高层建筑作业浅析台北101结构设计之抗风抗震长安大学建筑学院建筑学班级：学号:姓名：指导老师：日期：浅析台北101结构设计之抗风抗震摘要:从一般高层建筑的抗震抗风设计到超高层建筑台北101在抗震与抗风方面的设计，及抗震设计的重要性。

关键字：台北101 结构设计抗震设计抗风设计台北101大楼建筑设计概要台北101（Taipei 101），原名台北国际金融中心（Taipei Financial Center），设计师李祖原（其实是王重平和李祖元。

其位于台北市信义计划区内，其长宽各约175 m，基地面积约30 277 m2。

建筑设计为塔、裙楼各一栋，如同帝国大厦之于纽约、艾菲尔铁塔之于巴黎、更如晚近的金茂大厦之于上海，面对二十一世纪，台北需要更宽广的舞台、更亮眼的演出，高度508公尺，地上101层，地下5层的TAIPEI101专案即是「将台北带向全世界」(Bringing Taipei to the world )的希望工程。

其主要用途为商场及停车场，建筑总楼地板面积约374 000 m2。

一座杰出的地标建筑，足以改变这个城市。

结构设计概要超高层大楼的设计，对于安全的可靠度要求标准远高于一般建筑，相对于结构设计而言，在既定的设计载重标准下，需要以更加严谨的态度订定材质规格、施工标准与细部设计图说明。

而结构与建筑设计之间的互动更显重要。

在对高层、超高层建筑进行结构设计中以水平荷载为主，而水平荷载则以风荷载，地震荷载为主。

所以接下以台北101为例分析一下高层设计中的抗风雨抗震设计。

一、抗风设计高层建筑结构抗风设计的一般先考虑风对建筑作用的特点，比如是一个稳定的分压力，还是建筑振动的风振。

其特点有以下几点：1）风力作用与高层建筑结构的外形直接相关，圆形和正多边形受到的风力较小，对抗风有利；2）风力受建筑物周围环境影响较大，处于高层建筑群中的高层建筑，有时会出现受力更不利的情况，要适当加大安全度；3）风力作用具有静力和动力两重性质；4）风力在建筑物上的分布很不均匀，在角区和立面内收的局部区域，会产生较大的风力；5）与地震作用相比，风力作用持续时间较长；而且在建筑物生存期内出现较大风力的机会较多；6）由于有较长期的气象观测，风力大小的估计比地震作用可靠，因而抗风设计有较大的可靠性。

而风对建筑物的作用会产生以下的结果：1）强风会使外墙、装修等产生破坏；2）风力作用会使结构开裂或留下较大的残余变形；3）风力使建筑物产生摇晃，使居住者感到不适；4）长期风力作用会使建筑结构产生疲劳。

当然，至今为止世界上各国都还没有发生过由于风力作用而使高层建筑产生严重破坏或倒塌的事故，但确有一些建筑物（尤其是钢结构）在台风过后留下了很显著的残余变形。

出于强风作用的机会比地震作用多得多，因此产生风力损害的情况比地震灾害多。

据统计，每年全世界风灾损失大于地震震害损失，所以高层建筑抗风设计有很重要的意义。

高层建筑的抗风设计需考虑以下几方面的因素:①重结构构件的承载能力和变形能力;②承重构件和管道设备的正常工作;③精密仪表(如电子计算机等)的正常运行;④居住和使用者的舒适感;⑤建筑物四周的风候环境。

抗风设计在台北101中则表现在以下几点：为防止强台风和地震带来的灾害，台北101的地基设计非常特殊，一直深入到地下80m深。

据说这栋建筑物的设计使它能够抵挡2500年一遇的最强烈的地震。

大楼92层悬挂着一个看起来并不起眼的球状体，名为阻尼器。

这个世界最大的阻尼器重达800t，它的功能就是运用反作用力降低大楼受到强风和地震作用时产生的摇摆。

基于舒适度的需求，本大楼必须有额外的阻尼系统或消能装置以减低塔楼受风时的摇晃程度，经提出多种减振装置之评估后，选择调质阻尼器以解决风力舒适性的问题，而随着大楼受风力而摆动的钟摆式调质阻尼器同时成为建筑师空间表现的另一项特点，调质阻尼器设置的位置与造型配合建筑空间的规划而于87~92层间设置球形质量块，下图为风阻尼器设置位置及其基本构造图，类似单摆之被动式调质阻尼系统系由8组φ90 mm的高强度钢索透过支架(Cradle)托住球体质量块的下半部，而将660 t 的载重悬吊支承于92层结构，支架周围并设置8 组主要油压式阻尼器以达到消能减振之目的，直径约为 5.5 m的球体质量块共由41 层厚度125 mm之圆形钢钣分片吊装至87层后电焊组合而成，各层钢钣之直径则配合球体形状呈约2.1~5.5 m之尺寸变化。

此外为避免大风及大地震作用时质量块摆幅过大，87 楼夹层楼板上方另外使用缓冲钢环及8 组防撞油压式阻尼器，一旦质量块振幅超过1.0 m时，质量块支架下方的筒状钢棒则会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动。

