结构案例赏析 | 天空的极限——瞭望塔

本文转自：iStructure,ID: iStructure2017;作者：彭超。

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自史前时代以来，塔就被人类使用。已知最古老的可能是新石器时代的耶利哥城墙（公元前8000年）的圆形石塔。秦始皇时代，中国人将塔（防御塔）作为公元前210年中国长城的组成部分，烽火召诸侯。

塔是罗马时代和哥特时期建造的教堂的重要特征。许多教堂塔楼用作钟楼，但最有名的钟楼——比萨斜塔（1174），是一个独立结构。在民用建筑中，塔经常被用来固定时钟。塔的使用在文艺复兴时期有所下降，但在17世纪和18世纪更加华丽的巴洛克式建筑中重新出现。

19世纪和20世纪后期，从艾菲尔铁塔（1889年）开始，随着钢铁的盛行，形形色色的瞭望塔以及超高层也不断突破着天空的极限。

规范对钢塔的定义是：主体结构由钢构件组成的自立式高耸构筑物，用做广播、电视、通信、旅游、观光等的支持物或发射体。本期就和大家分项几个有趣的瞭望塔结构。

英国航空i 360

British Airways i360

British Airways i360是世界上最高的移动观景塔，这座观景塔由162m高的钢塔和一个像是“甜甜圈”形状的玻璃观景舱组成，可以搭载200人升至138m的高空，塔身直径约3.9m，高度和宽度之比为40:1，因此该建筑被吉尼斯世界纪录收录为 “世界上最纤细的塔楼”。

甜甜圈观景舱由24段手工玻璃拼接而成，每个窗格都采用双层玻璃。主结构为铝合金，大大减轻了仓体的重量，同时和玻璃的组合营造了极致的通透。

观景舱直径18m、重94t，比伦敦眼的舱室要大10倍。该吊舱采用了目前最先进的缆车升降技术并运用了能量回收再利用技术，将缆车在下降时产生的能量再激活并作为上升时所需的能量使用。

i360移动观景塔是由穿孔铝片覆盖的，最大程度地降低涡旋脱落，减少了塔身上的风力。

因为太过“细长”，结构太柔，仅通过结构设计调节频率尤为困难。塔身内设置了78个水箱，改变了结构质量的分布和位置，这些晃动的液体阻尼器可以有效减小风致振动产生的动力变形。

塔身由17个“罐”组成，每个重在50~100t之间，塔身通过驳船直接运到海滩，并采用一种“自上而下”的液压顶升施工方法进行安装，有点类似施工塔吊的安装，无需采用任何起重机，所有施工作业都可以在地面上安全地完成。

罐与罐之间栓接，从图纸上可以看出螺栓的数量及直径从上到下依次增大，底部为两层螺栓。

塔于2016年8月4日开放。在完全封闭的观景台中，游客可以欣赏到布莱顿，南唐斯，英吉利海峡的360度全景。

丹麦森林瞭望塔

Camp Adventure Park Tower

当地事务所 EFFEKT 在距离哥本哈根以南一个小时路程的森林中，设计了一个45米高的螺旋式观景塔，结构设计为ARUP。

塔身提供360度全景，环顾四周的赫斯列兹森林（ Gisselfeld Kloster, Haslev ）。该受保护森林富有湖泊、湿地和小溪等的山地特色景观。

由于濒临湖泊，塔身材料采用免维护的耐候钢，塔的几何形状还受坡道倾斜度要求的控制，以便所有游客均可进入观景台。

塔身双曲面为直纹曲面，节点处为十字插板，方便了两个方向的连接，单层网格结构中较宜使用。构件分块吊装后与节点板现场焊接。

现场吊装

螺旋的坡道也契合了结构整体的形态，总长640m，通过短牛腿与主塔结构连接，同时也加强了塔身的侧向稳定。

小蛮腰——广州塔

Canton Tower

把直纹双曲面再拉长放大，我们就有了优雅的小蛮腰——广州塔。传统的高耸结构总给人棱角分明、沉重严肃之感，但广州塔却充满了柔美特质：线条流畅、玲珑有致、优雅灵秀，显示了高超的工程技术及精湛的建筑设计。

它的总高度600米，是中国第一高塔，世界第二高塔，仅次于东京晴空塔。然而“细腰”、“偏置扭转上升”给结构设计带来巨大的挑战。

主塔结构体系由内、外两个筒体构成，外筒由向上旋转的椭圆形钢外壳变化生成，结构构件主要包括钢管混凝土柱、斜撑、环杆，内筒是型钢混凝土结构。底部外钢筒承担了整个结构 60% 的竖向荷载、85% 左右的倾覆力矩。

外筒与内筒

环梁通过短牛腿与外框斜柱连接，当节点为铰接时，细腰处的临界失稳荷载倍数仅为1.095（恒+活+风），刚接后提高到6.269，可见节点刚度对整体稳定影响很大，当确定了节点的连接和构造之后，在同济大学做了节点刚度试验。

为进一步加强“腰身”，设置了4道水平面内支撑，较无支持情况稳定系数提高了约4倍。

 大家都知道广州常有台风，抗风设计可谓重中之重，所以塔身在438~448米标高层利用核心筒两边各一个650吨容量的铁制消防水箱作为减振系统块，以此来消减塔身的晃动幅度大约可以衰减40%的风振。

塔顶俯视

同时塔高范围共有 4 个透空区（无楼板区域），透空区除腰部设有 4 道支撑外，内外筒之间相互无联系，透空的设计也扰乱了风的平滑流动，从而减小了风荷载。有楼板区域楼面梁和外框柱采用铰节点。

天空的极限

Jeddah Tower & Dubai Creek Tower

在追求天空的极限下，人类的脚步从未停止，同时也伴随着质疑与抨击，一味追求高度的意义在哪里？对于工程师来说，超级工程带来最艰难的挑战或许就是最大的意义。

吉达塔，人首次建造的高度超过1,000米的建筑物。继迪拜828米高的哈利法塔（Burj Khalifa）之后，美国建筑师阿德里安·史密斯（Adrian Smith）的又一杰作。

不妨先看一组数据，塔身共167层，近8万吨钢材（超过6座埃菲尔铁塔的重量）和5亿立方米的混凝土，如此巨大的工程想要落地实则难上加难，工期也一拖再拖。

吉达塔的地基由270根超过1.50米宽的混凝土桩构成，埋在100米的深度内，并在其上铺设了5米多厚的筏板，

建筑师设想在167层有一个室外露台，小i 实在难以想象置身这样的室外露台到底是何等感受。

在迪拜，卡拉特拉瓦（SantiagoCalatrava）在新塔竞赛中获胜。这座塔楼位于迪拜溪港（Creek Harbor），靠近 Ras Al Khor国家野生动物保护区，塔楼采取了一种自然形态的尖塔，在建筑上呼应了伊斯兰的文化。

从效果图上看是塔楼被拉索紧紧拉住，形成了纤细优雅的形态，艺高人胆大，不得不佩服卡神，期待她建成的样子。

 还有些瞭望塔就不展开细说，放图供大家参考。

（据说是吉达塔的创意来源）

参考资料

1.熊伟, 周定, 王伟明. 广州塔结构稳定性设计分析[J]. 建筑结构, 2012(6):13-15.

2. Verbindingen_tussen_buisconstructies1.

3.https://www.arup.com

4.https://www.archdaily.cn

5. 维基百科.

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