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1扭转式建筑的定义
▲主要的扭转式超高层建筑（CTBUH）
▲ 扭转体型对风荷载的影响(Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures actingon tall buildings with various unconventional configurations)
从下图中可以看到，对于矩形形状的建筑，当外形沿高度扭转180时，地震作用下的加速度及变形情况相差不大，但是风荷载下的加速度和变形可以得到有效控制。
▲ 扭转体型对风荷载下的加速度和位移的影响(Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures actingon tall buildings with various unconventional configurations)
下图为不同气动外形建筑的顺风向（蓝色）和横风向（红色）基底弯矩不同风向角下最大平均值和脉动值的对比情况。从图中可以看到，对矩形模型进行扭转处理后其平均和脉动风荷载都有不同程度地减少。以旋转360度对风荷载的减少效果最为明显，与矩形相比对横风向风荷载的减少超过60%。对建筑外形进行扭转处理将对超高层结构抗风起到很好地优化作用。
▲ 不同扭转体型的最大平均倾覆力矩系数的比较
▲ 不同扭转体型的最大脉动倾覆力矩系数的比较(Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures actingon tall buildings with various unconventional configurations)
2常见的扭转式建筑
达芬奇塔
最著名的扭转式摩天大楼不得不提到迪拜的“达芬奇塔”，最初是由意大利建筑师戴维·菲舍尔(David Fisher)在2008年提出的，每个楼层都可以单独360度旋转，建筑物的形状每一秒都在变化，看起来非常科幻。
▲达芬奇塔
达芬奇旋转塔由一个中央混凝土核心用来容纳重要的静态设施，如电梯，楼梯，管道和其他设施。这是项目中唯一必须在现场建造的部分。为确保安全、成本效益和质量控制，每个楼层的12个独立单元都是在工厂预制的。每个单元都是独立的，包括所有必要的电气，管道和空调。单元连接在建筑物上，并被吊到塔顶。
▲达芬奇塔中的装配式的应用
整个建筑除了具体的核心外，都由预制的单元组成，包括地板，水管，空调和所有的装饰处理。由单独的楼层组成，结构合理灵活，抗震性能非常高。
▲达芬奇塔建造示意
这些由钢铁，铝，碳纤维等高品质现代材料制成的预制装置，通过现场“机械式”安装，这样施工时间短，使用工人少，从而降低了现场风险，并能节省50%的成本。
▲达芬奇塔
从宣称要建造一座有80层，高度420米，集各种世界第一于一身的摩天大楼，到如今已经过去了大约十二年的时间，希望土豪迪拜这一次能够真的兑现。
南京江北新金融中心
▲南京江北新金融中心
建筑高300m，在平面上采用了“天圆地方”的概念，各层平面由底部的方形逐步变为顶部的圆形，且在立面上略有收进；在各层平面形状变化的同时，体型从底到顶整体逆时针扭转了30°,首层扭转角度最大，以上各层递减 。
▲ 建筑平面随高度变化情况
“密柱框架-核心筒”结构体系。由于斜柱在竖向荷载作用会产生环向的水平分量，为提高结构整体性，在外框中设置了一道环带桁架。
▲结构组成
与常规的框架-核心筒结构相比，水平荷载作用下，受力、变形特征相似。由于斜柱的原因，在竖向荷载作用下的受力、变形特征与常规结构不同，是需要重点关注的。
台北陶朱隐园住宅大楼
建筑设计：Vincent Callebaut Architectures SARL, LKP Design
结构设计：King Le Chang & Associates
▲ 陶朱隐园
陶朱隐园位于台北，是一座以垂直森林为原创的建筑地标，取名自中国春秋时代陶朱公(范蠡)，传承其利己、利邻、利天下的理念，以公益精神回馈世人。被美国CNN评选为2016年全球九大城市地标之一。
▲ 陶朱隐园
陶朱隐园的主结构系统是整体的建筑设计。建筑师从生命科学中得到启示，建筑的中间重心是一根主柱，然后自二楼开始到顶楼，两侧的楼层面沿顺时针方向向上攀升，旋转4.5度，全栋旋转90度，使之看上去像DNA螺旋体。结合经典几何与现有科技应用，建筑内有超大的无柱空间。除阳台边上外，住宅使用空间没柱，单数楼层也全部没有内柱），而楼板至梁底净高达3.0公尺。
▲ 陶朱隐园
