世界最高偏置筒体钢结构超高层——广州广商中心结构设计
文/陈晋，张凯任，邓·朗奇，等
引言
近期，广州广商中心项目，顺利突破333.45m标高，实现主体结构封顶。广州广商中心塔楼的冠顶高度为375m，在359.5m高处设计有直升机停机坪，筒体偏置，采用钢管混凝土巨柱外框、巨型钢斜撑、带状钢桁架和偏心支撑钢框架的复杂钢结构体系，主体塔楼地面层以上结构用钢量约4万多吨。结构体系的主要特点包括：中部4根柱在第7层倾斜转换到地面层、周边普通柱由两道带状桁架转换、外围抗弯框架和巨撑不在同一平面、楼板不连续等。建成后的广州广商中心将成为中国最高的钢结构超高层建筑（注：该数据统计中不包含中国台湾地区）以及世界最高的筒体偏置布置的钢结构建筑。
为了探索本项目设计相关内容，《建筑结构》对广商中心塔楼结构设计主创团队的SOM的结构项目负责人陈晋 进行了线上采访。
采访内容如下
《建筑结构》Q1:本项目采用以纯钢结构作为结构体系，未采用国内超高层常采用的组合结构形式，是如何考虑的？结构方案比选的成果主要有哪些方面？经济性方面有哪些可参考数据？
陈晋：由于建筑平面核心筒的偏心布置，主功区办公区域的柱网为14~15m，塔楼下部又有大量柱子需要转换，基于减轻结构自重、最大化建筑使用净高的考虑，大楼办公区域的楼板及框架较快地确定为钢结构。
偏置筒体部分最开始尝试过传统的钢筋混凝土核心筒，在我们详细分析后发现，由于塔楼高度接近400m，偏置混凝土核心筒的长期收缩徐变较大，与紧邻核心筒的钢管混凝土巨柱(收缩极少，徐变也较少)之间会产生较大的相对变形差，导致了这个位置的钢梁弯矩非常大，楼板也有开裂风险，这是我们最终将核心筒部分确定为钢框架的重要原因。
核心筒确定为钢框架后，塔楼中上部在电梯井道变少后，筒内空间可以直接变为租赁空间，并且完全没有视野遮挡，极大提升了塔楼的使用品质，整个塔楼的建筑表达也变得更通透轻盈。
由于塔楼的侧向刚度主要由办公区的巨型斜撑和偏心支撑框架提供，在偏置核心筒区域用钢框架代替混凝土核心筒，实际上不仅没有带来结构造价的增加，同时还根本性地解决了偏置混凝土筒体产生的塔楼质量偏心和刚度偏心的结构不合理情况。业主对最终确定的结构系统，从结构成本、施工速度和建筑的呈现综合考虑，都比较满意。
《建筑结构》Q2:本项目结构设计的最大特色体现在那些方面？相对于传统的框筒结构，巨型结构在其抗震性能和受力特点方面有何自身特点？巨柱汇交节点体现出空间关系的复杂性，其在设计和施工可实现性方面是最终如何落地的？
陈晋：该塔楼结构设计最大特色可概括为三个点：1）偏置核心筒布置；2）巨型斜撑框架；3）底部城市大厅的柱子转换。
在本塔楼办公区域三个面上采用的巨型斜撑框架中，侧向刚度主要由巨型斜撑和巨柱提供。对于巨型斜撑系统，由于巨柱和巨撑限制了中间柱和梁的变形，大震下难以形成塑性铰进行耗能，我们将角部巨柱设置成双巨柱，巨柱间的短钢梁成为耗能梁。这使得巨型斜撑框架在刚度和延性之间取得了一个较好的平衡。对于巨型及巨柱的复杂结构节点，我们都进行三维节点放样，并配合有限元应力分析。将最终的三维节点详细模型提交给施工图设计单位进行深化。
《建筑结构》Q3:本项目采用带斜撑巨型钢框架结构，且斜撑配合建筑外立面，采用外露形式，底层形成开敞式空间，突破了传统居中设置核心筒的结构方案，为减小核心筒偏置的影响，采取了哪些结构措施？在建筑外立面处理上，是如何和建筑师达成共识，实现建筑造型和结构体系的高度融合？
陈晋：如之前所讲的，为了避免传统混凝土偏置核心筒带来的质量偏心以及刚度偏心所导致的扭转效应，偏置核心筒采用钢框架可以极大弱化这种不利影响。偏置核心筒和办公空间的交接面上采用了偏心钢支撑框架，既能提供足够的刚度，也能简化机电管线穿过钢连梁的专业协调。
