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        高層建筑群的多維度復(fù)合設(shè)計
        ——重慶來福士廣場工程復(fù)合設(shè)計創(chuàng)新

        2017-12-04 05:50:18張懷金王雋曹平鄧小華
        重慶建筑 2017年11期
        關(guān)鍵詞:來福士連廊塔樓

        張懷金,王雋,曹平,鄧小華

        (1凱德中國,上海 200001;2重慶市設(shè)計院,重慶 400015)

        高層建筑群的多維度復(fù)合設(shè)計
        ——重慶來福士廣場工程復(fù)合設(shè)計創(chuàng)新

        張懷金1,王雋1,曹平1,鄧小華2

        (1凱德中國,上海 200001;2重慶市設(shè)計院,重慶 400015)

        重慶來福士廣場項目由著名建筑師摩西-薩夫迪設(shè)計,包括8棟250m到380m的超高層塔樓,空中連廊,6層裙房以及3層地下室,建成后將成為重慶新地標(biāo)。該項目總建筑面積約113萬㎡,包括辦公、商業(yè)、酒店、服務(wù)式公寓、高層住宅和交通樞紐等多種業(yè)態(tài)。該文主要介紹了這個超大型項目的多維度復(fù)合設(shè)計過程和工程創(chuàng)新。該項目中運用到的創(chuàng)新和前沿技術(shù),標(biāo)志著中國重要城市(如重慶等)的高層建筑群的設(shè)計和建造水準(zhǔn)。

        高層建筑群;性能化設(shè)計;阻尼器;組合伸臂系統(tǒng);伸臂墻;重慶來福士;超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計

        1 項目介紹

        重慶來福士廣場項目位于長江及嘉陵江交匯處,極具象征意義:既是重慶輝煌過去的標(biāo)志,也代表著城市蓬勃發(fā)展的現(xiàn)在和未來。作為古代舉行朝圣儀式的地點和最重要的古城門,朝天門一直是重慶歷史性的地標(biāo)。朝天門最初作為重慶在長江上游的碼頭區(qū),代表了水路航運的偉大傳統(tǒng),激勵著這個內(nèi)陸城市的發(fā)展,并推動著重慶成長為中國最重要的現(xiàn)代化城市之一。

        項目位于長江航路上,以揚帆的設(shè)計形象呈現(xiàn)于水面上(圖1)。八棟塔樓的外立面為朝向北面江水的通透表面,讓人回想起古老的中國船隊,乘風(fēng)揚起白色風(fēng)帆。各塔樓彎曲的立面以及在船首弧形的布局,極富動感——寓意這個大城市攜水運商業(yè)遺產(chǎn)的認(rèn)同,奮勇前進。其形象簡潔易辨識,兼具標(biāo)志性。該項目作為城市對外門戶的標(biāo)志,亦是城市半島巔峰的創(chuàng)新形象。各塔樓的南立面(弧形內(nèi)側(cè))以柔和弧度回望城市,覆蓋著綠色的空中花園下達裙房屋頂,裙樓屋頂本身也是一個綠色的圓形劇場狀公園,包含花園、泳池以及公共交通系統(tǒng)等。這個公園化的屋頂場地緩緩向北傾斜升高,優(yōu)化了透過塔樓間(包括住宅、辦公以及酒店)的望江的視野,并最大化項目面向城市的景觀。該項目是一個113萬㎡的大型綜合體,包含辦公、商業(yè)、酒店、服務(wù)式公寓以及高端住宅,同時在項目的不同平面涵蓋了交通樞紐和公共交通系統(tǒng)。本文闡述重慶來福士的多維復(fù)雜施工,也介紹項目創(chuàng)新點和使用的前沿技術(shù),這些創(chuàng)新與技術(shù)標(biāo)志著像重慶這種超大城市中,超高層建筑群可以達到的水平。

        圖1 重慶來福士廣場

        2 多維度設(shè)計及規(guī)劃

        項目設(shè)計經(jīng)過了全面的多維度規(guī)劃,以服務(wù)于不同樓層,不同業(yè)態(tài)的人群、交通和功能區(qū),如圖2所示。在裙房屋頂平面以下,裙樓有6層公共空間(約200,000㎡),包括商業(yè)、文化設(shè)施、陸路和水路交通樞紐 (約有168,000㎡供交通及停車使用)。