上部结构为21层，标准层高为3.6ｍ，总楼高不含屋顶突出部分为78.75ｍ。另２１层上方设有５ｍ高的屋顶结构桁架及３层共9.45ｍ高的屋顶突出部分，故总高度为93.20ｍ。下部结构为４层，地下室深度为14.40ｍ（不含隔震及基础层），因工程设计为隔震结构，故在地下４层下方设计有总深度为3.30ｍ 的隔震层，以设置隔震系统。
▲ 陶朱隐园结构概念图
▲ 陶朱隐园结构组成
从上图可以看出，为使结构设计能与建筑理念相呼应，并解决在旋转几何条件下室内无柱的难题，结构设计突破传统梁柱结构的思维，以三维框架的概念来思考。项目的上部结构由数个单元所组成，包含中央钢核心筒、屋顶伸臂桁架、两侧旋转而上的巨型柱以及两层楼一组的空腹桁架，各个结构单元相互配合。
▲ 陶朱隐园的巨柱布置
▲ 陶朱隐园空腹桁架布置
▲陶朱隐园结构系统
▲ 陶朱隐园施工进度
▲ 陶朱隐园
梦露大厦
建筑设计：Burka Architects; MAD Architect
结构设计：Sigmund Soudack & Associates Inc
▲ 梦露大厦(@CTBUH)
Absolute Tower有56层，每一层平面都是一摸一样的椭圆，但随着楼层升高，他们在旋转着不同的角度。二维不变的56个椭圆平面到性感的、变化的三维曲面就这样形成了。从一层到十层，每层旋转一度，11层到24层每层旋转8度，26层到40层，每层旋转8度，第41层到50层，每层以3度旋转，最后6层以1度旋转。
▲ 梦露大厦平面图(@CTBUH)
三维结构布置如下图所示，除了利用了中间的竖向交通核布置核心筒外，还利用了房间的分隔墙布置了剪力墙，形成这种网格式的剪力墙布置形式。外围布置的剪力墙随着楼板边界的变化向外延伸或者后退。同时，为了使得建筑更加轻薄，外围楼板均采用悬臂板的形式。
▲ 梦露大厦结构示意图(@CTBUH)
▲ 梦露大厦结构示意图(@CTBUH)
▲ 梦露大厦施工过程图
▲梦露大厦(@CTBUH)
深圳世茂前海中心
▲深圳世茂前海金融中心
作为全球首例45°旋转艺术建筑，世茂前海中心，由“全球十大旋转建筑”之首的上海中心大厦设计团队Genlser原班人马打造，突破工程限制与技术壁垒，以全球首创的45°双旋转艺术建筑，完美呈现“God Curve”筑造建筑美学与视觉呈现达到极致美观与艺术化，革新城市封面。
▲深圳世茂前海金融中心
塔楼地下3 层，地上67 层，建筑高度324. 5m，结构主屋面高度303. 9m。塔楼从首层( 52.5mx52.5m)至屋面(42.8mx42.8m) 每层绕中心点相对于下层旋转大约0. 68°，共旋转45°。
▲结构选型
在概念设计阶段，建筑师提出塔楼采用旋转内收外形，从最初的旋转60°，再到22.5°，30°， 45°。初步研究表明，风致荷载在建筑旋转角度较小时，无明显改变。当旋转角度超过30° 时，风致荷载减小较明显。风洞试验结果表明，塔楼旋转45°时，风致荷载减小约10%。同时，结构初步分析结果表明，当楼层剪力分布接近情况下，塔楼在不旋转、旋转30°、旋转45°、旋转60°时，除竖向荷载作用下的外框架转角不同外，结构周期、位移角、内外筒剪力、弯矩分配比例相差很小。综合建筑造型及结构荷载和受力特点，实施方案采用建筑旋转45°。
▲结构体系
塔楼采用的是典型的框架-核心筒形式，外框为钢管混凝土分段双向斜直柱+ 钢梁，核心筒为钢筋混凝土结构。
▲ 典型结构平面
▲ 竖向荷载传力路径
▲ 楼板中的拉力、压力及剪力分布
▲竖向荷载传力路径示意图
楼层竖向荷载传力过程中形成的水平力特征：
▲竖向荷载下的扭矩分布示意图
▲ 闭合剪力墙剪力环流
▲ 梁柱与楼板的连接示意
重庆高科太阳座大楼
▲重庆高科振动台模型
▲重庆高科施工照片(@CTBUH)
▲ 上海中心
▲ RevolutionTower(@CTBUH)
▲EvolutionTower(@CTBUH)
▲TurningTorso(@CTBUH)
▲TurningTorso设计草图(@CTBUH)
▲TurningTorso楼层平面(@CTBUH)
▲ Infinity Tower(@CTBUH)
迪拜的Infinity Tower是由Skidmore，Owings＆Merrill （SOM）设计的72层高的摩天大楼，于2006年开始建造，今年终于接近竣工。塔的主要特征是它向上扭转的方式，每层扭转1.2˚，从底部到顶部完全扭转90˚。
▲Infinity Tower施工过程(@CTBUH)
▲AI Tijaria Tower (@CTBUH)
AI Tijaria Tower是一座高218m的扭转塔楼，也是目前科威特的最高建筑。每层扭转约1.85度，塔楼到顶部，最大扭转 80度。塔板由位于中央的圆形核心筒组成。
