根据理论与实证分析，40层（约150米）是超高层建筑设计的敏感高度（建筑超长的尺度特性将引起建筑设计理念的变化），这种变化迫使建筑师提出有效的设计对策，调整设计理念，应用适宜的建造技术。
超高层建筑犹如一条直立的街道，存在诸多难以妥善解决的问题，如安全、内部交通、环境、能耗等，越往上发展，安全性、耐久性、舒适性等问题就越多钢结构超高楼抗震，对结构、建筑、机电、暖通、电梯等专业的要求也更高。
01
结构体系
由于超高层建筑结构的特殊性，建筑内部不可避免地会存在梁、柱，在结构设计时应考虑异形柱的使用，尤其在超高层住宅单元设计中，很难充分考虑梁、柱的影响、避让和利用。
结构设计根据建筑的使用功能要求、不同的建筑高度以及拟建场地的抗震设防烈度，遵循经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系。一般分为框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、框架-筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系六大类。
20 世纪 90 年代以来，除广泛应用上述结构体系外，多筒结构、带加强层的框筒结构、连体结构、巨型结构、悬臂结构、错层结构等也逐渐在工程中得到采用。
进入90年代后，由于我国钢铁产量的增加，钢结构、钢混混合结构也逐渐被采用。如金茂大厦、地王大厦等都是钢混混合结构。此外，钢混结构、钢管混凝土结构也在高层建筑中得到广泛的应用。高层建筑结构所用混凝土的强度等级在不断提高，由C30发展到C60及更高的等级。预应力混凝土结构在高层建筑的梁板结构中得到广泛应用。钢材的强度等级也在不断提高。
高层、超高层建筑除采用钢筋混凝土结构（代号RC）外，在结构设计中还采用钢混凝土结构（代号SRC）、钢管混凝土结构（代号CFS）和全钢结构（代号S或SS）。
建筑高度为100m，柱网为8.4m，抗震设防烈度为6度，采用框架-剪力墙或框架-筒体结构体系较为经济合理。该结构体系的剪力墙或筒体是良好的抗侧力构件，往往承受风荷载、地震荷载产生的大部分水平侧力，整体刚度大，侧向位移小，满足玻璃幕墙外装饰要求。
超高层建筑楼面及屋盖具有较大的平面刚度，是竖向钢柱与剪力墙或筒体的平面抗侧力构件，同时使钢柱与竖向构件（剪力墙或筒体）协调变形。
一般钢结构建筑的楼盖均采用卷制波形钢板和现浇钢筋混凝土（简称钢支混凝土）楼盖，厚度不小于150mm。目前，在钢支混凝土楼盖设计中，一般不考虑钢支混凝土楼盖与钢梁的相互作用。这主要是因为对板的波形底面计算原理不太了解或认为计算繁琐，就按平板计算，这样不仅不安全，而且增加了钢梁的用钢量。
若采用钢梁与钢支混凝土楼板共同采用，简称MST组合梁，只要计算正确，配筋合理，螺栓可靠，楼板、屋架梁用钢量可节省20%左右，且无须对钢梁进行稳定性验算。
02
垂直运输系统
对于超高层建筑而言，核心筒设计需要平衡采光、节能、易维护、减少公共区域、不同业态核心筒统一等多重要求，是建筑设计的难点之一。
高层建筑与其他建筑最大的区别，就是有一个集中垂直交通、管线设备、在结构体系中起重要作用的“核心”，这个“核心”在形体构成上也十分重要，决定了高层建筑的空间构成方式。
随着高层建筑建设的发展，高度的增加和技术的进步，在高层建筑的设计过程中逐渐演变出一种以中心核心筒式的“核心”空间构成模式。
03
中央核心布局
建筑处理上，为争取尽可能宽阔的使用空间，希望将电梯、楼梯、设备用房、卫生间、茶炉等服务用房集中在平面中央，使功能空间占据最佳采光位置，力求视野开阔、交通便利。结构上，随着筒体结构概念的出现和层高的增加，也希望筒体具有更强的刚性，能够承受剪力和扭转。