        城市現(xiàn)有交通干線從南側(cè)切入,創(chuàng)造了更多的商業(yè)街和大型回廊,提供了一個強大、流暢的動線,使項目融入到城市中。同樣,港務(wù)區(qū)域不僅包含客輪碼頭的功能,還包括景觀步道、外部商業(yè)設(shè)施等,把項目的公共功能延伸到港口。進入項目的交通流線,在不同的標(biāo)高都規(guī)劃得細致而簡捷:公交巴士、軌道、汽車和游船均有直接的入口,能夠便利地環(huán)通商場、文化中心、住宅、辦公樓以及酒店。

        兩棟主塔樓北面直接面向兩江交匯處,是項目最高的結(jié)構(gòu)(約348m,75層)。項目的中軸線,沿兩棟塔樓之間與城市中心交匯。在兩棟最高塔樓的后方,四棟較低塔樓(約49層)延伸著弧線。一個位于空中248m的空中花園連接這四個塔樓(其中兩棟為約196,000㎡的辦公樓,兩棟為住宅),與下方的裙房屋頂花園相呼應(yīng)??罩谢▓@兩端建有令人驚嘆的觀景平臺,提供眺望重慶市貌的最佳視野。在空中花園樓層,包含有酒店大堂及相關(guān)功能,而其上為花園和泳池。同時大堂連接著項目最高雙子塔的上部樓層,約34層的酒店房間可以俯瞰重慶絕佳的景觀。剩余兩棟獨立的塔樓為住宅,57層高,為項目提供了約302,000㎡的高級居住單位,并與其余六棟塔樓形成了完整的圓弧。這兩棟塔樓的位置和朝向能夠獲得最大的視野,并最大限度地利用陽光。與其余四棟較低的塔樓類似,它們朝南的單位均有懸掛的花園,為城市提供了郁郁蔥蔥的綠色景觀。

        3 組合工程系統(tǒng)

        在中國,高層建筑的設(shè)計和施工需要嚴(yán)格考慮風(fēng)和地震的影響?,F(xiàn)行國家抗震設(shè)計規(guī)范(MHURD,2010和2011)引入了性能化設(shè)計的方法,要求結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑需分別滿足在三種超越概率(63%、10%、2%-3%)的地震情況下的抗震要求。在許多情況下,高層建筑的設(shè)計也需滿足“兩水準(zhǔn)”的抗震要求。對眾多沿海城市來說,風(fēng)荷載是另外一個需考慮的因素,在這些地方臺風(fēng)起控制作用。結(jié)構(gòu)工程師通常需面對來自風(fēng)和地震的雙重挑戰(zhàn),同時需要保證整體結(jié)構(gòu)和空間使用的效率。目前,類似于阻尼器和隔震支座的耗能裝置更廣泛應(yīng)用于高層建筑中,以提高在災(zāi)難性荷載下的整體結(jié)構(gòu)性能,而不是僅靠增加鋼材及混凝土用量,使整體結(jié)構(gòu)變得巨大并造價高昂。

        3.1 空中連廊一體化工程策略

        重慶來福士廣場所有250m塔樓均采用型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。空中連廊的工程設(shè)計,容許連廊與其下四個塔樓結(jié)構(gòu)間進行半連續(xù)的連接。圖3(a)展示了整體結(jié)構(gòu)設(shè)置。在連廊主結(jié)構(gòu)和塔樓支撐結(jié)構(gòu)之間采用了摩擦擺支座(FPB)和液壓阻尼器。經(jīng)與幾家支座廠家的詳細征詢,最終確定了摩擦擺式支座摩擦系數(shù)為5%。摩擦擺支座和粘滯阻尼器共同作用,消耗掉不同水平地震作用下的能量,減小塔樓與連廊間的相對位移。整體工程設(shè)計亦創(chuàng)新性地利用了空中連廊的質(zhì)量,消耗地震能量并控制塔樓結(jié)構(gòu)的橫向變形,最終促進質(zhì)量阻尼機制的實施。圖3(b)展示了質(zhì)量阻尼效應(yīng)在不同水平地震作用下控制塔樓基礎(chǔ)剪力的整體效果。一般來說,在空中連廊及塔樓結(jié)構(gòu)間運用這種創(chuàng)新設(shè)置,可以減少35%至40%的基礎(chǔ)剪力,從而極大地節(jié)省了結(jié)構(gòu)柱和核心筒中的建筑材料用量。項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案解決了重慶6.5度地震區(qū)的多個結(jié)構(gòu)超限問題。

