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【案例欣赏】世界各地超高层扭转结构赏析

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建筑学家安东尼·高迪曾说,“直线属于人类,曲线属于上帝”。然而,当“上帝之转”真的在人间呈现,又会是一番怎样的光景? 随着人类社会的发展,超高层建筑在全球范围内涌现,其中也出现了一批扭转式的建筑。扭转式的超高层建筑以其变化丰富的外形,开阔的建筑视野,得到了很多业主和建筑师的青睐。建筑师们在很多地方提出了类似的大胆创新结构。 扭转式的超高层建筑给城市景观增添了一道独特而优美的风景线,而当你在观赏其壮观的时候,是否有想过,在这些绚丽的外表背后,这些建筑的设计和建造是否存在不一样的科学原理和自然规律。


建筑学家安东尼·高迪曾说,“直线属于人类,曲线属于上帝”。然而,当“上帝之转”真的在人间呈现,又会是一番怎样的光景?


随着人类社会的发展,超高层建筑在全球范围内涌现,其中也出现了一批扭转式的建筑。扭转式的超高层建筑以其变化丰富的外形,开阔的建筑视野,得到了很多业主和建筑师的青睐。建筑师们在很多地方提出了类似的大胆创新结构。

扭转式的超高层建筑给城市景观增添了一道独特而优美的风景线,而当你在观赏其壮观的时候,是否有想过,在这些绚丽的外表背后,这些建筑的设计和建造是否存在不一样的科学原理和自然规律。


 1      扭转式建筑的定义


世界高层建筑与都市人居学会(CTBUH)中对扭转式建筑的定义为,建筑的楼面或者立面随着建筑高度旋转而变化,使得建筑立面显得更纤细、富有更多的变化和建筑视野更为开阔。


▲ 主要的扭转式超高层建筑(CTBUH)


通常对建筑体型进行一定的扭转,可以十分有效地减少建筑所受的风荷载,并且旋转不同的角度对减少风荷载的效果也不同。


▲ 扭转体型对风荷载的影响 (Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations)


从下图中可以看到,对于矩形形状的建筑,当外形沿高度扭转180时,地震作用下的加速度及变形情况相差不大,但是风荷载下的加速度和变形可以得到有效控制。


▲ 扭转体型对风荷载下的加速度和位移的影响(Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations)


下图为不同气动外形建筑的顺风向(蓝色)和横风向(红色)基底弯矩不同风向角下最大平均值和脉动值的对比情况。从图中可以看到,对矩形模型进行扭转处理后其平均和脉动风荷载都有不同程度地减少。以旋转360度对风荷载的减少效果最为明显,与矩形相比对横风向风荷载的减少超过60%。对建筑外形进行扭转处理将对超高层结构抗风起到很好地优化作用。


▲ 不同扭转体型的最大平均倾覆力矩系数的比较


▲  不同扭转体型的最大脉动倾覆力矩系数的比较( Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations )



 2      常见的扭转式建筑


达芬奇塔


最著名的扭转式摩天大楼不得不提到迪拜的“达芬奇塔”, 最初是由意大利建筑师戴维·菲舍尔(David Fisher)在2008年提出的,每个楼层都可以单独360度旋转,建筑物的形状每一秒都在变化,看起来非常科幻。


▲ 达芬奇塔


达芬奇旋转塔由一个中央混凝土核心用来容纳重要的静态设施,如电梯,楼梯,管道和其他设施。这是项目中唯一必须在现场建造的部分。为确保安全、成本效益和质量控制,每个楼层的12个独立单元都是在工厂预制的。每个单元都是独立的,包括所有必要的电气,管道和空调。单元连接在建筑物上,并被吊到塔顶。


▲ 达芬奇塔中的装配式的应用


整个建筑除了具体的核心外,都由预制的单元组成,包括地板,水管,空调和所有的装饰处理。由单独的楼层组成,结构合理灵活,抗震性能非常高。


▲ 达芬奇塔建造示意


这些由钢铁,铝,碳纤维等高品质现代材料制成的预制装置,通过现场“机械式”安装,这样施工时间短,使用工人少,从而降低了现场风险,并能节省50%的成本。


▲ 达芬奇塔


从宣称要建造一座有80层,高度420米,集各种世界第一于一身的摩天大楼,到如今已经过去了大约十二年的时间,希望土豪迪拜这一次能够真的兑现。


南京江北新金融中心

建筑设计:PCPA & ECADI

结构设计:ECADI


▲ 南京江北新金融中心


建筑高300m,在平面上采用了“天圆地方”的概念,各层平面由底部的方形逐步变为顶部的圆形,且在立面上略有收进;在各层平面形状变化的同时,体型从底到顶整体逆时针扭转了30°,首层扭转角度最大,以上各层递减 。


