超高层结构设计探讨

　　分段双向斜直柱框架-核心筒结构体系,扭转60度，总高约240m（仿宁波中银大厦、深圳前海世贸金融中心）
　　7度抗震 180m地标塔 框架+核心筒+砼楼盖 合肥铜冠广场结构模型（笔者2014年设计完成）
　　7度抗震 300m地标塔 框架+核心筒+3道伸臂桁架+组合楼盖 珠海某金融大厦（2015年建模，由现代都市院设计）
　　重庆来福士T3塔楼360m 4根型钢砼巨柱+核心筒+4道伸臂桁架及环带桁架加强层+组合楼盖 由重庆市院+巴马丹拿设计
　　重庆凯德来福士项目分别由8栋高层建筑，其中包括2栋约350m综合商住楼、6栋约250m高的公寓
　　其中4栋由一座空中花园彼此相连，另外还有一大型商业商业建筑。
　　T3N、T4N结构体系
　　a)  简介
　　本项目地下室3层，商业建筑6层，商业建筑以上T3N塔楼为73 层，T4N塔楼为71层。两塔楼结构高度约356米（从底板算起），高宽比约9.4。
　　b)  结构体系
　　T3N和T4N塔楼结构高度约356米，为超B级高度建筑。T3N建筑功能为高档住宅，塔楼标准层（即商业建筑顶以上）共分为5个区域，每个区域之间有避难层。T4N标准层低区为办公楼高区为酒店。塔楼标准层（即商业建筑顶以上）共分为5个区域，每个区域之间有避难层。两塔楼核心筒和结构平面布置对称，塔楼底部平面尺寸约为38X38米，其南北向尺寸在中上部沿立面突出，在约L34层附近达到最宽，平面尺寸约为44X38米，向上其南北向平面尺寸逐渐减小，顶层最窄处约为34X38米。钢筋混凝土核心筒基本位于结构正中，整体结构布置规则，对称、无凹进。T3N典型层高3.8m， T4N低区办公楼和高区酒店典型层高分别为4.3m和3.6m；两塔楼避难层层高均为6~9m不等。
　　厦门建发国际大厦（由上海民用院设计）
　　厦门建发国际大厦
　　高档写字楼，地处厦门东海岸的会展中心北片区。其地上建筑由一栋48层（215m）超高层办公楼（主楼）和数栋多层商业用房等组团构成，地下为三层的超大地下室。总建筑面积约16.4万m2,其中主楼面积约8.3万m2。主楼（办公楼）地面以上共48层，建筑高度约219.4m，平面类似弧形，底部长度约为48m，宽度约36.5m，高宽比约为6.0。上部结构采用钢-混凝土混合结构体系，即钢管混凝土柱-钢梁-混凝土核心筒体系，楼面采用组合楼板。钢管混凝土柱均为斜柱，1～15层向外倾斜2.45度左右，16～47层向内倾斜0.95度左右。利用建筑避难层第15层和第31层设置Y向伸臂桁架，以改善该方向结构的变形性能。外围框架梁与柱刚接，内部框架梁与墙铰接、与柱刚接，伸臂桁架与墙刚接、与柱铰接。
　　上海静安兴业太古汇170+250m双塔（笔者2011年参与设计）
　　「兴业太古汇」南京西路商圈的收官之作，由太古地产与香港兴业国际共同投资，设计团队由上海建筑设计研究院有限公司与王欧阳（香港）有限公司、AECOM艾奕康、佰诚中国工程有限公司共同组成。在兴业太古汇的基地中，有一栋欧洲城堡式的建筑，它建于1920年代，距今已有百年历史，是上海颜料大亨邱信山、邱渭卿弟兄所建的大宅，后被民立中学购买。2001年10月，美国国务卿鲍威尔在参加APEC会议的最后一天，由使领馆馆员陪同漫步静安南京路，在路经威海路号民立中学时，被其吸引驻足许久。在2010年，兴业太古汇为了保护这栋百年老宅，将其整体平移57米到威海路上，整个平移工程前后历时半年。未来这栋文化遗产将被命名为「查公馆」，以纪念兴业国际的创始人査济民先生。
　　兴业太古汇邀请了太古的御用设计所法国Hugh Dutton & Associés为其设计了长达250米的商场天幕，整个天幕运用了参数化设计的理念，结合成一个灵动的整体，数学与美学的完美结合。
　　温州世贸中心（由上海民用院设计）