        圖3 空中連廊工程體系

        四棟塔樓與連廊進行了振動臺試驗,以驗證中震到大震作用下質(zhì)量阻尼機制的有效性以及建筑結(jié)構(gòu)的可靠性。圖4(a)展示了不同水平地震作用下的模型設(shè)置,圖4(b)展示了振動臺模型中縮尺比例1:25的支座細部構(gòu)造。地震模擬振動臺試驗的目的是驗證設(shè)計計算和結(jié)構(gòu)假定的合理性,同時可以確認(rèn)薄弱部位,為加強措施提供指導(dǎo)。整個模型、振動臺及配重的總重量約為252t。考慮到振動臺的承重能力,四個塔樓的模型放置在兩個可以同步振動的振動臺上,模擬不同方向、多種烈度的地震。物理模型的制作采用具有適宜彈性模量和強度的材料:混凝土材料采用相應(yīng)強度等級的砂漿模擬,鋼筋用鋼筋模擬,型鋼截面采用焊接角鋼模擬。依據(jù)國家地震規(guī)范(MHURD,2010),在實驗室進行了6.5度區(qū)直至大震強度的振動臺實驗,結(jié)果證明塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計在不同水平地震作用下是合理的。

        圖4 相連塔樓的振動臺試驗

        3.2 組合伸臂桁架系統(tǒng)

        在重慶來福士廣場兩棟380m高的超高層塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中,避難層采用了一種新型的鋼-混凝土組合伸臂桁架+軟鋼阻尼器的體系,其中的鋼桁架嵌入在鋼筋混凝土伸臂墻里,如圖5(a)和圖5(b)所示。鋼桁架和混凝土伸臂墻共同作用,提高塔樓結(jié)構(gòu)在極端荷載作用下的整體結(jié)構(gòu)性能。同時,軟鋼阻尼器也作為一種保險絲裝置,用于組合伸臂和巨柱結(jié)構(gòu)之間。按照設(shè)計,軟鋼阻尼器在中震到大震的作用下首先屈服,以保證組合伸臂體系中重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性。這樣,組合伸臂體系中鋼筋混凝土構(gòu)件不會出現(xiàn)脆性破壞。圖5(c)表示了結(jié)構(gòu)工程軟件(ETABS,2010)針對組合伸臂體系,在不同水平地震作用下得到的數(shù)值模擬結(jié)果。該設(shè)計可以讓承包商突破在避難層的鋼結(jié)構(gòu)伸臂桁架進行長時間焊接的關(guān)鍵路徑,擺脫核心筒與伸臂墻之間的節(jié)點焊接工作,率先豎立核心筒。這將有助于縮短塔樓的總體施工工期。根據(jù)相應(yīng)的驗證試驗,軟鋼阻尼器在小震和中震地震作用下可以有效工作,提高整體結(jié)構(gòu)性能。通過有限元建模分析和物理構(gòu)件試驗,驗證了組合伸臂體系的有效性。圖6(a)展示了整體模型設(shè)置以及循環(huán)作用下的荷載-位移曲線。有了保險絲設(shè)備的低屈服鋼軟鋼阻尼器的有效保護,組合伸臂體系在地震作用下具有足夠的延性。

        圖5 帶阻尼的組合伸臂系統(tǒng)

        3.3 新型構(gòu)件及系統(tǒng)試驗研究

        通過組合伸臂桁架模型上關(guān)鍵構(gòu)件和整體體系的試驗研究,揭示了在不同水平下單調(diào)及準(zhǔn)靜力往復(fù)荷載的詳細結(jié)構(gòu)響應(yīng),如圖6所示。試驗中參考了多種國際組合結(jié)構(gòu)和節(jié)點的規(guī)范 (BSI 2005;AISC 2005;SCI&BCSA 2002)。在研究過程中,特別關(guān)注了以下幾個方面:承載能力和變形特征,應(yīng)力分布和集中,節(jié)點耗能能力以及典型失效模式和損壞位置。

        圖6 帶阻尼的組合伸臂系統(tǒng)研究

        3.3.1 組合伸臂的構(gòu)件試驗

        在單調(diào)和準(zhǔn)靜力的往復(fù)荷載作用下,分別測試了兩組組合伸臂構(gòu)件,包括鋼支撐、預(yù)埋鋼構(gòu)件和混凝土伸臂墻。觀測并研究了荷載-變形特性、鋼構(gòu)件的應(yīng)力發(fā)展以及混凝土裂縫發(fā)育等多種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)響應(yīng)。這亦為研究在單調(diào)及準(zhǔn)靜態(tài)往復(fù)荷載作用下組合伸臂構(gòu)件的荷載-變形特性和破壞機理提供了有價值的理解。在這系列物理試驗中未包含低屈服鋼阻尼器。

