天津周大福金融中心：有机的结构

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天津周大福金融中心

作 者：周 健   王 荣

在世界高层建筑与都市人居协会 CTBUH 2019年全球杰出奖15个类别的获奖名单中，天津周大福金融中心项目在最佳高层建筑奖（400米及以上）、最佳结构工程奖、最佳建造奖3个类别同时获奖。

原计划于2020年4月在芝加哥举行的高层建筑+都市人居先锋会议中角逐各类别最高奖及全类别最高奖。由于疫情原因该奖项的评比被延后。这里对这栋全球2019年内竣工的最高建筑的结构特点做一个简要介绍。

全球2019年内竣工的超高层建筑

项目概况

项目名称：天津周大福金融中心

项目地点：天津市滨海新区

项目类型：超高层综合体，含办公、公寓、酒店、商业

建筑面积：39万平方米，其中塔楼地上25.2万平方米

建筑高度：地上97层，地下4层，总高530m             

设计时间：2011~2016

建设时间：2013~2019

建设单位：新世界中国

建筑设计单位：SOM, 华东建筑设计研究总院 ,  Ronald Lu & Partners；                  

结构设计单位：SOM ,  华东建筑设计研究总院

机电工程师：WSP ,  华东建筑设计研究总院

施工总承包：中建八局

 

建筑形态的确定

通常的超高层设计推进方式是，建筑师先设想一个标志性的外形，然后把各种功能塞进这个形体，最后工程师基于上述前置条件寻找出一种最优解决方案。

天津周大福的设计过程与之不同，在最初建筑形态确定阶段就采取了一种将结构的需求充分融入建筑方案的理性策略，力图创造一座有机的建筑。

体现结构建筑融合的设计

 “有机”这个词源于生物学，后在各个领域经常被用于形容元素与元素间、元素与整体间密切联系的事物。对于强调结构与建筑之间和谐关系，或者基于自然形态的生成原理创造出来建筑，我们也可以称之为有机的建筑，其结构也同样具有了有机性。 

对于处于高地震烈度、较大风荷载地区的周大福超高层建筑，提高结构抗风和抗震能力是结构设计的核心问题，减小风荷载和地震作用是从源头上解决问题的途径，而建筑形态对于风荷载和地震作用的大小往往起到决定性的作用：立面逐步收进、形体圆润光滑、顶部通透可以很大程度减小风荷载；平面下大上小，可以降低建筑质心位置从而减小地震倾覆力矩。这二项结构需求被作为本项目形态选择时的基本原则。

通过优化体型减小风荷载

震动台试验

为了将办公、公寓、酒店这三种功能无缝集成在一个符合上述要求的形体中，位于下部的办公层面积做得比较大，中部的公寓层和上部的酒店层平面通过精减交通核面积逐渐减小；各层平面在正方形的基础上四角做圆；沿高度方向用光滑的曲线将三种功能平面连成一个曲线流畅的形态，并在顶部设置逐渐收小的半透空塔冠以营造向上凝聚的视觉效果。每个立面用变半径的内凹曲线沿高度进行切割，形成二条优美的切割线，给圆润的形态增加了挺拔感，形成了天津周大福标志性的轮廓线。

平面和立面曲线的弧度都根据结构气动分析的结果进行了优化，使得结构承受的风荷载最小。 立面上的切割线同时也是结构的重要元素，切口的位置是与结构充分讨论后确定的，既有效提高结构的刚度，又兼顾了结构的延性。 

结构体系

结构总体上采用框架-核心筒体系，但又具有明显的自身特点。

结构体系：组合框架-混凝土核心筒体系

                  外框带陡斜撑和环带桁架

设计使用年限：50年

安全等级：一级

抗震设防类别：乙类

地基基础设计等级：甲级

抗震设防烈度：七度半

场地类别：Ⅳ类

基本风压：0.65kPa（100年一遇）

外框架：

竖向杆件均沿建筑外表皮布置，使建筑空间利用最大化；形体切割形成的棱线上也布置了连续的竖向构件。 在48层以下的办公层区段，建筑外形从底部往上先微微外鼓然后明显内收，边柱以9米的间距布置。

位于棱线上的竖向构件在立面上呈“X”形，自然地形成了角度较陡的巨型斜撑，可以有效提高结构的抗侧刚度和外框结构的剪力分担比。“X”形斜撑的左右二肢在中部相距一跨并不相交，连接二肢的那一跨框架梁在中大震下可以通过屈服变形耗散部分地震能量，增加了结构的延性。

办公层结构平面

斜撑在底部起始处和中部转向处与柱子均逐渐靠近，以很小的夹角相交，从而使其轴力能通过较多的楼层分散传递，以减小应力集中。

本区段的柱和陡斜撑均采用圆形钢管混凝土（CFT）的形式，以适应杆件曲线的外形和便于杆件交接处理。同时，CFT较小的收缩和徐变变形可以减少外框与核心筒的竖向变形差，柱截面直径为2300mm至1200mm不等。   

51至70层的公寓层区段，建筑外皮相对平直，边柱间距与4.5米的公寓开间对应，位于棱线上的竖向构件与边柱位置基本重合，形成了密柱框架结构。

73至88层的酒店标准层区段，建筑外皮再次微微内收，棱线上的竖向构件也微微倾斜成较陡的斜撑，与外框架形成带陡撑的框架结构。

公寓层结构平面（L51~L70）

酒店层结构平面（L73~L87）

此二个区段采用矩形截面的型钢混凝土柱（SRC）。型钢混凝土柱相对较大的收缩和徐变变形，与此处收小后的核心筒变形更为协调，矩形截面也利于公寓室内的家具布置。边柱截面边长1100-1200mm，角 柱为异形截面。   