　　本工程地面以上结构分成2部分：塔楼结构和裙楼结构。如前所述，尽管合理的结构设计应该将裙楼结构与塔楼结构分开，但建筑师要求裙楼与塔楼之间不能设置双柱，故结构方案是将裙楼大跨度的钢结构桁架采用钢板铰接的形式连接在塔楼的外框柱上。塔楼结构的基本形式是框架－核心筒结构。核心筒采用钢筋混凝土，外框柱采用型钢混凝土柱子，楼盖分别为钢筋混凝土梁板结构、钢梁(或型钢混凝土梁)组合楼板结构。外框架的周边梁全部采用箱形断面的钢梁。由于塔楼属于超B级高度的超限高层，为了提高结构的抗侧刚度，利用设备层设置3道结构加强层。结构加强层由两部分组成：沿外框架的周边设置2层高度＂人字型＂钢支撑桁架，作为周边加强带；内部设置2层高度，由＂井字型＂型钢混凝土梁和人字型钢支撑组成的伸臂桁架，与核心筒的外墙组成伸臂墙结构。
　　上海中心结构设计简介（由同济院设计）
　　为了比较风洞试验结果与规范计算值的差别，RWDI 按顺风向与横风向坐标重新分析了风洞试验数据。在递交给结构工程师的结果中，为了方便结构设计，风荷载是按结构坐标系统（即建筑物坐标）给出的。顺风向荷载的比较结果说明，风洞试验的结果远小于按体型系数1.3 得到的规范计算荷载。这主要是由上海中心大厦的空气动力外形造成的。1.3 体型系数一般适合于矩形截面的建筑物。根据风洞试验值反向计算，得到上海中心大厦的等效体型系数仅为0.95 左右。在计算横风向荷载时，如果将适用于圆形截面的斯托罗哈系数由规范值0.2调节到根据风洞试验获得的数值0.16，则规范值与实验值接近。试验获得的斯托罗哈系数0.16介于圆截面与矩形截面之间，结果比较合理。
　　7.1 塔楼抗侧力体系
　　塔楼抗侧力体系为＂巨型框架—核心筒—外伸臂＂结构体系。在八个机电层区布置多达六道两层高外伸臂桁架和八道箱型空间环形桁架。由箱型空间环形桁架和巨柱形成外围巨型框架。此抗侧力系统已超出一般意义上的由少量外伸臂桁架及巨柱构成的＂核心筒—巨型柱—外伸臂＂结构体系，形成了＂巨型框架—核心筒—外伸臂＂抗侧力体系。无论是从抗侧效率还是结构的安全度方面，均有一定的提高及创新。该体系由以下三个部分组成：第一部分：内埋型钢或钢板的钢筋混凝土核心筒第二部分：由八根巨型柱，四根角柱（仅布置在地下室及1-5区），八道两层高的箱型空间环形桁架（位于各加强层）组成的巨型框架第三部分：连接上述两者的多达六道外伸臂桁架，分别位于2、4、5、6、7、8区的加强层。在上述三个部分中，以混凝土核心筒为主要抗侧力体系，在地震作用下，主要承担48%左右的基底剪力及22%左右的倾覆弯矩，巨型框架和外伸臂为次要抗侧力体系，两者承担52%左右的基底剪力和78%左右的倾覆弯矩，外伸臂桁架将巨型框架与核心筒相连，使两者能有效协同工作。
　　上海北外滩国际航运中心（2012年笔者完成设计）
　　1号塔楼
　　2号塔楼
　　1.1 项目概况 汇山项目工程地处上海市虹口区北外滩，濒临黄浦江。根据规划，汇山项目东至秦皇岛路及瑞丰大厦边界、西至公平路、南至黄浦江、北至杨树浦路及相邻边界，整个规划分为东、中和西三块，总建筑面积 566720m2，其中地上 320900m 2，地下 245820m 2。基地内布置有前后两排建筑，主要将用于发展国际航运贸易，商务办公和政府服务等功能，并设有商业，游艇港池及地下停车等设施，建成后将成为国际航运贸易服务集聚区。
　　B02 位于地块 F 分区的东南角(见图 1A)。其北面与高层办公大厦相对，东侧为地块内通往地下车库的交通辅路，南面紧邻黄浦江，西侧则为游艇港。结构主屋面标高 51.5 米，建筑面积约 20，000 平方米。其地上部分共 10 层，地下部分共有 3 层，与地块内其他建筑的地下空间连通成为一体，地下一层为商业服务区，其余两层用于地下停车。
　　B01是汇山项目中最高的高层办公大厦。其地上部分共有34层，建筑高度为187.5米，总建筑面积约为60，000平方米，以商务办公为主，内部设有多个室内空中花园和交易大厅，并附有多功能厅，会议厅，咖啡厅，休息室等配套设施。地面层为约25米的大空间,从第2层（标高30.0米）开始往上分为7个办公区域（cluster），每个区域拥有5层空间(顶部3层)，每个区域典型的楼层层高为4.5米；地下部分共有3层，与地块内其他建筑的地下空间连通成为一体，其中地下一层为商业服务区，其余两层用于地下停车。地下室设多条施工后浇带，用以解决结构过长带来的不利影响。1号楼2层以下至广场层平面（标高7.5米）之间开敞，在此间剪力墙连续至基础平面，上部的钢柱在30.0米处往下截面增大并采用钢-混凝土组合柱子。在结构体系上，主体结构采用钢框架-钢骨混凝土剪力墙组合结构的双重抗侧力体系形式，其中梁柱采用钢构件，楼板采用压型钢板上浇筑普通混凝土楼面形式。侧向力由混凝土核心筒、钢框架和钢支撑共同承担。