        3.3.2 帶有鋼阻尼器的組合伸臂系統(tǒng)研究

        這組試驗研究了組合伸臂系統(tǒng)的整體性能,包括低屈服軟鋼阻尼器,以及連接框柱和核心筒的組合伸臂構(gòu)件。在單調(diào)和準(zhǔn)靜態(tài)往復(fù)荷載作用下,詳細研究和測試了組合伸臂系統(tǒng)的荷載-變形特性,對其中關(guān)鍵構(gòu)件的破壞和失效模式也進行了考察。

        在單調(diào)加載試驗中,每個加載梯度為預(yù)估總承載力的5%,在接近構(gòu)件失效時降低為2.5%。為確保加載單元與構(gòu)件直接牢固接觸,施加加載為預(yù)估總承載力15%的預(yù)加載。對于準(zhǔn)靜態(tài)往復(fù)加載試驗,采用了位移控制的方法,控制位移分別為±Δy/2,±Δy,±2Δy,±3Δy,±4Δy,±6Δy,Δy代表鋼節(jié)點在第一個屈服段的位移。這種加載程序同時確保了適當(dāng)?shù)念A(yù)加載以及充分的控制位移,得以測試這個組合節(jié)點的整體延性。試驗同時也考慮了ASTM(2011)和Lou&Wang(2015)中提到的測試方法和步驟。

        3.3.3 數(shù)值模擬

        在單調(diào)荷載作用下,考慮幾何和材料非線性,運用通用有限元分析軟件ABAQUS(2014)建立了三維有限元模型,得到了彈性和大變形塑性階段伸臂系統(tǒng)的荷載-變形特性,并對多種結(jié)構(gòu)性能進行了研究和測定,包括承載能力、荷載-變形曲線、應(yīng)力分布和集中等。

        圖6(b)是三維有限元模擬的結(jié)果:證明“保險絲裝置”具有足夠的延性,同時在大震作用下,混凝土伸臂墻上的裂縫也能受到有效的控制。同時它也表明鋼支撐+混凝土伸臂墻能夠與低屈服鋼阻尼器協(xié)同有效地工作,并通過試驗展示了良好的承載能力和耗能性能。這些研究加深了對這種新型伸臂系統(tǒng)的詳細的認(rèn)識。這種組合體系具有很好的應(yīng)用前景,能加強在極端荷載作用下高層結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)性能。我們?yōu)榻⑦@種新型組合伸臂系統(tǒng)的參數(shù)研究和新設(shè)計方法,進行了很多的分析和數(shù)值研究。

        4 結(jié)論

        本文闡述了重慶來福士廣場的多維復(fù)雜設(shè)計,同時也介紹了項目的創(chuàng)新點和前沿技術(shù)應(yīng)用情況,其中兩個突出的要點分別是:(1)多維度規(guī)劃與設(shè)計?,F(xiàn)代化綜合體項目的規(guī)劃和設(shè)計需要包含不同的商業(yè)功能(休閑和娛樂)和不同的交通方式,這就需要對項目進行多維度的規(guī)劃和設(shè)計,在多層面上滿足交通流通和功能需求。(2)復(fù)雜工程系統(tǒng)。項目需考慮多種類型的荷載、抗震和抗風(fēng)設(shè)計,同時還應(yīng)具有多重抵御風(fēng)險的能力,該項目采用了新型的抗震、耗能設(shè)計。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系,采用現(xiàn)代數(shù)字分析技術(shù)+試驗方法進行輔助,可以高效快速地進行設(shè)計。

        Composite Multi-dimensional Design for High-rise Complex

        Designed by the world-renowned architect Moshe Safdie,the Raffles City Chongqing(RCCQ)project includes 8 super high-rise towers of 250-380 meters height,a space corridor,a 6-storey podium and a 3-storey basement.It will be a new landmark of Chongqing,covering a total construction area of 1.13 million square meters,with offices,stores,hotels,service apartments,high-rise residences,traffic hubs and so forth.This paper mainly introduces the composite multi-dimensional design process and engineering innovation of this large-scale project.The innovative and cutting-edge technologies applied in this project mark the design and construction level of super high-rise complexes in major cities like Chongqing of China.

        high-rise complex;performance-based design;damper;composite outrigger system;outrigger wall;Raffles City Chongqing;structural design of super high-rise buildings

        TU974

        A

        1671-9107(2017)11-0022-04

        10.3969 /j.issn.1671-9107.2017.11.022

        2017-10-31

        張懷金(1978-),男,山東濟南人,研究生,高級設(shè)計經(jīng)理,主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程管理工作。

        王雋(1980-),男,中國香港人,博士,英國結(jié)構(gòu)工程學(xué)會、英國土木工程學(xué)會院士,主要從事超高混合建筑的技術(shù)管理、創(chuàng)新和實踐工作。

        責(zé)任編輯:孫蘇,李紅

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