多专业的整合设计，一直是SOM秉承的设计理念。与建筑师充分沟通后，巨型斜撑成为了塔楼建筑表达的一个重要特色。为了尽可能避免斜撑承担重力荷载，也为了斜撑完全与幕墙整合，巨型斜撑实际上和普通框架是平行脱开的。
▲ 巨型斜撑与普通框架平行脱开
《建筑结构》Q4:通过本项目的结构设计，您有哪些经验与值得回忆点滴可以和广大同行分享？
陈晋：塔楼的功能和钢结构被确定后，塔楼的自重就基本确定了，塔楼的周期和结构刚度高度相关。而塔楼的风致加速度和舒适度控制又与周期及振型相关。
为了采用最少的结构钢材，最大化结构刚度，SOM结构团队采用SOM自编的结构优化软件对塔楼基于周期进行了多轮优化，同时将优化得出的结构动力参数和风洞单位风致加速度计算进行多轮迭代，最终确定周期/风致加速度/钢结构材料的最平衡方案。采用该策略，可比仅凭经验进行设计，节约大约20%的钢材用量。
另外还有一个设计要点是，美国的钢结构超高层的楼板系统通常会采用轻质混凝土来减轻自重，节约钢结构造价。SOM团队一直希望在本项目采用轻质混凝土楼板，但广州市场的轻质混凝土的造价和供应都不理想，初设和施工图阶段都维持了普通混凝土。直到塔楼施工到1/3高度，业主优化上部塔楼建筑功能，并且轻质混凝土供应商最终确认落实后，塔楼中段以上的楼板才找到契机改为了轻质混凝土楼板。这也是轻质混凝土组合楼板在中国超高层中的首次大规模尝试。
以下为内容是有关该项目的具体情况及技术亮点。
项目概况
广州广商中心办公楼(简称广商中心)位于广州市番禺区琶洲岛中部，珠江南岸。广州广商中心地上建筑面积为17.7万m2，地上共61层，塔楼冠顶高度为375m，结构屋顶高度为338m。地下室建筑面积为3.3万m2，共5层。塔楼平面外轮廓尺寸约为57m×49.5m。
▲ 广商中心建筑效果图
塔楼采用钢结构，带支撑钢框架结构在7度区的高度限值为240m，故塔楼属于高度超限的结构。根据目前国内外钢结构的项目统计情况，本项目完工后，将成为中国大陆最高的钢结构超高层建筑，以及世界最高的筒体偏置布置的钢结构建筑。
塔楼的建筑面积超过8万m2，抗震设防类别为重点设防类（乙类），结构安全等级为一级，地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45s，小震阻尼比取0.02。50年一遇基本风压为0.50kN/m2，场地地面粗糙度为C类，由于塔楼高度很高，塔楼角部为圆角。
建筑设计策略和理念
本项目的设计理念致力于打造一个标志性的建筑，从城市尺度而言，该项目成为了规划开发区内天际线中的制高点。从行人尺度而言，整个建筑从地面向上抬升了22米，创造出一个壮观的“城市客厅”，从而产生了一个有遮挡的、光线充足的并具有动感的首层平面。
在塔楼的首层，结构表现形式与建筑表现形式完美融合，形成一个强有力的空间，带给人们一种独特的体验。设置下沉花园，将地铁通廊与首层相连通，提供了便捷的步行流线，通过独特的商业和景观体验将公共空间和私人领域相融合。
▲ 地面层城市客厅
从功能角度而言，划分为17个股东单元。每一个单元为三层；首层包含大堂/展示空间，另外两层为办公层。在每一个股东单元内设置三层高的中庭，提高竖向连接性，为今后的楼面布局提供灵活性。
在塔楼底部设置两层服务办公租户的配套设施楼层及两层回馈城市的办公楼层。在塔楼顶部设置了直升机停机坪。
为本项目高效水冷冷水机组位于屋顶的机房内，以便提供尽可能多的场地开敞空间，增强“城市客厅”的设计理念。冷却塔在塔楼顶部通过与建筑冠顶设计的有机结合，达到塔楼体型的完整，开孔型冠顶在提供充分通风的同时也减少风荷载的作用。
