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随着城市化进程的不断深入，城市人口的急剧增多，城市空间开始变得越来越拥挤，由于土地的稀缺性，如何在建筑空间的结构设计方面不断地进行优化，合理地利用有限的空间就成为了一项重要的课题。以高层建筑的设计为例，越来越高昂的土地价格，使得建筑成本急剧上升，建筑只有建得更高才能够带来理想的收益，当然这也就对建筑设计师提出了更高的要求。
多年来空间结构的理解和含义只是指大跨结构 , 其实 , 高层建筑结构就是一个竖向放置的空间结构。高层超高层建筑结构设计充分发挥结构的整体空间作用 , 是高层超高层建筑结构设计的关键真谛。纵观国内外高层超高层建筑结构发展史 , 框架结构—框剪结构—剪力墙结构—框筒结构—支撑结构 , 可以看到, 关注整体结构空间理念 , 注意发挥和发掘结构的空间性、整体性、稳定性, 高层超高层建筑结构就能取得实用经济美观的综合效果 , 成为设计精品 。
下面就通过几个工程案例，介绍空间结构理念在高层建筑中的应用。
1 天津招商钻石山超高层住宅
1 .1 工程概况
天津卫津南路超高层住宅位于天津市奥林匹克体育中心东侧 , 总建筑面积约 8 万 m2 , 由 2 栋 42 层高度 140.1m 超高层住宅塔楼和 2 层扩大地下室组成 , 塔楼矩形平面 , 宽仅 17.5m , 以便于景观和通风 .因此 , 塔楼高宽比较大 , 达 7.6 。
招商钻石山效果图
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1 .2 原设计概况
原设计建筑结构布置如下图 1 所示 , 采用剪力墙结构。原设计剪力墙布置偏东且零碎 , 主要剪力墙端部没有翼缘 , 基本为一平面抗侧力结构 。工程地处抗震设防8度地区 , 建筑高宽比>6 , 横向内墙500mm 厚 , 仍不能满足结构在地震作用下扭转和层间水平位移要求 , 不能满足结构整体稳定要求 , 严重影响建筑使用功能。
图一 原建筑结构平面布置
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1 .3 优化设计 ———空间束筒结构
优化设计建筑结构布置如下图 2 所示 , 仍采用剪力墙结构，要求 不能满足结构整体稳定要求， 严重影响建筑使用功能。
优化设计剪力墙均匀布置 , 剪力墙端部设加厚翼缘 , 整栋塔楼主体结构由多个束筒 —连梁构成 , 充分发挥整体结构空间作用 , 从而使剪力墙减薄至底部 300mm , 上部 200mm , 减少了剪 力墙面积 , 减轻了结构自重 , 还很好满足了结构在地震作用下扭转和层间位移要求 , 满足了结构整体稳定要求 , 满足和改善了建筑使用功能 , 获得业主和建筑师的赞赏 , 付诸实施。
图二 优化后建筑结构平面布置
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1 .4 设计效果
结构静动力弹塑性分析计算表明 , 底部局部剪力墙较为薄弱 , 设计针对性地进一步予以适当加强 ，整体结构达到小震弹性 、中震基本弹性 、大震少量墙肢屈服的性能水准 , 超过现行规范大震不倒的水准 ,天津市抗震超限审查一次顺利通过 .整个工程取得良好的综合技术经济效果 , 主体结构施工顺利 , 现已入住多年。
2 深圳福建兴业银行大厦
2 .1 工程概况
深圳福建兴业银行大厦地处深圳市福田 CBD中心区 , 总 建筑面 积约 5 万 m2 , 塔 楼主 体结 构高99.8m , 总高度 121.2m, 城市规划要求 , 塔楼立面分 3级外凸收进 , 最大收进外凸达 3.85m , 如图 3 所示。
效果图
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图3 建筑剖面图
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2 .2 设计理念 ——搭接柱转换
立面外凸和收进 , 通常设计采用平面转换梁托柱 , 转换梁截面受剪切控制 , 达 3m ～ 4m 高 , 影响转换层建筑使用 , 同时 , 高位大梁转换引起结构刚度承载力突变 , 对结构抗震造成不利影响 。本工程设计创新采用搭接柱转换 , 实现建筑立面外凸和收进 , 如图 3 所示。设计巧妙地利用柱搭接块上下相连楼盖的水平刚度和承载力实现重力荷载传递和转移 , 如图 4 所示。
图4 搭接柱转换示意
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a.外悬搭接
b.内收搭接
利用结构的整体性、空间性实现的搭接柱转换，保持了相连楼层梁高基本不变，为结构转换层提供了良好的使用功能和空间，如下图所示，同时取消了高位大梁转换，消除了结构刚度承载力突变的抗震不利影响。
图5 搭接块所在楼层 3 层咖啡厅内景
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3. 3科研及主要成果
世界建筑结构史上这一创新的搭接柱转换结构，既无设计规范可遵循 , 又无成熟可靠的实践经验供参考 .设计从精细的有限元分析入手 , 基本摸清了结构在重力 、水平荷载下工作机理 , 进一步开展了整体结构 1/25 模型振动台抗震性能试验研究 , 验证了结构优良的抗震性能 , 如图 6 所示。同时开展了 1/5 局部模型静力试验研究 , 进一步确认了结构工作性能和规律 , 如图 7 所示。
