超高層塔樓中建筑美學與結構力學相輔相成的設計探討

陳 加

（廣東省建筑設計研究院有限公司 廣州 510010）

0 前言

2021年深圳某超高層大廈的晃動引起了全社會的高度關注，高層公共建筑設計與結構安全成為了建筑行業(yè)里討論的熱點話題。事發(fā)后專家們對該大廈進行大量的檢測、復核、鑒定后，得出引起該大廈有感振動的原因是頂部桅桿由于風荷載致渦激產(chǎn)生共振。桅桿的設計本是建筑造型的一部分，原設計沒能預判到大廈建成使用多年后桅桿會對其結構體系產(chǎn)生如此大的影響。雖然桅桿現(xiàn)已拆除，該大廈已恢復使用，但是建筑行業(yè)對于高層建筑結構安全與建筑設計協(xié)同影響的探討卻不應停止。本文通過分析2個超高層建筑方案，介紹在建筑方案設計階段就引入結構工程師的討論與干預，共同打造了兼顧美學實用與結構安全的高層建筑設計，探尋建筑設計與結構設計兩者有機結合的最優(yōu)解，提供一點心得體驗，望促進城市美學并產(chǎn)生更大的經(jīng)濟與社會效益。

1 協(xié)調影響建筑設計的結構因素

影響高層建筑結構系設計的因素非常多，如建筑造型、建筑功能、材料和周邊環(huán)境等。高層建筑的設計中，建筑造型、平面功能布置與結構設計中的結構荷載息息相關，相互制約，因此建筑設計師還應掌握基本的結構知識［1］，在建筑方案設計階段應考慮建筑物的結構體系是否具有足夠的抗風抗地震力等因素，結構設計師經(jīng)過計算后反饋意見，并輔助建筑師確定設計建筑造型與平面功能布置是否符合結構傳力最優(yōu)解，兩者間相互溝通協(xié)調可減少項目日后建筑設計與結構設計之間的不和諧，共同打造兼具造型美、安全性能高和經(jīng)濟效益高的建筑作品。風荷載（橫向作用力）和重力荷載（豎向作用力）是設計高層結構中極為重要的2個因素，也是和建筑設計關聯(lián)影響最大的2個因素［2］。本文將分別舉例介紹如何通過設計手段解決2種結構荷載對建筑設計的影響，達到力與美的和諧共存。

1.1 風荷載

1.1.1 建筑形體與風渦旋脫落

凡超高層建筑必承受各種風荷載的影響，且隨著塔樓高度的增加，風壓影響呈正比增大。由于各個區(qū)域地形環(huán)境的差異，建筑項目周邊氣候的迥然以及建筑物形體截面的不同，因此使得風荷載的計算很復雜，是對建筑物的結構設計的重要挑戰(zhàn)之一。風荷載模擬計算是否恰當關系到建筑的結構安全和影響到建筑物造型，利用風洞測試模擬計算建筑物周邊風荷載，其計算結果可協(xié)助建筑師進行深化設計工作，如調整建筑朝向、優(yōu)化建筑的造型以及立面上開洞等設計手段來達到降低風荷載對超高層建筑物的影響。風在遇到高層建筑阻擋時，會生成大小方向不等的風渦旋并產(chǎn)生渦旋脫落效應使得高層建筑振動，產(chǎn)生有序的渦旋脫落則會產(chǎn)生最大的水平作用力，對高層建筑結構產(chǎn)生不利損傷，因此追求最小化橫風向振動力（垂直于風荷載方向）對高層建筑的負面影響很關鍵。常見建筑形狀與風渦旋脫落關系如圖1所示［2］。

圖1 不同截面形狀渦旋脫落的不同影響Fig.1 Difference Vortex Shedding Impacts toVarious Shape of Building Section

由圖1可知：圓形截面形狀的渦旋脫落最有序，影響程度最不利，三角形截面次之，方形截面最無序，則方形截面的影響程度最小，貫穿建筑物的開洞可以進一步改善建筑結構性能。因此高層建筑大多數(shù)采取方形平面，并輔以開洞來減少風荷載對建筑物的不良影響［3］。

1.1.2 建筑平面與風作用力

建筑物迎風面受到風產(chǎn)生的壓力作用會隨著風的級別（風的速度）的不同而變化，風不僅僅產(chǎn)生迎風面的壓力，同時由于風向的變化，建筑物各表面所受到的風作用的強弱度也不盡相同。建筑物各表面所受風的作用與建筑物的立面與平面設計密切相關：迎風面所受的風作用強烈，側風面隨著與風的夾角而變化，風力逐漸有壓力轉為吸力，背風面為吸力。不同建筑物的平面形狀，如常見的矩形、圓形、三角形、Y形等，各個側面所受到的風作用力差異很大，一般來說圓形、三角形、Y形等平面形狀所受的風作用力小于矩形，矩形平面建筑物做切角處理后，風力作用會降低［4］。