塔楼造型和立面与广州炎热潮湿的气候直接呼应，建筑外围护结构具有降低的窗墙比，以便控制建筑内部的热辐射，同时建筑的北立面、东立面和南立面也可以获得日照及景致。偏置核心筒朝向西面，减少了对相邻建筑的近距离对视，同时增加了立面的整体稳定感。外墙的设计在保持日光反射入较深楼面的同时又兼顾立面遮阳装置的布置。
塔楼包括一系列高效率的措施，以减少在能源、水和运营碳排放方面的影响。这些策略旨在比ASHRAE 90.1 2007基准节约45%的能耗，比能源政策法案2005标准节约40%的饮用水。
结构体系
塔楼结构体系为偏置筒体带斜撑巨型框架钢结构，核心筒被布置在塔楼平面的西侧。为最小化塔楼结构的刚度偏心以及偏置核心筒所产生的扭转效应，核心筒采用钢结构抗弯框架的结构形式，见图1。
▲ 图1 广商中心结构体系示意图
核心筒与邻近办公区域的交界面采用具有优良抗震延性的钢结构偏心支撑框架。机电管道可从偏心支撑的耗能梁下通过，从而较好地实现了与机电专业的协调。
塔楼的北面、东面及南面采用巨型框架，共8根巨柱布置在办公区的4个角，沿塔楼高度有2道带状桁架与巨柱一起形成巨型框架体系。办公区域的4根内部框架柱在第7层楼面处向角部倾斜，在第4层楼面处分叉成两根斜柱，与角部8根巨柱在地面层相连接，这使得首层内部形成一个42m×46m的大跨度无柱空间，见图2。
▲ 图2 大跨度无柱空间
另外，在塔楼的北、东、南立面上布置巨型斜撑（简称巨撑）以增强这3个面的侧向刚度。巨撑与普通框架和带状桁架不在同一个面内，从而避免了重力荷载直接传递到巨撑中。位于角部两个巨柱之间的钢梁在地震作用下将发挥类似于偏心支撑耗能梁的“保险丝”的作用，如图3所示。
▲ 图3 广商中心典型平面图
结构外围巨柱间的抗弯框架采用钢梁及钢柱；角部巨柱采用钢管混凝土柱，在地震作用下有良好的延性，其较高的刚度也有利于提高塔楼整体结构效率。
巨撑外框、内框、偏心支撑框架以及偏置筒体框架协同作用，将竖向及水平荷载传至基础，进而通过筏板和嵌岩桩传至地基。
塔楼中的钢管混凝土巨柱以及其他钢管混凝土柱的混凝土强度等级在底部为C80，上部为C70~C60，钢板采用Q390GJ和Q390钢材。巨型斜撑、偏心支撑框架的支撑、大多数带状桁架构件采用Q390GJ钢材，带状桁架部分弦杆采用Q460GJ钢材，偏心支撑框架的钢梁采用Q345GJ钢材，大跨度主框架梁采用Q345GJ和Q390GJ钢材，钢次梁采用Q345钢材。组合楼板中混凝土强度等级为C30，钢筋采用HRB400。
3.1 巨撑外框和带状桁架
塔楼东面、南面及北面为带巨型钢斜撑的巨型框架。两道带状桁架分别位于第4~6层（图4）以及34~35层的机电楼层。两道带状桁架的上下弦杆采用了Q460GJ高强度建筑用钢。
▲ 图4 外框及巨撑局部立面图
巨柱为长方形钢管混凝土柱，底部截面尺寸为4000×2000(核心筒侧巨柱截面尺寸为2 800×2 600)，巨柱截面沿高度逐渐减小，到45层为1900×900，45层以上到屋顶巨柱采用箱形钢截面，由1900×900逐渐减小到1900×600。维持1900mm的长边边长主要为巨撑的节点连接考虑。
普通框架柱直接采用普通箱形钢柱，截面从第4层的□1200×800到中部带状桁架（34～35层）下逐渐减小为□1200×500，35层以上为□1200×800，到屋顶层逐渐减小为□700×500。
巨撑与外框和带状桁架不在一个平面内，但外框与巨撑都与长方形巨柱相连，形成巨型斜撑体系，提高塔楼侧向刚度。在楼层平面内设置水平支撑将巨撑与楼面系统进行连接，为巨撑提供水平约束，但放松竖向位移，如图5所示。结构下部巨撑截面为□1500×1200，到顶部逐渐减小为□600×600。
▲ 图5 楼层平面内巨撑支撑大样
3.2 内框及中间柱底部倾斜转换