　　7 结构体系说明
　　7.1  2 号楼地面以上 11 层，宽约 58.8m，长约 61.2m，平面呈＂L＂形，屋面标高 51.50 米。抗侧力体系采用框架-剪力墙，2 层及以上典型楼板厚 120mm，屋面板厚 150mm，连体部分楼板 150mm；主梁高度为 600mm，宽度 450~600~800mm 不等；次梁高度 600mm，宽度 300mm。详图 2A 7.2 裙房和地下室 由于 2 号楼没有裙房，塔楼地下室 B2 层板厚 150mm，B1 层嵌固端厚度 200mm，广场层板厚200mm；地下室主梁高度为 900mm，宽度 600mm 不等；次梁高度 600mm，宽度 300mm。典型柱网 8.4m。
　　7.2   1号楼为钢-混凝土组合结构，地面以上楼层楼板采用 75 毫米高压型钢板上浇筑 75 毫米混凝土的组合楼板形式，典型钢梁高度 0.75 米~1.15 米不等。结构 2 层以上主要钢柱尺寸为 0.5 米×0.8 米和 0.8 米×1.0 米以及 1.0 米×1.0 米三种。抗侧力体系由钢框架、钢支撑以及混凝土剪力墙共同组成。1 号楼自地面（广场层或街道层）至第 2 层结构层高约 22.5~25 米，中间没有楼板，形成大空间。在此区间内，混凝土核心筒外壁厚1.3 米，矩形钢柱 1.2 米×1.2 米，内部浇筑 C60 混凝土，形成钢管混凝土组合柱。
　　哈尔滨国际农业博览中心（笔者2018年完成）
　　1.1.2 项目概况 1 号地块共有 3 栋超高层商办塔楼，其中 T1 塔地下 3 层（含夹层），地上为 52 层的酒店办公楼， 主体结构高度 247.5 米，塔楼呈正六边形，长宽均为 58.8 米；裙房为 6 层的商业用房，总高度 33 米。
　　方案1
　　SRC柱+钢梁+砼核心筒
　　由于本工程高度较高，超过7度区混合结构高度限值190m较多，纯钢柱轴压比难以满足设计要求，混凝土框架柱截面太大，减少建筑有效面积太多亦不在考虑之内。故为了限制底层柱截面大小以及控制轴压比并具有较好的延性，决定采用劲性柱或者钢管砼柱。本方案优点：施工工艺成熟，结构整体造价稍高，后期维护成本低。缺点：梁柱节点施工比较麻烦，施工周期较长，柱截面略显粗壮。
　　方案2（推荐方案）
　　CFT柱+钢梁+砼核心筒
　　★主楼拟采用钢管砼框架-砼核心筒混合结构,框架抗震等级为一级，核心筒抗震等级为特一级。本工程设置3层地下室，采用框架结构,塔楼区域内地下室框架抗震等级同上部主体结构且逐层降低。
　　★结构平面为正六边形，剪力墙分布比较均匀，通过调整内外筒剪力墙的厚度，使其刚度与框架适配并共同工作，单向主次梁系组成的框架结构，带有延性的框架满足了规范的双重体系要求。
　　★结构标准层布置图见图7.3，YJK计算结果表明该方案整体刚度满足抗侧力要求，竖向构件上下连续均匀变化，结构具备二道抗震防线，扭转周期比仅为0.58，最大位移比为1.09（X向）、1.14（Y向）。为了改善框架柱的延性设计，通过与建筑专业协商并争取业主的同意，结构标准层层高加大到4.5m。
　　本方案优点：构件采用工厂加工现场安装方式进行施工，施工周期较短。柱截面较小，结构自重减轻。
　　缺点：柱子防火防腐处理造价增加。
　　另类高层建筑系列欣赏
　　澳门摩珀斯酒店（外网格支撑筒）
　　北京保利国际广场（斜交网格支撑筒）
　　莫斯科进化大厦（扭转巨型柱框架-核心筒）
　　英国伦敦瑞士再保险总部大厦（斜交网格支撑筒）
　　天津周大福中心（曲线巨型柱框架-核心筒，由华东院设计）
　　加拿大梦露大厦（华裔建筑师马岩松设计）
　　2015~2016年自行学习国内外超高层建筑基础上，积累经验和心得，个别项目笔者主创设计或参与设计，感谢那些痛苦求知的岁月，学无止境，与君共勉！
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