在建筑中央部位有意识地利用功能相对固定的服务用房的围护结构，形成中心核心筒，核心筒位于几何位置的中心，也能使建筑质量重心、刚度中心与核心筒中心重合，更有利于结构受力和抗震。
这种“芯”空间构成模式经过长期的实践检验，凭借结构合理、使用方便、成本相对低廉等优势，迅速成为高层建筑中最受欢迎的空间布局形式。
虽然中央核心筒布局的筒周房间需要人工采光、机械通风，总会给人带来一些不适，但“核心筒”布局形式及其变型在数量上占有绝对优势，多数著名超高层办公楼也采用此形式。然而，作为超高层住宅，这种核心筒布局却存在诸多不便。
04
双面外芯管布置
随着时代的发展、科技的进步，人们对建筑的需求发生变化，设计侧重点有所差异，以中央核心筒为主流的高层建筑“核心”空间构成模式开始受到挑战。
第一次改变主要是造型的需要和建筑设计理念的变化，如1970年代前后出现的“双核”构图模型。双面外核筒的布局不仅利于疏散，对高层建筑的外观也影响巨大。贝聿铭设计的新加坡“华侨银行中心”、日本日建设计设计的“IBM总部大楼”就是当时流行的双面外核设计手法的代表。
05
分布式多个外核布局
随着时代的发展、科技的进步，人们对建筑的需求发生变化，设计侧重点有所差异，以中央核心筒为主流的高层建筑“核心”空间构成模式开始受到挑战。
第一次改变主要是造型的需要和建筑设计理念的变化，如1970年代前后出现的“双核”构图模型。双面外核筒的布局不仅利于疏散，对高层建筑的外观也影响巨大。贝聿铭设计的新加坡“华侨银行中心”、日本日建设计设计的“IBM总部大楼”就是当时流行的双面外核设计手法的代表。
06
电梯
在超高层建筑中，快捷、高效、顺畅的垂直服务是难点之一。
作为垂直运输工具，电梯台数的配置、控制方式及相关参数的选择，不仅会直接影响建筑物的一次性投资（一般电梯投资占建筑物总投资的10%左右），而且会影响建筑物的安全性和运行、服务的质量。在一栋建筑物中，合理选择电梯台数、容量、速度及控制方式是十分重要的。一栋建筑物中的电梯一旦选定、安装，几乎就成为永久的事实，以后再增加或修改是非常困难甚至不可能的。因此，在设计时，应在设计之初就充分重视电梯的配置。
现代超高层建筑大多在60层以上，楼内人流量大，垂直交通主要依靠电梯。超高层建筑电梯设计的关键是利用各种局部电梯服务，组织局部区域电梯系统。为到达这些局部区域，在地面出发站与局部区域的空中电梯厅之间采用快速穿梭电梯，乘客到达空中电梯厅后换乘区间电梯。为了尽快将乘客运送到目的地，一般每30~35层楼为一局部区域。
由于超高层建筑采用多台电梯系统，应采用微机电梯控制系统。计算机控制系统能及时处理大量信息，确定各站台的召唤信息和每台电梯的位置、方向、开闭状态、轿厢内召唤等状态，以提高运输能力，改善服务质量，提高超高层建筑的经济效益。
07
供电安全稳定
作为超高层建筑，安全性是供电系统设计中需要特别关注的第一点，其次是供电可靠性。在配电系统设计中，需要考虑多路供电及备用发电机组的配置。由于超高层建筑高度较大，可以考虑将变电站设置在塔楼中层，减少低压配电损耗。备用柴油发电机设置在地下室一层，供电电压为10kV输出，再经变压器降压为低压配电，保证向塔楼上层配电。
在超高层建筑的配电系统中，安装时的供电距离、电缆长度、适当调整电缆尺寸以及施工技术也是难点之一。由于超高层建筑面积大、楼层多，自然会出现远距离供电的问题。因此，备用电源可以考虑采用高压发电机发电，从而解决这一问题。
另外需要特别注意的是超高层建筑遇到强风时，可能会左右摇晃，由于超高层建筑都会有一定的摇晃，所以上行干线的设计可以考虑将电缆接入铜母线槽进行配电，这样可以减少超高层建筑摇晃时对铜母线槽连接部件位置的拉压力，减少发生故障和维修的机会，相对增加干线系统的寿命。