▲Mode Gakuen Spiral Towers (@CTBUH)
Mode Gakuen Spiral Towers位于名古屋的主干道上，是一座170m高，36层的教学楼。于2008年完工，每层扭转约3度，到顶部累积扭转114度。
▲ Diamond Tower(@CTBUH)
沙特阿拉伯的钻石塔公寓建筑高432m，共93层，每层扭转约3.87度，到顶部累计扭转360度。
▲旧金山米拉大厦(@CTBUH)
由Studio Gang 建筑事务设计的旧金山米拉大厦高120m，通过其复杂的飘窗设计，实现一种立面扭转的效果，于2017年开始动工。
▲AvazTwist Tower(@CTBUH)
AvazTwist Tower位于波黑的萨拉热窝，是一座高176m的摩天大厦，共39层，每层扭转约1.54度，到顶部累积扭转60度。
▲盖瑞大厦
盖瑞大厦是一座九层建筑，位于德国汉诺威。这座不锈钢构造的建筑，因其大幅度的扭转造型而著名。
▲Lakhta Center(@CTBUH)
Lakhta Center位于俄罗斯的圣彼得堡，建筑高度462m，是目前已建成的第二高的扭转式的超高层建筑。每层扭转1.05度，到顶部累积扭转90度。
▲Ocean Heights(@CTBUH)
Ocean Heights位于迪拜码头开发区，建筑高度310m。建筑的三个立面从底部开始扭转，随着塔的上升，塔楼的平面尺寸减小，扭转变得更加明显。每层扭转约0.48度，到顶部累积扭转40度。
▲United Tower(@CTBUH)
位于巴林的United Tower建筑高200m，共47层，每层扭转约3.8度，到顶部扭转累积180度。
▲Al Bidda Tower(@CTBUH)
Al Bidda Tower 位于达夫纳（Dafna）地区中心的一个显眼位置，其建筑高度156.6m，于2009年完工，每层旋转约1.36度，最顶端扭转了60度。
▲socar-tower (@CTBUH)
socar-tower位于阿塞拜疆的巴库，于2015年完工，建筑高196m，共40层，每层旋转约0.5度，到顶部累积旋转20度。
▲Supernova Spira (@CTBUH)
Supernova Spira位于印度的诺伊达，建筑高300m，共80层，每层旋转约1.83度，到顶部共旋转146度。
▲Al Majdoul Tower (@CTBUH)
Al Majdoul Tower位于沙特阿拉伯的利雅得，高232m，共54层，每层扭转约2.5度，到顶部累积扭转135度。
▲Generali Tower(@CTBUH)
位于意大利的Generali Tower高185m，共44层，每层扭转约1.43度，到顶部累积扭转49.6度。
▲The Point(@CTBUH)
The Point位于厄瓜多尔，于2014年完工，建筑高137m，共36层，每层扭转约2.9度，到顶部累积扭转90度。
▲四川广播电视中心(@CTBUH)
四川广播电视中心于2010年完工，建筑高136m，共31层，每层扭转约2.9度，到顶部累积扭转90度。
▲Grove at Grand Bay Tower(@CTBUH)
位于美国迈阿密的Grove at Grand Bay Tower有南北两座塔，两座塔高度都为94m，每层扭转约1.84度，到顶部累积扭转38.7度。
▲Chicago Spire (@CTBUH)
Chicago Spire由西班牙建筑大师卡拉特拉瓦设计，高609.6m，最顶端扭转了360度。但由于经济原因，最后并未施工。
3小结
参考资料：
[1]CTBUHJournal | 2016 Issue III.
[2] https://www.ctbuh.org/.
[3] Hideyuki Tanaka a,n, YukioTamura b, KazuoOhtake, ect. Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations.
[4] 张敬礼,叶秀信.台北陶朱隐园住宅大楼结构工程设计[J].建筑钢结构进展,2016,18(01):55-65.
[5] 马晖,吕海双,罗承师,汪洋,林奉军,梁兆麟,信瑛佩.深圳前海世茂金融中心塔楼结构设计及分析[J].转自：建筑结构-公众号,2015,45(24):58-65.
[6] 李英民,姜宝龙,张梦玲,陈彬彬,李辛宇.重庆高科太阳座大厦模型结构振动台试验研究[J].转自：建筑结构-公众号学报,2019,40(03):142-151.
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