塔樓偏置的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

李福帥 (山東鉅旺建筑工程有限公司，山東 濰坊 262500)

近年來，隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，高層建筑作為城市的重要組成部分，日益受到關(guān)注，塔樓作為高層建筑的代表，因其獨(dú)特的外觀和多功能性在城市建設(shè)中占據(jù)著重要的地位[1]。然而，在追求創(chuàng)新和獨(dú)特性的同時(shí)，塔樓的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。塔樓偏置作為一種突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手法，為建筑帶來了更多的可能性，同時(shí)也引發(fā)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新思考。在塔樓偏置的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要兼顧視覺美感、建筑功能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多個(gè)方面，這使得設(shè)計(jì)過程更加復(fù)雜而富有挑戰(zhàn)性[2]。然而，當(dāng)前許多現(xiàn)有的研究側(cè)重于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，缺乏對于塔樓偏置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的深入探討。因此，本論文旨在系統(tǒng)性地探討塔樓偏置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，深入分析其在視覺、功能和結(jié)構(gòu)等方面的影響，討論超限情況、平面規(guī)則性、豎向規(guī)則性以及性能化目標(biāo)等問題，探討節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、商業(yè)主入口、中庭結(jié)構(gòu)、塔冠設(shè)計(jì)等相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略和方法。

1 工程概況

某商業(yè)綜合體塔樓，塔樓偏置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集合多種功能，該建筑位于經(jīng)濟(jì)繁榮的城市中心，是城市高層建筑群的一部分，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)使其成為城市地標(biāo)建筑。該塔樓總建筑面積約為356000㎡，高度為167m，共有47 層，帶3 層地下室，整體建筑屬于超高層建筑范疇，其垂直空間的設(shè)計(jì)對于優(yōu)化使用功能和滿足多樣化需求具有重要意義。該建筑在功能上具有商業(yè)、辦公和文化等多重用途。其中，底部樓層設(shè)計(jì)為商業(yè)空間，為周邊居民和游客提供購物、休閑和娛樂的場所；中層樓層被規(guī)劃為辦公空間，為企業(yè)提供現(xiàn)代化的工作環(huán)境。此外，建筑還融入了文化展示和公共交流空間，增強(qiáng)了建筑與城市社區(qū)的互動。設(shè)計(jì)理念強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新與功能性的結(jié)合。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，要保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性能，優(yōu)化內(nèi)部空間布局，為城市增添新的特色和活力。

2 塔樓偏置高層建筑整體結(jié)構(gòu)

2.1 塔樓偏置分析

塔樓偏置作為該商業(yè)綜合體建筑的特點(diǎn)，需要通過詳細(xì)的分析來確保其在結(jié)構(gòu)上的合理性和穩(wěn)定性。該高層建筑有3層地下室，采用筏形基礎(chǔ)形式。地下一層的側(cè)向剛度相對于地上一層的剛度應(yīng)提高2 倍。這種設(shè)計(jì)使得地下一層的頂板在結(jié)構(gòu)方面具備足夠的剛性，可以滿足其作為上部結(jié)構(gòu)嵌固的需求[3]。在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析時(shí)，地下室的頂板被視為可靠的嵌固端，因而能夠采用隔震設(shè)計(jì)方案，在地震情況下更好地確保建筑的穩(wěn)定性和安全性。

塔樓的結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒由公共區(qū)域的隔墻構(gòu)成，形成剪力墻的功能。同時(shí)，在建筑的周邊布置了框架結(jié)構(gòu)，其平均跨度為11.8m。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層的長寬為51.5m×41.5m；裙房的長寬為131.5m×75.8m。裙房采用框架結(jié)構(gòu)體系，相應(yīng)的立柱間距為8.8m×9.8m。經(jīng)過有限元仿真分析，底層框架在X 向和Y 向承擔(dān)的傾覆力矩，分別占整個(gè)建筑的29.4%和31.7%，介于10%和50%之間，符合相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

為了增加建筑的平面剛度，確保構(gòu)件協(xié)同工作抵抗變形，裙房的樓板厚度不應(yīng)小于140mm。開洞區(qū)域的周邊樓板應(yīng)進(jìn)行局部加強(qiáng)，加強(qiáng)部分的厚度不應(yīng)小于180mm。塔樓頂層屋面采用鋼結(jié)構(gòu)形式，作為塔冠柱腳轉(zhuǎn)換層。核心筒的剪力墻厚度在350mm～850mm之間變化。塔樓的外框柱采用矩形截面，其邊長范圍從850mm～1500mm 之間變化，且所有外側(cè)承重立柱需內(nèi)置十字型鋼。