在立面设计中，台北101的竹节外形与真正的竹子有共同之处，他的分段结构能够增加建筑的支撑强度。

每一段都能将大楼的重量从外部集中到中间而让大楼更加坚固、更轻、更有弹性。

复杂的巨型钢架结构是台北101核心创造之一，它的中心是举行的悬臂骨架，外层则由8根超级坚固的巨型钢柱组成。

它们就像是有弹性的脊椎，则使大厦富有弹性。

在大风作用是能够摆动而不断裂。

这种规模的钢架结构，过去在其他的摩天大楼从没有出现。

另外台北101的玻璃在风的作用下也不像一般超高层建筑那样易碎，它采用的是一种特制的玻璃，玻璃险被加热到1000度高温，然后急速冷却。

这道工序可以让玻璃又脆变硬，承压能力提升至普通摩天大楼玻璃的两倍。

高层建筑结构抗风舒适度的可靠性分析风荷载是建筑物的主要荷载之一，对于高层、高耸结构风荷载引起的效应在总荷载效应中占有相当大的比重，甚至起决定性作用，因而风荷载及风荷载作用下结构的静、动力响应常常是高层、高耸及长跨结构研究的主要内容。

风对高层、高耸结构的影响包括安全性和适用性两个方面，而结构可靠度理论是研究结构安全性、实用性和耐久性的基本方法。

因此研究风荷载作用下高层、高耸结构的抗风可靠度，也是高层、高耸结构抗风设计和风振控制的基本方法。

在侧向力作用下，高层结构发生振动，当振动达到某一限值时，人们开始出现某种不舒适的感觉。

由于建筑高度的迅速增大、建筑结构体系的不断改进、以及大量轻质材料的使用等方面的因素，使得高层建筑结构越来越柔和，再加上风作用频繁，就使得舒适度成为高层建筑设计和控制的重要因素，甚至是决定因素。

高层和超高层建筑钢结构由于高度的迅速增加，结构振动阻尼变小，风荷载对高层建筑的影响更加显著，高层建筑钢结构对风运动的人体舒适度则上升为首要和控制的因素。

为了更合理的研究结构的舒适度和进行结构设计，有必要对舒适度从可靠性角度进行分析。

抗震设计分析台湾地区位处欧亚大陆板块与菲律宾海板块之复杂交接地带，在台湾的东北部，菲律宾海板块由南向北沿着琉球海沟向下嵌入欧亚大陆板块下方，而在台湾东南部，欧亚板块则又引没入菲律宾海板块而一直向东延伸至马尼拉海沟。

因此板壳运动持续进行而不同规模的地震仍然发生频繁，而有别于一般超高层大楼以抗风设计为其主要，台北101大楼耐震设计的重要性与抗风设计相当。

在满足抗风设计的需求下，101 大楼结构已具基本的劲度与强度要求，而其结构系统虽以巨形构架系统为基本概念，但大地震发生时，韧性抗弯构架中柱与柱之间的梁柱接头仍需形成塑性铰以消散能量，对于需要发挥韧性的接头则采用国科会专利之高韧性接头以确保梁柱接头之韧性容量能满足设计需求，而图所示之高韧性接头主要是将梁柱接头的形式配合弯矩强度的需求进行断面修正。

其在修建过程中发生里氏级6.8级的大地震，大楼受68横祸，强震将架设于50层楼上的吊车吊臂震断坠落，砸毁了工地办公室，造成多人死伤。

但建筑基本完好。

超高标准抗风制震设计结构师们以远超过建筑法规高层建筑的10倍防震标准，1000年回归期的耐震强度设计，实际可承受2500年一遇之10级以上大地震，在抗风设计上则可承受相当于17级以上之强烈台风。

地质钻探侦测也证实信义路毫无断层通过。

另外采用先进制震设备，800吨抗风制震，风阻尼器，自动计算摇晃幅度、自行调整移动方向，确保大楼内人员之舒适性。

实际上高层建筑的抗风理论在其它分支理论中属于较新的理论,随着现代计算机技术的发展, 人们越来越重视运用工程数值仿真方法。

国外一些公司或机构已开发了专门的软件对结构进行风场分析,进而对工程结构的抗风设计提供依据。

国际上已有专用的计算流体力学软件可预测实际工程的流场和结构物表面的风压分布, 如英国的CFX、奥地利的SWIFT、美国的FLUENT、日本的STAR-CD等。

北京大学曾与CFX公司合作对厦门国际银行工程进行风压分布分析, 取得了较好的效果。

其中有的软件还能考虑风和结构的相互耦合作用, 如美国的AN-SYS 等, 工程数值仿真为研究风工程和抗风设计提供了有利的保障,有着广阔的发展前景。

在学术封面已有许多工程师开始注意结构的空气动力性能。

参考文献《台北101大楼抗震揭秘》，《世界第一楼_台北101大楼之结构设计》，《台北101大楼的耐震及抗风设计》《欲与天公试比高现代建材支撑起人类的理想_从台北101大楼谈起》。