图6 整体结构 1/25 模型振动台抗震性能试验
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图7 1/5 局部模型静力试验
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2 .3.1 搭接柱承载力配筋设计方法
搭接块施工图如图 8 、图 9 所示 。
图8 3-4层搭接块配筋
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图9 10-11层搭接块配筋
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搭接比例控制
0.45<C/h<0.7 拉区楼盖设预应力
C/h<0 45 可不设预应力
式中 ：C 为上 、下柱中心距 ,h 为层高 ,如图 4 所示。
2 .3.3 部分预应力
适度预应力平衡重力荷载下楼盖拉力标准值的70 %, 控制楼盖拉应力标准值 ≤2M Pa , 预应力筋布置如图 10 所示 ;
主动预应力形成反拱 , 减小主变形和次应力 , 如图 11 所示 ;
加大非预应力筋 , 使之基本满足承载力要求 ;
控制正常 使 用 状态 下 楼 盖 最 大裂 缝 宽 度 ≤0.1mm , 保证受拉楼盖刚度。
图10 四层楼面预应力筋布置
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图11 主动预应力反拱示意图
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2 .4 设计效果
工程投入使用 6 年 , 工作正常 ;柱靠边 , 取消转换大梁 , 改善了建筑使用功能 , 增加了建筑使用面积近 3000m2 .预应力筋总费用 9 万元人民币 , 相比同类型其它工程节约结构成本 1000 万元人民币。获业主赞誉 , 获中国土木工程詹天佑大奖 , 获国际混凝土预应力混凝土协会 Fib 提名奖 , 获全国优秀结构设计一等奖 , 获华夏科学技术一等奖(重要子课题)。该创新设计理念和方法已在广州 、厦门 、上海 、北京等地重要工程获推广应用。
3 多哈外交部大楼
3 .1 工程概况
多哈外交部大楼地处卡塔尔首都多哈湾畔 , 法国著名建筑师 John Novel 作品 .该工程为一地面以下 4 层 、地上 44 层钢筋混凝土结构 .顶盖 36m 直径钢穹顶 , 上设 27m 高钢桅杆 , 总高度 231m .总建筑面积 10 万 m2 .其立面 与结构平面布置如图 12 、图13 所示。
图12 立面效果图
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图13 5层结构平面
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该工程采用世界创新的(9 对 18 个)清水混凝土交叉柱外网筒作为主体结构 , 与内筒共同工作。交叉网筒在大跨度空间屋盖结构中已有广泛应用 , 将其竖向放置 , 作为超高层建筑既承重又抗侧的主要结构 , 又有其显著不同的特点和复杂性。18 个直柱(与 18 交叉斜柱材料等量)、内筒 、环梁 、楼盖布置同交叉柱结构的高层结构 , 如图 14 所示。.两种结构的模态 、周期 、稳定性和相同水平荷载下最大层间水平位移比较如表 1 所示。
表1
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由表 1 可见 , 交叉柱网筒 -内筒结构相比普通直柱框架 -核心筒结构 , 抗侧 、抗扭转能力和稳定性更好。
3 .2 原标书结构设计
法国结构工程师原标书设计关注的焦点是重力荷载下交叉斜柱内斜产生的楼盖环梁拉力 , 忽略了建筑结构平面布置引起的重力荷载偏心的重大影响 , 忽略了柱交叉节点承载力不足的隐患 , 又未作精细的结构自重施工模拟计算分析 , 高估了环梁拉力 ,南侧环梁及加厚悬臂板层层设置超大预应力 , 同时为防止环梁长期受压内缩 、楼盖钢梁受压屈曲 , 又进一步将各层钢梁连接螺栓处设月牙孔 、混凝土楼板与环梁设缝断开 , 损害了结构整体性 , 如图 15 所示 。
图 15 原标书设计结构平面
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3 .3 设计优化与深化
3 .3.1 精细化结构自重施工模拟
本工程结构自重占总重 70 %以上 , 用 52 个计算模型精细化逐层生成结构 , 逐层找平找正 .发现仅下部环梁受较大拉力 , 约为标书设计拉力的 2/3 , 中上部环梁拉力很小 .同时发现在后期附加静 、活载作用下 , 结构顶点由北向南弹性侧移达 5cm。
3 .3.2 混凝土徐变效应分析
建筑结构平面布置内筒北移 2m , 南侧外挑 5m ,北侧 1 ～ TP28 层楼板抽空 、形成入口大堂 .建筑师要求同层柱截面相同 .这样 , 重力荷载下南侧交叉柱压应力约为北侧交叉柱压应力 2 倍 .