塔樓偏置的實(shí)質(zhì)在于豎向抗側(cè)剛度的突變，在地震作用下，上部塔樓與大底盤裙房的交匯處發(fā)生塔樓樓層剪力，根據(jù)力學(xué)分析計(jì)算，在X和Y方向分別為10 315kN和11132kN。而塔樓頂層投影區(qū)域的豎向構(gòu)件的水平剪力，X和Y方向分別為6187kN和5725kN。上部塔樓傳遞下來的水平剪力，在X方向占總剪力的37.8%，在Y方向占總剪力的46.6%，通過水平構(gòu)件的協(xié)調(diào)傳遞，最終作用到基礎(chǔ)。截面剪應(yīng)力未超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的剪應(yīng)力允許值，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

2.2 規(guī)則性分析

在高層建筑設(shè)計(jì)中，超限情況可能涉及建筑的高度、規(guī)則性等方面。在塔樓偏置的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，平面規(guī)則性是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素，平面規(guī)則性涉及建筑的平面形狀和樓層布局[4]，對于塔樓的穩(wěn)定性、使用功能以及視覺效果都具有重要影響。

塔樓主體結(jié)構(gòu)高度為167m，屬于A 級高度建筑。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層的寬度為51.5m，其高寬比為3.24，小于7。核心筒的平面尺寸為23.5m×23.5m，其高寬比為7.11，小于12，滿足相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。

部分樓層出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)位移比大于1.3 的情況，為此，增加周邊框架梁的高度，以提高結(jié)構(gòu)的抗扭性能和延性；增加角部框架柱的截面尺寸，加強(qiáng)承載力和變形能力；提升裙房框架的抗震性能等級，增加構(gòu)件的抗變形能力。

針對第2、第7 層樓板開洞導(dǎo)致的樓板不連續(xù)，在樓板中設(shè)置雙層雙向通長鋼筋網(wǎng)，以增加樓板的抗剪能力；進(jìn)行大震作用應(yīng)力分析，確保樓板能夠承受大震荷載；根據(jù)開洞情況進(jìn)行不同樓層的構(gòu)件包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2.3 性能化目標(biāo)

在塔樓偏置的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過科學(xué)的方法和技術(shù)手段，確保建筑的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，主要參考標(biāo)準(zhǔn)是抗震性能[5]?？拐鹦阅芑繕?biāo)的設(shè)定和實(shí)現(xiàn)有助于提升建筑的整體品質(zhì)和價(jià)值。塔樓項(xiàng)目的性能化目標(biāo)如表1所示。

表1 塔樓項(xiàng)目的性能化目標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在塔樓偏置的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響建筑的整體性能和安全性。

3.1 大堂圓柱轉(zhuǎn)方柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

大堂區(qū)域往往伴隨著大跨度的空間設(shè)計(jì)，為了滿足建筑的視覺需求，可能需要將圓柱的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為方柱。這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的轉(zhuǎn)換涉及材料的連接、力的傳遞等問題。在轉(zhuǎn)換區(qū)域，圓柱與方柱之間的轉(zhuǎn)換需要精確的設(shè)計(jì)和施工，以保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

大堂圓柱轉(zhuǎn)方柱節(jié)點(diǎn)時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)是在節(jié)點(diǎn)過渡區(qū)域的設(shè)計(jì)。這個(gè)過渡區(qū)域連接圓柱和方柱的結(jié)構(gòu)，需要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的形狀轉(zhuǎn)換，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)方案需要考慮如何優(yōu)化過渡區(qū)域的幾何形狀，以實(shí)現(xiàn)從圓形到方形的平滑過渡，避免應(yīng)力集中[6]。節(jié)點(diǎn)過渡區(qū)域不僅需要結(jié)構(gòu)合理，還需要在外觀上與大堂區(qū)域相協(xié)調(diào)。

