连体结构连接方案的选择与设计

去年跟着领导接触了一个复杂的三连体建筑，几经波折，终于快完成最终施工图。超高层连体建筑的受力相对常规超高层结构更加复杂，借此机会参考院里课题《连体结构连接方案的选择与设计》将超高层连体建筑的分类、受力特点、工程案例进行了整理供大家参考，其中主要资料均来自相关文献、院里课题及工程项目。

高层连体结构作为一种新型复杂高层建筑类型，拥有优美的建筑外观，其不 仅可以节省建筑所需的土地面积，塔楼之间的连接体位置（如高空连廊）能提供 开阔的观光视野和独特的视觉效果，因而其建筑形式得到广泛应用。

 1      连体的分类

（1）按塔楼数量分类

按照塔楼数量可以分为 双塔连体 、 三塔连体 和 多塔连体 。

实际工程中，最常见的是双塔连体，如新央视大楼，吉隆坡的双子塔，北京丽泽SOHO，苏州东方之门，大阪梅田大厦等。

▲常见的双塔连体

三塔连体数量则相对较少，如新加坡的金沙酒店，南京金鹰天地广场，宝安公关文化艺术中心以及温州中心等。

▲常见的三塔连体

多塔 连体，如重庆的来福士广场（4塔），北京当代MOMA（6塔），杭州市民中心（9塔） 。

▲多 塔连体

（2）按塔楼的位置分类

按塔楼的位置可以分为 对称连体 和 非对称连体 。非对称连体结构的平扭耦联效应明显，受力复杂。如新央视大楼，南京金鹰天地广场，宝安公共文化艺术中心等。大部分连体结构会至少关于一个轴对称，如吉隆坡的双子塔，上海凯旋门大厦等。

▲非对称连体和对称 连体

（2）按连接强弱分类

按照塔楼与连接体的连接强弱可以分为 柔性连接 和 刚性连接 。

柔性连接是指连接体可以通过隔震支座等于塔楼相连，连接体对塔楼的结构动力特性几乎不产生影响。如吉隆坡的双子塔，北京当代MOMA。

▲采用柔性连接的吉隆坡双子塔

刚性连接是指连接体于主塔楼有可靠连接，可以协调塔楼间的变形差异，其中又分为 弱连接 和 强连接 。弱连接指连接体刚度相对塔楼较小，使整体结构产生一定的整体弯曲作用，如宝安公共文化艺术中心。

▲采用弱连接的宝安公共文化艺术中心

强连接是指连接体刚度相对刚度较大，使塔楼间产生显著的抗弯作用，如新央视大楼，南京金鹰天地广场以及苏州东方之门等。

▲强连接连体

 2      受力特点

相对于一般超高层单塔于多塔结构，超高层连体结构体型复杂，连体的存在使得各塔楼相互约束，相互影响，结构在竖向和水平荷载作用下的受力性能复杂，影响因素众多，如：

（1）塔楼的数量和结构形式；（2）结构的对称性；（3）连体的数量，刚度，位置；（4）塔楼的间距；（5）塔楼与连体的连接强弱等等。

1.动力特性复杂

下图是东方之门和南京金鹰的几个典型模态。可以看到塔楼相连之后，整体刚度增大，但刚度不同的塔楼被连体协调变形后的模态特性难以预知，振动模态复杂。

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▲南京金鹰的典型模态

2.扭转效应显著

与其他体型的结构相比，超高层连体结构扭转变形大，平扭耦合效应明显，结构平动模态中扭转分量也有明显增加。扭转效应随着塔楼不对称性程度的增加而加剧。

▲南京金鹰的前三阶模态

▲东方之门的前三阶模态

3.连体受力复杂

对于刚性连接的连体来说，连体在重力荷载、风荷载、地震荷载作用下，往往处于拉、压、弯、剪、扭等多种应力状态下，受力复杂。

4.风环境复杂

由于多塔相对位置复杂，如塔楼距离、连体形状、相对角度等，对风荷载影响较大。

▲宝安公共文化艺术中心的风洞试验及坐标定义

5.竖向地震影响明显

由于一般连体跨度加大，荷载较重，对竖向地震较为敏感。

6.施工顺序对结构性能影响大

不同的施工顺序和施工方法对连体结构的受力会产生巨大影响。如连体在何时连接，对结构的内力及变形产生很大影响。从下图可以看到，考虑施工顺序后，Y像位移增大了约14.2%。