世界各国混凝土徐变研究表明 , 混凝土长期徐变变形一般约为弹性压缩变形的 1.5 ～ 2 倍 。
因此 , 在包括结构自重的总重力荷载作用下 , 结构顶点由北向南侧移变形 , 估计最终将达到弹性侧移 5cm 的(1.5 ～ 2)×(70/30 +1)=5 ～ 6.7 倍 , 达到 25cm ～ 33.3cm 。
进一步参考 CEB -F I P , ACI 及 PCI 混凝 土徐变预测模式 , 按 2 月一个时间步计算分析表明 , 20年后标书设计结构顶点将向南侧移达 282mm , 南北两侧柱顶点竖向位移差达 114mm , 如图 16 所示 。
图 16 原标书设计 20 年后结构变形图(mm)
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这个变形是在基本不变的重力荷载长期作用下逐步形成 , 不可逆转 , 完全不同于一般风 、地震动力作用下瞬间可恢复弹性变形 , 远大于电梯轿箱井道最大间隙 150mm , 影响建筑功能正 常使用 , 将成为21 世纪新比萨斜塔。
3 .3.3 交叉柱节点承载力分析
本工程交叉柱中心线 相交于楼面 , 如图 17 所示 .该交界面水平截面面积约为单斜柱截面积 1.1倍 , 2 个斜柱汇交的垂直方向轴压力约为单斜柱轴压力 1.8 倍 , 该交叉柱节点承载力明 显不足 , 如图18 所示。
图 17 交叉斜柱示意
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图 18 交叉柱节点受力示意
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3 .3.4 设计优化措施
(1)适度部分预应力
下部楼层环梁采用部分预应力理念 , 上部楼层环梁取消预应力 , 钢梁 、楼板 、环梁连成整体 , 控制正常使用状态下环梁楼板轴拉应力 ≤2M Pa。
整个工程预应力筋数量减少 90 %, 预应力筋只需布置在 下部楼层 环梁内 , 南侧 悬臂板 由 400mm减薄至 130mm , 仅此一项减小结构自重 7000t , 有利于减缓南北交叉柱压应力差异 , 如图 19 所示。
图19 原标书设计与改进设计环梁预应力筋布置图
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同时 , 环梁均加强非预应力筋 , 控制最大裂缝宽度 ≤0.1mm 。
(2)北侧柱空心 、南侧柱加筋纠偏
针对南北侧交叉柱压应力差异 , 采取 北侧柱 1-28 层空心 , 1700 柱中空 900 , 南侧柱配筋率由2 %提高至 2.77 %.计算分析表明 20 年后结构顶点向南侧移减小至 145mm , 南北两侧柱顶竖向位移差减小至 64mm ,保证了建筑物正常使用 , 如图 20 所示 .
图20 改进设计 年后结构变形示意图
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(3)交叉柱节点钢板凳加强
有限元弹性 、弹塑性分析表明 , 交叉柱节点区内置钢板凳改变传力途径 , 能有效改善节点区应力集中 , 提高节点承载力 , 如图 21 所示 。
图 21 交叉柱节点钢板凳加强
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3 组 9 个 1/6.8 钢板凳节点对比试验 , 进一步验证了节点钢板凳加强的可靠合理有效性 , 如图 22所示 .全楼下部南侧交叉柱钢板凳加强节点共计 17个 , 总用量约 30t。
图 22 节点试验模型
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(4)结构稳定与北侧 28 层通高交叉柱计算长度确定
几何非线性屈曲稳定分析表明 , 改进结构标准重力荷载下整体稳定临界系数达 9.385 , 如图 23 所示 .进一步线性屈曲分析如图 24 所示 , 得到南北侧斜柱欧拉临界荷载 , 反求南北侧斜柱计算长度 , 可偏安全南侧柱取 2 层高斜长 , 北侧柱取 3 层高斜长。
图 23 整体稳定分析
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图 24 柱屈曲示意图
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3 .4 设计效果
改进设计获卡塔尔政府和业主高度赞扬 , 获法国标书设计结构工程师和第 3 方审核 Arup 公司认可 , 工程已顺利建成 , 如图 25 所示 .整个工程节约结构成本约 3000 万元人民币 , 加快工期约 3 个月 , 同时由于结构标书设计失误 , 导致工期延误和材料涨价 , 总包方中 建总公司已 从业 主处经济索 赔回 了2000 万美元 , 业主并放弃了原合同工期延误总包方中建总公司赔偿金 1000 万美元。
图 25 施工中多哈外交部大楼
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