塔楼东侧为约42m×46m的办公空间，中间有4根圆形钢管混凝土柱，间距15m，这将办公区分割成9个15m×15m大面积开阔空间。圆形钢管混凝土柱截面从第7层的1900，逐渐收缩到顶部的750。这4根柱子在7层楼板时开始转折倾斜，在第4层楼板处分叉，再倾斜向下延伸到地面层与巨柱底部相交，如图6、7所示。
▲ 图6 中间柱7层以下倾斜转换示意图(带状桁架斜撑未显示)
▲ 图7 倾斜转换下的42m×46m无柱公共空间
在第7层和第4层设有平面内支撑系统。在倾斜段，圆形钢管混凝土柱转换为方形截面，这样使得在底部与长方形巨柱相交的节点设计变得更容易。在各典型楼层，与中间柱相连的框架钢梁为400×800的组合工字钢。
3.3 偏心支撑框架
位于偏置筒体和办公区域交界面的框架，中间3跨采用偏心支撑钢框架。整个塔楼沿高度分布有17个避难夹层，为了使得含有夹层的楼层（总层高6.8m）从偏置筒体侧的电梯大厅进入办公区域时有整层的通高，在这17层有夹层的位置，偏心支撑框架的支撑按两层布置，但夹层标高处不设置耗能梁。为了弥补该处刚度的损失，同时也为避免该层偏心支撑的连接角度太小，此处设置了夹层立柱，见图8。
▲ 图8 偏心支撑框架的局部立面示意图
偏心支撑框架柱在结构下部为截面2000×1150的长方形钢管混凝土柱，到结构顶部逐渐收缩为1100×800。偏心支撑框架中典型的支撑为400×400的工字钢，钢板厚度沿塔楼高度逐渐减薄。偏心支撑耗能梁的高度根据建筑要求，在不同楼层采用不同梁高，梁高范围为750～900mm。
3.4 偏置筒体抗弯框架
偏置筒体的框架按抗弯钢框架考虑。偏置筒体的柱为长方形钢管混凝土柱，截面从底部的2000×500收缩到上部的500×500，抗弯框架梁为650～800mm高的工字梁。
3.5 网壳模型设计
楼盖体系采用钢梁加闭口式压型钢板组合楼板，混凝土为常规C30混凝土。本项目楼板防火时间按2h考虑，典型办公层楼板厚度125mm，机电层上下采用200mm厚楼板，有利于机电层的隔声。
关键设计难点
4.1内框中间柱倾斜转换
办公区的内框4个中间柱在第7层开始向外倾斜，在第4层分叉成8个倾斜柱，在地面层与8根巨柱底部相连接，将底层中部架空，从而形成一个类似于巴黎艾菲尔铁塔的底部大跨度空间，这个42m×46m无柱空间被用作城市公用空间。
这些倾斜柱将内部柱的荷载直接传至巨柱底部，传力途径直接。7层处倾斜柱的重力荷载的水平分量将以水平推力的形式由下部倾斜柱传至地面层的平面内支撑。
地面层为钢筋混凝土楼板系统，为避免低估地面层平面内支撑（图9）的钢构件的内力，平面内钢支撑构件设计时，忽略楼板刚度。同时在重力荷载工况的计算中，巨柱在地面层处只设竖向约束，并忽略塔楼地下室以外部分，所有倾斜柱的重力水平推力完全由地面层的平面内支撑抵消。
▲ 图9 中间柱第7层以下倾斜转换传力示意图
4.2 外框巨撑水平分力在地下室的传递
为使地下室的结构施工更加简单，也为了便于与建筑布置协调，塔楼上部的钢巨撑到地面层以后不再往地下室延伸。取而代之的是在地下室靠近巨柱的位置设置剪力墙，如图10所示。地面层位于巨柱间的拉梁被加强，按型钢混凝土梁考虑。每个面上的剪力墙总长度至少为14m(厚度800mm)。
▲ 图10 巨撑剪力在地下室的传递
在靠近巨柱的端部设置施工后浇带，以避免过多的重力荷载通过巨柱传递到剪力墙中。
4.3 巨柱、巨撑及倾斜柱的稳定性分析
采用ETABS对7层以上6个区域内的巨柱进行了线弹性屈曲分析。如图11所示。
以区域4的巨柱整体屈曲研究为例进行介绍。在进行区域4的巨柱屈曲分析时，区域5及3的构件被保留，以确保考虑上部及下部构件对巨柱的约束刚度。楼层荷载在区域4和5保留，上部塔楼的累积荷载施加在区域4顶部。分析模型在区域3底部刚接。