▲宝安公共文化艺术中心的一次加载与施工模拟的对比

▲新央视大楼的施工模拟

 3      连体连接强弱的判别

连体作用的强弱，我们可以用筒体轴力形成的整体倾覆力矩与整个结构在水平作用下的倾覆力矩的比值来判断 。简化如下所示。

下图是宝安公共文化艺术中心的倾覆弯矩的比值，可以看到连体对结构整体倾覆力矩的贡献很小，只有5%和15%，因此这里的连体为刚性连接中弱连接。

▲宝安公共文化艺术中心的倾覆弯矩比

 4      工程案例

新央视大楼

建筑设计： OMA

结构 设计：ARUP & ECADI 

连体形式：刚性强连接

▲ 新央视大楼

“我们致力于创造一座富有标志性的建筑，公平的展现当今中国最美的一面。我们希望央视大楼在城市中的作用不仅仅是地标，而更是积极活跃的参与者”。

—雷姆.库哈斯

位于北京东部CBD的央视大楼，由两座向内倾斜的塔楼连接构成，从不同角度看上去造型各异， 像 一道门，像两个紧挨着的字母“Z",也像一座被折叠的摩天楼。 这样横向的建筑造型被中国网民戏称为“大裤衩”

▲ 新央视大楼

中央电视台新大楼自从方 案公布以来, 引发了中国建筑史上空前的关注与争议 在长达10 年多的时间甲谣传! 非议! 直至今日大楼已经完工人们对它或惊喜! 或扣忧! 或批评的声音依旧不绝于耳, 它似乎一直没 有完全得到中国建筑界及普通大众的理解和认可然 而. 大多数关注和争议都止步于其独特的外型， 对其实质的设计与实施过程也缺乏 全面的了解。

▲ 新央视大楼

（1）建筑方案演变

央视大楼的三维环状造型来自于对最简单的立方柱 体的几何切割。以160mx160mx234m 的方柱体为原始几何体， 在其四个侧面向内切 除，形成一个侧面向内呈6度 倾斜的对称梯形台，沿着 梯形台的一个外角切除一个10mx100mx161m的、与外侧面平行的小梯形台。最后在 顶部以一个与水平面呈8度 的平面做顶部切除，做减法剩下的几何 形体便是央视大楼主楼的最终造型。将这个方柱 体的接地轮廓向南、向西各拓展40 m，形成一个200mx200mx6m  的基座，如下图所示。

▲ 新央视大楼方案演变

（2 ）结构 方案演变

央视大楼的主结构分布在建筑形体外层, 是由梁、 柱和斜撑共同组成的 连续空间网筒结构 。大楼特殊的 几何造型导致外筒杆件受力不匀, 故设计将斜向交叉 的钢构件- 斜交格构- 在受力较大或较小的区域 增加或减小密度，如下图所示 。 

▲ 新央视大楼的受力分析

大楼的幕墙支撑结构为菱 形板块。该结构与建筑外筒主结构的斜撑体系完全平 行标准菱形板块高度跨越4 层楼。随着结构受力的 增强或减弱板块尺寸也相应变小或变大最终大楼 外表皮呈现出不规则的菱形图案。网格约密，颜色越深，表示受力越大，如下入所示。

▲ 新央视大楼的受力分析

（3 ）结构特点 

由于其特殊的倾斜连体造型，其抗震设计及工程施工所面临的难题是前所未有的。

悬臂部分最大长度75m，5万吨重量需要由悬臂结 构承担并传递至塔楼。主楼的两个塔楼倾斜而在顶部连接并相互支承，主体结构以带斜撑的巨型外筒提供整体刚度和稳定性。

斜撑立面布置反映 力学特征，在高应力的区域，支撑布置比较密，在低应力 区域，支撑布置比较稀。

▲ 新央视大楼的外筒体结构

由于中间的连体部分对两个筒体起到连接、相互支撑的作用，因此施工过程对结构内力分布影响非常明显。 合理的施工次 序和加载顺序可以调整倾斜塔楼以及连体结构的内力 分 布。 新央视大楼最终的施工方案是塔楼 、裙楼独立施工，悬臂结构外伸合拢。

丽泽SOHO

建筑设计：扎哈.哈迪德建筑事务所 

结构 设计：B+G &  CABR & BIAD

连体形式：刚性强连接

▲北京丽泽soho

丽泽SOHO是著名设计师扎哈·哈迪德的收官之作，项目DNA双螺旋结构复杂，幕墙板块有1700多种，200m高的中庭属世界之最。