还要考虑到竣工后业主的便捷性，在电气设备的空间布置上要留有调整的余地。作为超高层建筑，楼层多，机电设备自然也多，为了让业主有更大的使用空间，在电缆、井道布置上，应尽量减少改建井道、缩井道占用的空间，为业主提供更多的使用空间。
08
消防
消防难度：超高层建筑由于其特殊的结构和使用要求，内部火灾荷载大，火势蔓延快，人员疏散困难，救援难度大，发生重大火灾的风险很大。如2009年2月中央电视台新址所属文化中心火灾，造成人员伤亡和财产损失。
防火设计要点：防火-防火控制-耐火
防火：建筑工程采用防火材料、防火构件、防火配件；装饰装修工程采用不燃、难燃建筑材料；易燃、易爆场所加强通风；安装防爆电器；使用不易燃地板等。
控制火灾，一要将火势控制在初始阶段，包括安装火灾自动报警、自动灭火系统，以便及早发现、初步扑灭火灾；二要将火势控制在较小的区域内，在平面和垂直方向将建筑划分为防火区和烟区，建筑之间留出适当的防火安全距离，切断火灾蔓延的路径，减少受灾面积，方便救援。
防火性：加强建筑结构构件的耐火稳定性，防止其在火灾中失效。
09
测量
超高层建筑一般由超高层塔楼和多层地下室组成，工程测量难度大，一旦出现施工测量失误，造成的损失将十分严重，且难以弥补和修复，因此工程测量是超高层建筑的重点和难点。
10
侧风效应
一些超高层建筑曾发生过停电、漏水等事故。从管理角度看，除了做好预防事故的预案、准备好备用系统外，一旦发生事故，懂得如何救援，是否有人掌握全局、了解系统所有细节，都非常重要。上海金茂大厦管理层曾遗憾地表示，大楼内1.4万多个阀门，竟然没有人能掌控。清洗玻璃也成了管理这些庞然大物的一个麻烦事。金茂大厦幕墙面积达10.18万平方米，据说两台擦窗机连续工作的话，一年也只能清洗一次全部玻璃。而且，由于大楼外观凹凸不平，屋檐突出较大，有些地方超过3米，清洗玻璃的难度相当大。
11
烟囱效应
冬季气温较低时，较低楼层（特别是一楼大厅）及地下室的冷空气会进入电梯井道，通过烟囱效应形成强烈气流，造成电梯门无法关闭。另外，一些较低楼层的气味也会被带到较高楼层，如厨房气味、油烟味等。此时，如果较低楼层或地下室有焊接作业或煤气泄漏，火源就可能随气流带到较高楼层，极其危险。同时，由于电梯轿厢与井道壁之间的间隙很小，电梯运行时，气流的摩擦会产生啸叫声，金茂大厦也存在这种情况。目前，这是一个国际难题，尚未找到好的解决办法。
12
管理和维护问题
一些超高层建筑曾发生过停电、漏水等事故。从管理角度看，除了做好预防事故的预案、准备好备用系统外，一旦发生事故，懂得如何救援，是否有人掌握全局、了解系统所有细节，都非常重要。上海金茂大厦管理层曾遗憾地表示，大楼内1.4万多个阀门，竟然没有人能掌控。清洗玻璃也成了管理这些庞然大物的一个麻烦事。金茂大厦幕墙面积达10.18万平方米，据说两台擦窗机连续工作的话，一年也只能清洗一次全部玻璃。而且，由于大楼外观凹凸不平，屋檐突出较大，有些地方超过3米，清洗玻璃的难度相当大。
十三
施工难度
1、超高层基础采用深基础。由于建筑物高大庞大，支撑高层的地基必须足够坚固，因此常采用深基础，并将持力层埋置在微风化岩层中。
2、超高层地下室深、多层、面积大，首先要满足建筑功能的要求，如人防面积、停车位数量等；其次在施工过程中要解决结构抗浮问题。
3、超高层结构多为混合型，如型钢混凝土、钢管混凝土、钢筋混凝土结构或全钢结构，其共同特点是施工简单、工期短、结构性能好、节省建筑材料，目前已成为超高层建筑最实用、最主要的结构形式。
4、超高层装饰工程装饰种类丰富，工程量大，技术含量高，要求高。超高层建筑装饰工程的安全功能尤为重要，对抗风压、风密性、水密性、气密性要求高。
5、建筑功能复杂，子系统多，安装工程量大，精度要求高。
