扭一扭超高层扭转建筑大赏

随着超高层建筑在全球范围内涌现，扭转式建筑因其独特外形、开阔的视野、实用的性能，而受到建筑师的喜爱，并不断应用于超高层建造上。

这其中，离不开建筑师们大胆的创新设计、结构突破，因正是这些建筑的存在，为都市的风景更添一番别样风采。

 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

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

 2      常见的扭转式建筑

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。

▲ 达芬奇塔中的装配式的应用

整个建筑基本上由预制的单元组成，包括地板，水管，空调等，整体结构合理灵活，抗震性能超高。

▲ 达芬奇塔建造示意

从宣称要建造一座420米高，集各种世界第一于一身的摩天大楼，到如今已经过去了约十二年的时间，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

整个建筑高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30°。

▲ 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，被美国CNN评选为2016年全球九大城市地标之一。

陶朱隐园的主结构系统是整体的建筑设计。建筑的核心是一根主柱，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。

▲ 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。顶层上方设有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。

▲ 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

▲ 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(

Absolute Tower有56层，每一层平面都是一模一样的椭圆，但随着楼层升高，他们在旋转着不同的角度。二维不变的56个椭圆平面到性感的、变化的三维曲面就这样形成了。从一层到十层，每层旋转一度，11层到24层每层旋转8度，26层到40层，每层旋转8度，第41层到50层，每层以3度旋转，最后6层以1度旋转。

▲ 梦露大厦平面图 (@CTBUH)

三维结构布置如下图所示，除了利用了中间的竖向交通核布置核心筒外，还利用了房间的分隔墙布置了剪力墙，形成这种网格式的剪力墙布置形式。外围布置的剪力墙随着楼板边界的变化向外延伸或者后退。同时，为了使得建筑更加轻薄，外围楼板均采用悬臂板的形式。    

▲ 梦露大厦结构示意图 (@CTBUH)

▲ 梦露大厦结构示意图 (@CTBUH)

▲ 梦露大厦施工过程图

▲ 梦露大厦 (@CTBUH)

深圳世茂前海中心

▲ 深圳世茂前海金融中心

作为全球首例45°旋转艺术建筑，世茂前海中心，由“全球十大旋转建筑”之首的上海中心大厦设计团队Genlser原班人马打造，突破工程限制与技术壁垒，以全球首创的45°双旋转艺术建筑，完美呈现“God Curve”筑造建筑美学与视觉呈现达到极致美观与艺术化，革新城市封面。

▲ 深圳世茂前海金融中心

塔楼地下3 层，地上67 层，建筑高度324. 5m，结构主屋面高度303. 9m。塔楼从首层( 52.5mx52.5m)至屋面(42.8mx42.8m) 每层绕中心点相对于下层旋转大约0. 68°，共旋转45°。

▲ 结构选型

在概念设计阶段，建筑师提出塔楼采用旋转内收外形，从最初的旋转60°，再到22.5°，30°， 45°。初步研究表明，风致荷载在建筑旋转角度较小时，无明显改变。当旋转角度超过30° 时，风致荷载减小较明显。风洞试验结果表明，塔楼旋转45°时，风致荷载减小约10%。同时，结构初步分析结果表明，当楼层剪力分布接近情况下，塔楼在不旋转、旋转 30°、旋转45°、旋转60°时，除竖向荷载作用下的外框架转角不同外，结构周期、位移角、内外筒剪力、弯矩分配比例相差很小。综合建筑造型及结构荷载和受力特点，实施方案采用建筑旋转45°。

▲ 结构体系

塔楼采用的是典型的框架-核心筒形式，外框为钢管混凝土分段双向斜直柱+ 钢梁，核心筒为钢筋混凝土结构。

▲ 典型结构平面

塔楼在水平荷载作用下与常规框架-核心筒的受力、变形特征接近，但在 竖向荷载 作用下则有 较大不同 。竖向荷载传递路径研究显示，每一层的竖向荷载按常规方式分别传递至外框架与核心筒之后，外框架部分的荷载继续向下传递时，一部分转化为 沿柱轴向的斜向轴力 ，另一部分则转化为水平力并在 外框架处形成水平力环流 ，对 核心筒产生扭矩 。

