体系。大楼900到1400米为第三节段，采用7个六边形筒中筒结构单元集束在一起，结构外围采用36*2正反交叉的单叶双曲面空间拉索体系。大楼1400到1800米为第四节段，采用1个六边形筒中筒结构单元，结构外围采用24*2正反交叉的单叶双曲面空间拉索体系。大楼1800到1852米为第五节段，采用内部核心筒伸出楼顶。

本大楼的六边形钢管混凝土巨柱的六边形外套钢管对边距离由10米变为6米，钢管壁厚由60mm变为16mm，内置圆形钢管直径由5米变为3米，钢管壁厚由50mm变为12mm，六边形外套钢管和圆形内钢管之间的连接钢板厚度由50mm变为12mm，六边形钢管混凝土巨柱采用c150混凝土。

大楼的六边形核心筒采用格栅式双钢板混凝土剪力墙结构，格栅式双钢板混凝土组合剪力墙的墙厚由3.5米变为0.6米，混凝土采用c120浇筑，双钢板厚度由60mm变为16mm，内部波形钢板厚度由40mm变为10mm。

本大楼每隔250米设置一道伸臂桁架和避难加强层，在100米、800米、1400米和1900米标高处，设置四个环形景观舱平台。

本大楼的变截面蜂窝状集束筒群超高层索塔结构体系，在每一个圆柱状节段的顶部设置一个转换层厚板，以便增加塔楼结构的整体性，为了消除多节段宝塔状塔楼沿着竖向的刚度突变问题，设置加劲肋过渡层，使得结构刚度平缓过渡。

本大楼巨型环梁采用钢管混凝土桁架结构，巨型框筒采用x形斜向支撑，楼板采用压型钢板混凝土楼板结构，在宝塔状巨型框筒结构节段的顶部设置结构转换层厚板，单叶双曲面空间拉索体系采用3500mpa预应力碳纤维缆索。