6、新技术、新材料、新工艺广泛应用。
针对超高层建筑的特点，施工时应采取以下应对措施：
1、施工技术要有新突破
超高层建筑不是简单的建筑楼层的增加或者施工时间的延长，在建筑技术上必须加入新的元素和突破。
（1）深基础施工技术。根据地质条件，深基础一般采用大直径钻孔桩、冲孔（钻）灌注桩、预制混凝土管桩或预制钢管桩，其中一种或两种。对于总承包商来说，施工是按照设计的桩型进行的，主要考虑的是技术能力、设备能力、安全和质量控制能力。总承包商需要考虑成本因素以及获得这些能力的难度。
（2）大基坑开挖与支护技术。根据我国现行政策及建筑本身的需要，超高层建筑必然具有超大、超深的地下室结构。该部分工程施工的最大难点在于开挖与基坑支护。超高层建筑一般位于城市主干道上，场地狭窄，周边环境复杂重要。开挖方案至少应解决以下问题：
a. 进入和退出路线的选择
b. 土方设备的数量和性能以及进出安排的选择
c. 最终土方开挖及运输的具体措施
d.基坑支护技术优化及周边建（构）筑物、基坑边坡变形监测
e. 协调土方开挖、基坑支护，乃至桩基施工。
2.施工组织需要新思维
超高层建筑的垂直跨度很大，因此在施工组织中首先要解决的就是垂直运输效率的问题。利用有限的机械设备有序、有效地解决大量人员和物料的上下移动问题。
（1）大型机械设备的合理配置。需要计算现场人员流量，施工高峰期需要多少人乘电梯到现场，全部运送需要多长时间。结合施工进度计划，计算分析客、货电梯需要运输的原材料、周转材料、成品、半成品总量及周转率要求，计算工作时间。在此基础上，合理确定塔吊、客、货电梯的规格、数量；选择混凝土泵的性能和台数。实际应用中，150m以上的建筑应考虑布置一台高速施工电梯和一台普通施工电梯，分别服务于不同的施工区域。应选择能一次泵送到位的混凝土泵，油泵和电动泵均应配备。 塔吊的性能和布置不仅要满足钢筋、模板、钢管等物料的运输，还要考虑钢结构的吊装安装需要。精心规划，贴近实际，科学协调大型机械的布置。分析现场条件和地理位置，按照运输路径最短、运输能力最大的原则安排大型机械的布置。对于快速吊架、施工电梯，首要考虑的是楼层内的运输路线；对于塔吊，要考虑安装、拆卸的方便性、覆盖面积、贴墙的可行性等。
（2）机械要合理配置，不至于过剩，机械使用必然会产生冲突，制定机械使用计划是非常必要的。现场各工种、各工序的作业顺序必须事先安排好，并严格执行。这体现在垂直运输设备的使用安排计划上，每个人、每项都要清楚自己的运输时间和顺序，有计划、有组织地调整设备使用频率，提高其效率。
（3）采取技术措施减少对垂直运输的依赖。采用钢筋网、机械接头、大模板等措施可有效提高现场作业人员的劳动生产率，减少对作业工人和作业设备的需求，从而减轻垂直运输的压力。
3.施工质量要求高
在建筑总高度允许偏差方面，超高层建筑的质量要求与普通建筑有所不同，特别是在结构的安全性能和建筑使用功能的要求方面。超高层建筑承受的风压非常大，对气密性和水密性要求很高，玻璃或幕墙的三性检测报告必不可少。在装饰工程中，外墙贴砖的施工质量关系到建筑的安全，必须引起足够的重视，从技术工艺方面着手解决。外墙防水工程应在材料选择、工艺检测、工序质量监督等方面进行严格控制。
4.文明安全施工管理与普通施工的区别
超高层建筑文明安全施工管理与普通建筑施工有很多不同钢结构超高楼抗震，装饰工程与安装工程立体交叉施工，必须设置安全分隔区、防火分隔区，脚手架搭设、拆除计划必须经过批准、执行、检查，另外大型设备必须有安全防护措施等等。总之，文明安全施工要横平竖直，措施到位，责任到人。
5.简易马桶必须安装在地板上
由于超高层建筑施工人员集中，生活、生产区域布置有序，每日巡检，确保有效管控。
来源 | 筑龙结构设计