1.1.3 建筑高度與風作用力

隨著建筑物高度的增加，建筑物各個面所受的風壓力隨之增大，建筑物剛度下降，結構周期也增長，陣風影響增大。因此大多數(shù)高層建筑采取平面逐漸收進的形體，另外可通過增加建筑物中高區(qū)表面的鏤空面積來減少高層建筑的受風面積，降低建筑物自重，減少建筑物結構周期，減少風對建筑的損害［5］。

基于此3種物理現(xiàn)象，在設計廣東省江門市新會區(qū)某項目時，為有效解決風荷載對超高層建筑的潛在損害，建筑師在塔樓平面設計和立面設計方面上均及時與塔樓結構設計師互相溝通共同協(xié)調設計。該超高層項目位于水系發(fā)達的新會僑鄉(xiāng)，為了呼應此獨特的地理環(huán)境，項目構思以“水無形而有萬物”為主要設計理念，336 m高的塔樓以逐層往上收進的平面形式構建，呈現(xiàn)出來的視覺效果是上小下大的塔樓形式佇立在景觀湖邊，猶如水柱滴落湖中激起水花的瞬間形態(tài)，向上逐層收攏的平面保證了塔身挺拔的同時，亦具有良好的結構穩(wěn)定性，實現(xiàn)建筑、結構、經(jīng)濟三贏的效果（見圖2）。

圖2 江門某項目立面效果Fig.2 Elevation Vertical View of a Project in Jiangmen

塔身建筑平面為矩形與四邊小圓角、切角的組合（見圖3），在保證建筑平面實用性的前提下，針對隨著樓層數(shù)逐漸增加的高層風壓，中下層塔樓的平面設計為矩形平面加圓角，中上層塔樓的平面為矩形加逐漸增大的切角，可有效降低超高層各面的風作用力。平面上圓角和切角過渡到矩形平面邊線會產(chǎn)生夾角與斜切邊線，在立面設計上利用每層斜切邊線的長短不同打造出變化的雙色玻璃幕墻，形成鯉魚奮力向上跳龍門的姿態(tài)（見圖2）。不規(guī)則的立面也抵消了風渦旋的振動與所受風力的大小，直線與曲線的結合打破沉悶，為建筑外立面帶來剛柔并濟的靈動設計，較好地實現(xiàn)了建筑師的設計理念。

圖3 江門某項目平面Fig.3 Plan of a Project in Jiangmen

江門項目塔樓頂部水滴狀的結構是設計中的重點，由塔樓四邊角柱結構延伸向上疊加交錯構成托起頂層停機坪，確保結構體系傳力的連貫性且為塔樓提供觀景平臺空間，觀景空間是塔樓頂部建筑造型的點睛之筆，如圖4?所示。頂部結構并沒有采取常規(guī)的玻璃幕墻全封閉的處理手法，大面積的鏤空在視覺上起到虛實結合的靈動造型美，在結構上鏤空的部分起到超高層平面開洞減少受風面積的作用，如圖4?所示。

圖4 江門某項目鳥瞰效果及頂部結構鏤空細部Fig.4 Aerial View and Detail Top Structure of a Project in Jiangmen

另外結構設計上鏤空率一般達到30%左右才能達到減輕風荷載的效果，超高層建筑頂部如何鏤空設計是考驗建筑師設計的功力。常見的頂部鏤空方式如湛江市某超高層項目（見圖5），頂部四周對稱鏤空，保證鏤空率的同時盡量不破壞建筑物立面的整體設計。

圖5 湛江某項目鳥瞰效果及頂部結構鏤空細部Fig.5 Aerial View and Detail Top Structure of a Project in Zhanjiang

而江門某項目在方案設計階段就兼顧建筑設計的美觀和結構設計的要求，起到有效減少風荷載對建筑的作用，充分體現(xiàn)了結構與建筑的幾何理性之美。建筑師若能掌握基本的結構概念后，與結構師協(xié)同合作將建筑美學融入結構體系設計中，建筑設計成品的效果將遠超結構師只為實現(xiàn)建筑造型的效果。