為了展現(xiàn)大堂的建筑效果，本項(xiàng)目在大堂區(qū)域選擇了4 根外框柱，這些柱的截面從底部到第三層樓之間，由D1600圓形結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?450mm×1450mm的方柱，內(nèi)部嵌入貫通的十字型鋼。為了確保這一連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)考慮了下部圓柱的鋼筋在自然狀態(tài)下或者按照1:6的傾斜比例貫入方柱內(nèi)，并且連續(xù)貫通至上一層的樓板。圓柱轉(zhuǎn)方柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 圓柱轉(zhuǎn)方柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

3.2 主入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在塔樓偏置的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)中具有重要作用。根據(jù)建筑平面布置和主入口尺寸要求，第2層至第4層樓板向內(nèi)收縮，主入口被整個(gè)玻璃幕墻所圍合，形成一個(gè)封閉的空間。為了實(shí)現(xiàn)玻璃通透的空間效果，5 層及以上的承重柱不能延伸至地面，應(yīng)考慮承重荷載轉(zhuǎn)換。為此，采用帶斜腹桿的鋼筋混凝土空腹，來實(shí)現(xiàn)大跨度懸挑結(jié)構(gòu)。經(jīng)過仿真分析得出，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在豎向方向上的最大變形為36.5mm，撓度與跨度的比值為1/568，滿足相關(guān)規(guī)范的要求?？崭硅旒芙Y(jié)構(gòu)樓板的最小固有頻率為5.63Hz，也符合相關(guān)規(guī)范的要求。商業(yè)主入口結(jié)構(gòu)的三維模型如圖2所示。

圖2 商業(yè)主入口結(jié)構(gòu)

3.3 中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是塔樓偏置的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)中的一個(gè)突出問題。在中庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和模擬。塔樓的2～5 層的樓板都需要開洞，形成中庭結(jié)構(gòu)。第6層作為電影院用途，則需要進(jìn)行封板處理。為了提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應(yīng)對大跨度、大懸挑的挑戰(zhàn)，采用空間梁系布置方案[7]。結(jié)合塔樓實(shí)際情況，2～5 層中庭的懸挑跨度設(shè)計(jì)為4m～9.5m，型式為單向鋼筋混凝土懸挑梁，將其嵌入內(nèi)框結(jié)構(gòu)中，并且至少延伸一跨。第6 層的電影院，考慮到荷載較大的情況，采用鋼結(jié)構(gòu)空腹桁架來布置影院夾層的疏散通道，同時(shí)在邊跨處設(shè)置了斜撐，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中，3～5 層的中庭結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

圖3 3～5層的中庭結(jié)構(gòu)布置

3.4 塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塔冠作為建筑的頂部特征，在塔樓偏置的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色。在結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)方面，要根據(jù)塔冠的外觀要求和結(jié)構(gòu)性能，確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式。

塔冠建筑的幕墻造型呈現(xiàn)逐級上升的形態(tài)，各個(gè)立面的完成面高度各異，范圍在2.3m～16.3m 之間。為了減輕塔冠結(jié)構(gòu)自身的重量，同時(shí)便于高空施工操作，選用方鋼管框架結(jié)構(gòu)體系來構(gòu)建塔冠結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較高[8]。構(gòu)建承重柱和橫梁的鋼材選用方管，承重柱的截面尺寸為200mm×200mm×10mm，橫梁的截面尺寸為200mm×200mm×8mm。鋼柱的底部位于屋面轉(zhuǎn)換梁上，為確保塔冠鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)的連接牢固，并方便現(xiàn)場施工安裝，采用外包式的柱腳設(shè)計(jì)。塔冠結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 塔冠結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，分析塔樓偏置的超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和策略，得到如下結(jié)論：

（1）塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了核心筒和周邊框架的合理組合，以及樓板厚度和開洞區(qū)域的加固。該設(shè)計(jì)方案保證滿足穩(wěn)定性和抗震性要求。

（2）塔樓結(jié)構(gòu)在高度、平面布局以及高寬比等方面規(guī)范要求。針對可能的超限情況，采取了增加框架梁高度、加大角部柱截面尺寸等措施來提升抗扭性能和變形能力，保障建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（3）細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主入口采用空腹桁架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大跨度懸挑，中庭采用大跨度方案，塔冠則采用方鋼管框架以保證建筑穩(wěn)定性和視覺效果。設(shè)計(jì)方案可保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和建筑整體質(zhì)量。