▲ 图11 巨柱屈曲分析
根据以上模型，计算出区域4的X向屈曲模数为16.3，Y向为13.7。
4.4 复杂节点三维有限元分析
钢管混凝土巨柱节点区内的加劲肋根据中国规范体系以及SOM的工程经验进行了多轮优化，确保在保证节点传力途径清晰可靠的前提下，尽量控制加劲肋的数量和间距。
在超限审查过程中，有专家提出节点区加劲肋的缝隙较多，在实际混凝土的浇筑和振捣过程中，可能无法完全保证整个节点区内所有空隙都充满混凝土。
为考虑此现实情况，采用软件STRAND7对多个关键节点进行了有限元应力分析。分析表明，节点满足中震弹性的性能目标。图12(a)为角部巨柱在地面层与巨撑以及中间倾斜柱的交接节点。
▲ 图12 中震弹性工况下地面层巨柱、巨撑和倾斜柱节点应力图
主要分析结果
5.1周期
塔楼整体结构计算采用了ETABS和SATWE两种软件，本文弹性分析结果为ETABS模型的计算结果。塔楼结构周期见下表。由于塔楼为偏置筒体布置，在整个结构体系中，东、北、南三面巨撑框架以及西侧的偏心支撑框架的刚度很好地进行了协调，根本解决了偏置筒体结构扭转周期和扭转位移比偏大的技术难题。
结构周期
5.2弹性楼层间位移角
如图13所示，与小震作用相比，风荷载作用下的层间位移角是结构设计的主要控制因素。钢高规规定钢结构的层间位移角的限值为1/250，笔者团队综合评估了塔楼在风致加速度下的舒适度控制、建筑幕墙节点设计等方面，在结构构件不增加用钢量的前提下，将塔楼的层间位移角控制在了经验限值1/400以内。
▲ 图13 结构层间位移角
5.3 大震下结构的屈服
塔楼大震非线性时程分析采用有限元软件PERFORM3D，考虑了几何非线性和材料非线性。构件破坏准则采用了美国FEMA 356以及ASCE/SEI 41-13所建议的标准，层间位移角的控制按抗规执行。
8度大震下的弹塑性时程分析结果表明，耗能构件大范围进入了塑性并耗能，地震能量被消散掉，极少数关键构件屈服进入塑性，塔楼整体抗震性能表现依然良好，如图14所示。
▲ 图14 大震下的耗能构件屈服情况
8度大震下的构件屈服顺序为：偏心支撑框架的耗能梁→周边框架梁（主要为巨柱间框架耗能梁）→偏置筒体的框架梁→偏心支撑框架的支撑→外框框架柱→巨撑→巨柱→带状桁架。
项目建造过程照片
▲ 巨柱钢结构加工
▲ 首层转换斜柱和巨柱交接
▲ 首层城市大厅钢结构
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项目信息
业主：星河湾集团及其他8家投资方
建设地点：广州市琶洲
设计单位：SOM (结构及建筑-方案/初设/幕墙施工图)
合作设计单位：广州市设计院(施工图)
建筑设计团队：Brian Lee, Lucas Tryggestad,郑纪瑚，Jose Valeros，等
结构设计团队：William Baker, 陈晋，Dane Rankin, Kevin Chang, Hailey Arterburn, Max Cooper, 万天舒、丁晗、刘菀迪
设计管理团队：傅萱，Joyce Lam
机电设计团队：Luke Leung, Samuel Jiang, Sergio Sadaba, Ming Hu, George Sun
幕墙设计团队：PFT， RFR
总建筑面积：17.7万方（地面之上）
项目状态：塔楼主体已经封顶
设计时间：2017年
图片来源：
除特别注明外，其余图片或视频均由作者及单位（美国SOM建筑结构事务所）提供。
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