SRC角柱截面

89层至塔冠底，建筑外皮明显内收成锥台形。原角部的双柱相互靠近直至相交，每个立面的二条棱线也在同一标高相交，它们与外框梁一起构成桁架状的抗侧结构体系。

此处柱承受的荷载已经较小，因此竖向杆件均采用箱型钢管，以利于其空间形态的实现，截面边长1000mm 。

L89层以上结构平面

塔冠外框竖向构件由相交后的角柱和棱线构件分肢组成，各自按一定的空间曲率继续延伸，并再次与相邻角或相对面的构件相交，构件均为圆钢管截面。

塔冠中心利用楼电梯间设置钢支撑筒支撑顶部擦窗机层和卫星天线层，并与外框于顶部楼层相连形成较大的抗侧刚度。塔冠范围的外幕墙保持40%-60%的开孔率以减少顶部风荷载。

塔冠钢支撑筒

   塔冠顶部擦窗机层

全楼共设置了三道带状桁架以提高外框结构的侧向刚度，其中L48-L51的带状桁架兼做9米柱网至4.5米柱网的转换桁架，弦杆和腹杆均采用焊接箱形截面，腹杆内灌混凝土以实现CFT柱向SRC柱的过渡；L71-L73的环带桁架上下弦杆采用焊接H形钢,斜腹杆采用焊接箱形钢截面；L88-L89的环带桁架为便于实现由下部SRC柱过渡为上部的箱形钢柱,上弦和斜腹杆采用焊接箱形截面,下弦采用焊接H形钢。

全楼除在核心筒顶部设置一道帽桁架连接内筒和外框、同时作为塔冠的基座外，没有设置伸臂桁架。  

环带桁架-1

环带桁架-3  

核心筒：

塔楼核心筒由内外两圈剪力墙组成。为实现最大的平面利用率、同时减轻结构自重和实现刚度均匀变化，外圈墙厚由底部1500mm逐步减薄至900mm，墙长随竖向交通需求的降低沿高度分多次收进，先依次收进西南角、东北角、西北和东南角，再收掉全部外圈墙至 “井”字形，最终收掉外伸肢至仅剩内圈墙。

退台式收进核心筒

在23层以下的核心筒底部加强区和44至54层中部收进加强区，均采用含钢率不低于3%的内藏钢板和型钢的组合剪力墙进行加强；71至75层的上部收进加强区的约束边缘构件以及所有中震下出现拉力的墙肢也均设置型钢，角部暗柱内型钢均延伸至核心筒顶部。

楼面结构：

楼面梁采用钢梁，核心筒外楼板采用压型钢板组合楼板，筒内为钢筋混凝土楼板。由于建筑在下部楼层略有外鼓，加上曲线型的柱和斜撑构件实际加工由空间折线拟合，在竖向荷载作用下，所有转折点的构件水平分力差需依靠外框架梁的环箍效应和楼层梁的轴力来平衡。在计算梁轴力时偏安全地不考虑楼板的轴向刚度。

各个区段的结构布置和截面选择都根据建筑具体条件进行了优化。建筑和结构在设计的各阶段都被作为一个有机的整体进行考虑。

 

节点设计：

沿建筑全高，外框柱的截面形式由钢管混凝土CFT变至型钢混凝土SRC再变至钢管，其间与多道环带桁架相交；布置于棱线上的斜撑沿建筑立面上升过程中与角柱、边柱分别相交，这些均导致外框节点形式的多样性；核心筒内钢骨的设置也给钢筋混凝土节点带来复杂性。确保节点设计符合计算假定、构造合理、施工简便且美观也成为该工程的一个难点。 

斜撑与柱交叉节点 双CFT柱相交成异形CFT 柱

 

异形CFT柱向SRC柱的过渡节点

塔冠在帽桁架处节点

型钢连梁进墙节点

钢板组合剪力墙

基础与地下结构：

塔楼采用桩筏基础，直径1000mm的桩端、桩侧后注浆钻孔灌注桩，单桩竖向抗压承载力设计值为12700kN，钢筋混凝土底板5.5米厚。

塔楼外框柱在地下室范围均采用外包钢筋混凝土的形式，角柱与斜撑间通过钢板连系并外包混凝土形成3米厚角部组合剪力墙， 该墙体通过增设的翼墙与核心筒角部连接，加强了对塔楼的嵌固作用，同时提高了基础筏板的刚度和承载能力。

地下室范围剪力墙平面

塔楼偏置于整个地下室的东南角，地下室四周水压力及土压力传递到塔楼核心筒的路径有很大差异。传力路径较长一侧的水土压力由于梁板的压缩变形被框架柱分担掉部分，而较短一侧基本全部直接作用在塔楼核心筒和翼墙上，两侧不平衡的水土压力均成为墙体的剪力，计算发现在B4层该剪力达到塔楼底层在小震下剪力的55%，不可忽略。

 地下室侧向水土压力作用的立面示意

有机的结构自然也呈现出很高的结构效率：

• 全楼省去了类似高度的建筑很难避免的伸臂桁架，节省了造价并大大有利于施工进度；

• 风荷载不再成为结构设计的控制荷载，风荷载作用下建筑顶部的加速度仅为规范限值的一半，是一栋舒适度极高的超高层建筑；

• 昂贵且需占据宝贵顶部空间的风阻尼器也被省去；

• 包括损耗在内6万吨的实际总用钢量，与同条件超高层相比，也属相当的节省。

建成效果

 

在The Institution of Structural Engineers(ISE)组织的2020年度全球优秀结构设计评选活动中，天津周大福金融中心(Tianjin CTF Finance Centre)参与了“Achieving-architectural vision”分类的角逐。