▲ 建筑平面随高度变化情况


“密柱框架-核心筒”结构体系。由于斜柱在竖向荷载作用会产生环向的水平分量,为提高结构整体性,在外框中设置了一道环带桁架。


▲ 结构组成


与常规的框架-核心筒结构相比,水平荷载作用下,受力、变形特征相似。 由于斜柱的原因, 在竖向荷载作用下的受力、变形特征与常规结构不同,是需要重点关注的。



台北陶朱隐园住宅大楼

建筑设计:Vincent Callebaut Architectures SARL, LKP Design

结构设计:King Le Chang & Associates


▲ 陶朱隐园


陶朱隐园位于台北,是一座以垂直森林为原创的建筑地标,取名自中国春秋时代陶朱公(范蠡),传承其利己、利邻、利天下的理念,以公益精神回馈世人。被美国CNN评选为2016年全球九大城市地标之一。


▲ 陶朱隐园


陶朱隐园的主结构系统是整体的建筑设计。建筑师从生命科学中得到启示,建筑的中间重心是一根主柱,然后自二楼开始到顶楼,两侧的楼层面沿顺时针方向向上攀升,旋转4.5度,全栋旋转90度,使之看上去像DNA螺旋体。结合经典几何与现有科技应用,建筑内有超大的无柱空间。除阳台边上外,住宅使用空间没柱,单数楼层也全部没有内柱),而楼板至梁底净高达3.0公尺。


▲ 陶朱隐园


上部结构为21层,标准层高为3.6m,总楼高不含屋顶突出部分为78.75m。另21层上方设有5m高的屋顶结构桁架及3层共9.45m高的屋顶突出部分,故总高度为93.20m。下部结构为4层,地下室深度为14.40m(不含隔震及基础层),因工程设计为隔震结构,故在地下4层下方设计有总深度为3.30m 的隔震层,以设置隔震系统。



▲ 陶朱隐园结构概念图



▲ 陶朱隐园结构组成


从上图可以看出, 为使结构设计能与建筑理念相呼应,并解决在旋转几何条件下室内无柱的难题,结构设计突破传统梁柱结构的思维,以三维框架的概念来思考。项目的上部结构由数个单元所组成,包含中央钢核心筒、屋顶伸臂桁架、两侧旋转而上的巨型柱以及两层楼一组的空腹桁架,各个结构单元相互配合。


▲ 陶朱隐园的巨柱布置


▲ 陶朱隐园空腹桁架布置



▲ 陶朱隐园结构系统


▲ 陶朱隐园施工进度


▲ 陶朱隐园


梦露大厦

建筑设计:Burka Architects; MAD Architect

结构设计:Sigmund Soudack & Associates Inc


▲ 梦露大厦(CTBUH)


位于美国迈阿密的Grove at Grand Bay Tower有南北两座塔,两座塔高度都为94m,每层扭转约1.84度,到顶部累积扭转38.7度。


▲Chicago Spire (.gif">CTBUH)



Chicago Spire由西班牙建筑大师卡拉特拉瓦设计,高609.6m,最顶端扭转了360度。但由于经济原因,最后并未施工。



 3      小结


扭转式建筑越来越受到建筑师的青睐,也给超高层建筑带来了一种别样的形式。扭转式的超高层结构与常规超高层结构最大的区别主要在于 竖向荷载下的受力及变形特征的区别 。在极端情况下, 竖向荷载可能变成控制工况 。扭转式结构中的楼板是传递竖向荷载水平分量的关键构件, 楼板的设计、楼板与外框及核心筒的连接设计 变得至关重要。


以上内容均为均为小编个人观点,如有错误,欢迎交流指正。


参考资料:     

[1] CTBUHJournal | 2016 Issue III.

[2] https://www.ctbuh.org/. 

[3] Hideyuki Tanaka a,n, YukioTamura b, KazuoOhtake, ect. Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations.

[4] 张敬礼,叶秀信.台北陶朱隐园住宅大楼结构工程设计[J].建筑钢结构进展,2016,18(01):55-65.

[5] 马晖,吕海双,罗承师,汪洋,林奉军,梁兆麟,信瑛佩.深圳前海世茂金融中心塔楼结构设计及分析[J].建筑结构,2015,45(24):58-65.

[6] 李英民,姜宝龙,张梦玲,陈彬彬,李辛宇.重庆高科太阳座大厦模型结构振动台试验研究[J].建筑结构学报,2019,40(03):142-151.



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  • lyy2010lyy
    lyy2010lyy 2020年09月16日 08:48:32 2楼

    看起来非常漂亮,都是钱堆出来的。造价是普通的多少倍?

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