1.2 重力荷載

1.2.1 建筑平面與核心筒

高層建筑結構的重力荷載屬于永久荷載，重力荷載分配到豎向支承構建對控制高層建筑結構的行為至關重要。通常認為重力荷載均勻分布在使用樓層上，如何合理地分布主次梁、剪力墻、核心筒等一系列結構面積，在保證建筑安全的同時提高樓層平面可用空間的使用率是高層建筑設計的關鍵一環(huán)［6］。研究人員和經(jīng)濟學家研究得出，樓面凈面積效率（NFA）至少要達到75%才能使高層建筑有利潤，近年來，開發(fā)商要求越來越高的NFA效率，然而隨著高層建筑高度、樓層數(shù)的增加，垂直運輸、設備系統(tǒng)、結構所需空間、電梯核心筒等相關功能建筑總面積也會隨之增大。一般而言，建筑系統(tǒng)占用總建筑面積約為23%，包括12%核心筒功能、5%結構面積、4%電梯井面積、1%機電設備豎井面積和1%樓梯面積。［2］從建筑設計的角度，核心筒偏置的設計能更有利于空間平面功能的布局與提高高層NFA效率，如深圳某超高層的平面設計（見圖6），連貫大空間擁有更好的使用空間與舒適度。但從結構設計的角度，核心筒等相關建筑系統(tǒng)雖僅占比總建筑面積的23%，但在結構體系中卻承擔約40%的重力荷載，在結構設計中十分重要。居中的核心筒更有利于抗震與抗扭矩等作用，廣東湛江某項目所采取的居中核心筒為主流超高層建筑核心筒布置方法（見圖7），核心筒四周向外延伸多一跨約（9～11 m）布置辦公或酒店功能。由此可見，核心筒在高層建筑設計中尤為重要，但并沒有一個固定模式必須要核心筒居中［7］，建筑與結構2個專業(yè)互相溝通與協(xié)調后，建筑師可在主流居中的結構體系中進行設計的創(chuàng)新，結構工程師也可輔助建筑設計偏置核心筒而調整。

圖6 深圳某項目偏置核心筒Fig.6 Bias Position of Core Tube of a Project in Shenzhen

圖7 湛江某項目居中核心筒Fig.7 Middle Position of Core Tube in Zhanjiang Project

1.2.2 建筑平面與建筑重心、質心

地震作用是對建筑結構體系的一大挑戰(zhàn)，重力荷載中由地震地面運動產(chǎn)生的高層建筑結構內力可以通過F=質量×加速度來驗算，因此減少自重是高層建筑抗地震力的關鍵。作為占據(jù)高層建筑物約40%質量的核心筒，通過大量鏤空塔樓中上部分的核心筒面積可以有效減輕塔樓自重。因此設計湛江某超高層大廈剖面，如圖8所示，居中的電梯核心筒設置從首層至中高區(qū)，在保證大廈結構剛度的前提下，高區(qū)電梯筒中庭鏤空，大大減少超高層塔樓的自重從而有效減少地震作用的損害，挑高中庭也便于建筑平面景觀布置和帶來視覺的震撼度，此做法與上海某超高層類似，高區(qū)電梯筒旁移使得中庭大面積鏤空成為特色（見圖9）［8］。

圖8 湛江某大廈垂直剖面Fig.8 Vertical Section of a Building in Zhanjiang

圖9 某大廈立面及中庭Fig.9 Vertical Section and Atrium of a Tower

高層建筑結構設計的核心之一是保證建筑物的重心、型心、鋼心的統(tǒng)一，此結構設計的力學要求是建筑設計師在追求建筑造型優(yōu)美和平面布局適用性的前提。

2 結語

無論是以清代皇家御用建筑世家聞名的“樣式雷”為代表的中國古代工匠，還是當代以建筑設計與結構動力學皆精通的建筑大師SANTIAGO CALA?TRAVA，建筑設計與結構設計兩者間的學術壁壘并不應該劃分得如此涇渭分明，有效地將兩者的特點融匯貫通并創(chuàng)作出來的建筑作品，往往能帶來新鮮的學術碰撞與視覺感觀的美學享受。中國建筑業(yè)在經(jīng)歷了高速發(fā)展的階段后，迎來了沉淀和反思期，打破學術間的隔閡，建筑師和結構師之間互相學習溝通合作［9］，將建筑與結構設計有機結合可設計出兼顧力與美的建筑，尤其結構難度系數(shù)高的公共高層建筑設計，在互相制約的兩者間尋找到平衡結構力學與建筑美學的最優(yōu)解，為新時代中國建筑業(yè)發(fā)展提供新思路。