▲ 竖向荷载传力路径

典型外框架柱的水平力与轴力的比值：在47 层以下约为0.3%~1.5% ，水平力不超过555kN；在48~57 层，约为3%~8% ，水平力不超过502kN；在58~66 层，约为9%～ 28% ，水平力不超过523kN。

▲ 楼板中的拉力、压力及剪力分布

这些水平力通过梁柱节点又重新回到了外框架环向梁和楼面径向梁中，并通过梁与楼板的连接构造传递至楼板中，在楼板内形成与核心筒墙约成10°~30°环绕核心筒四周分布的拉力、垂直核心筒分布的压力和平行于核心筒分布的剪力。其中的剪力和压力，通过楼板与核心筒的连接构造传递至核心筒外墙，形成核心筒外墙剪力流。

▲ 竖向荷载传力路径示意图

楼层竖向荷载传力过程中形成的水平力特征：

（1）每层梁柱节点处的 水平力大小仅与本层竖向荷载有关 ，即每层外框架处对核心筒的扭矩大小仅与本层竖向荷载有关，不逐层累积；

（2）每层核心筒的扭矩均为本层外框架处传来的扭矩与上层核心筒传来的扭矩之和，即 核心筒扭矩逐层累积 。核心筒扭矩以核心筒剪力墙中的剪力环流形式存在。

▲ 竖向荷载下的扭矩分布示意图

不同于常规框架-核心筒结构，这里的楼板除了起到联系外框架与核心筒，以及传递水平荷载之外，还要传递竖向荷载产生的水平力。楼板的传力性能，对结构的安全起着决定性的作用。

▲ 闭合剪力墙剪力环流

在重力荷载作用下，楼板传递至核心筒的扭矩转化为核心筒剪力墙的剪力，在墙上产生斜方向的主拉力。因此，楼板与梁柱及核心筒的连接至关重要。

▲ 梁柱与楼板的连接示意

柱、梁与板连接构造: 从柱边向外一倍柱直径范围内，设置环向钢筋以加强柱与板的连接。同时，梁上设栓钉，并在外框架梁宽范围的板带内提高钢筋配筋率。

板、核心筒连接: 楼板传递的剪力不超过抗剪截面限值，楼板与核心筒之间的分布钢筋按抗剪切滑移校核。

重庆高科太阳座大楼

建筑外观整体扭转，东西两侧外立面随高度实现了90°扭曲旋转，这一独特的扭转造型形成了扭曲极大的双曲面，最大单层扭拧角度达到8.8度/层，将成为世界第一扭的强力竞争者。

▲ 重庆高科振动台模型

结构采用钢管( 型钢) 混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系，其中框架是由钢管混凝土( CFST) 柱与型钢混凝土( SRC) 梁组成。竖向构件与建筑立面相协调，外框架中形成空间扭曲斜柱。

结构在中部楼层形成细腰型，为了增强框架的整体性和斜柱之间的联系，在每侧斜柱间设置3 道钢管混凝土斜撑，用于分担上部荷载所产生的竖向力，形成了空间扭曲的斜交柱网。

▲ 重庆高科施工照片 (@CTBUH)

扭转式的超高层建筑还有很多，限于篇幅，不再一一详细介绍。下面主要介绍一些知名的扭转式建筑案例。

▲ 上海中心

▲  Revolution Tower (@CTBUH)

▲  Infinity Tower   (@CTBUH)

▲ AI Tijaria Tower (@CTBUH)

▲ Mode Gakuen Spiral Towers (@CTBUH)

▲  Diamond Tower  (@CTBUH)

▲ 旧金山米拉大厦 (@CTBUH)

▲ Lakhta Center (@CTBUH)

▲ The Point(.gif">CTBUH)

 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。

来源：结构小站 作者：严从志