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【结构学院】超高层结构不止框筒——斜交网格结构

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转载于: iStructure,已获授权 作者:杨笑天 19世纪80年代起,在钢材冶炼和电梯技术的发展推动下,美国掀起了的第一次高层建筑热潮。 1931年落成的纽约帝国大厦EmpireState Building采用钢框架支撑结构,共计102层,达到381m的高度。1951年增加了天线后总高度达到443.2米。 帝国大厦,1931年,结构设计SOM 帝国大厦基本代表了框架和框架支撑结构体系的极限高度,被称为“建筑之王”。在1931~1972年期间,它保持世界最高摩天大楼的纪录,长达41年。

转载于: iStructure,已获授权

作者:杨笑天


19世纪80年代起,在钢材冶炼和电梯技术的发展推动下,美国掀起了的第一次高层建筑热潮。

1931年落成的纽约帝国大厦EmpireState Building采用钢框架支撑结构,共计102层,达到381m的高度。1951年增加了天线后总高度达到443.2米。

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帝国大厦,1931年,结构设计SOM

帝国大厦基本代表了框架和框架支撑结构体系的极限高度,被称为“建筑之王”。在1931~1972年期间,它保持世界最高摩天大楼的纪录,长达41年。

之后Fazlur Khan、Leslie Robertson提出并且完善了框架筒体、桁架筒体、束筒的结构体系,使人类能够以经济合理的造价突破400米的建筑高度,开创了高层建筑的新时代。


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旧金山美国铝业公司大厦(1967年)

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芝加哥汉考克中心,1969年

汉考克中心的四个立面上,各设置了5个半18层高的X型钢支撑,节点处设置了水平系杆。外框柱、斜撑、横梁形成巨大的外围桁架筒体,具有高效的抗水平力性能。结构受力骨架清晰地融入建筑表达中,竖向承重体系和抗侧体系简洁清晰。

在20世纪下半叶,绝大多数的超高层建筑会选择框架筒体、桁架筒体的结构体系。直到21世纪初,斜交网格(Diagrid Structure)作为一种新颖的高层钢结构体系出现,在建筑表现和结构抗侧效率两方面统一。典型的案例有瑞士再保险总部大厦、广州电视塔、广州西塔、北京保利国际广场等。

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北京保利国际广场,2016



追溯:斜交网格

舒霍夫塔Shukhov Tower,1919

如果追溯斜交网格高层/高耸结构的历史,最早的案例大概是“舒霍夫塔Shukhov Tower”。

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舒霍夫和他设计的斜交网格壳塔 (1919年)

Vladimir Shukhov (1853~1939),被同时代的人称为“俄国第一工程师”。舒霍夫是梁、壳和膜体系在弹性理论下的应力应变实用数学分析方法研究的先驱。他创造性的发展了双曲壳塔、网状壳体、以及储油罐、输油管、工业锅炉塔架、船只和驳船等各种各样的结构体系。当然,他最为著名的是,时至今日很多依然屹立在俄罗斯大地上的“舒霍夫”双曲壳塔。

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舒霍夫塔采用斜交网格结构,分节呈双曲曲面形态,更增加了结构的稳定性,被用作水塔、信号塔、输电塔等。建成百年后,仍屹立不倒。

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IBM办公大楼,1963年

于1963年建成的的IBM办公大楼,是第一座采用斜交网格体系的现代高层建筑,共13层,高度58米。[现改名为“United Steelworkers Building”]

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IBM 大厦,1963年,结构设计LERA

斜交网格构成的外筒结构暴露在建筑外面。建造过程中以不同的颜色标记构件截面,可见在支座周边的构件截面较大。

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幕墙和结构均遵循模数设计,便于施工安装


瑞士再保险总部大厦,2003 年

2003 年建成的瑞士再保险总部大厦位于英国伦敦,绰号“小黄瓜”。由诺曼·福斯特设计,是一个优美而讲求高科技的杰作。

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大楼采用圆形平面,外形像一颗子弹。呈双螺旋形态的斜交网格是最主要的结构受力构件。它被高层建筑CTBUH理事会选为21世纪第一个10年作品奖,同时也开启了斜交网格超高层结构的新纪元。

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大楼首层入口


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双螺旋形塔冠

瑞士再保险总部大厦的幕墙分格与斜交网格结构贴合,直接支承在主体结构上。曲线形的建筑可使周围气流平缓地通过,气流被建筑边缘锯齿形布局的内庭幕墙上的可开启窗扇所“捕获”(开户窗位于深色幕墙条带区),帮助实现自然通风。

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布置在深色幕墙条带区的开户窗,有助通风


Parada 青山店,2003年

同样于2003年落成的Parada青山店,是瑞士建筑师 Herzog在日本的第一个设计作品,吸引了建筑界的特别关注。

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Parada青山店,2003年

建筑表面以规则的菱形网格覆盖,其结构、幕墙和空间是一体化设计的。无论整体还是细部,都呈现出水晶般的外观。

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▲如水晶般奢华的幕墙

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▲菱形钢结构网格

结构师将所有构件设计为统一的150x250mm,基本采用H形截面,局部用了箱形截面。再根据网格受力大小,调整钢板的厚度分为7种,最厚钢板达60mm。

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结构体系:网格外壳、水平拉梁、芯筒、基础隔震

整体结构的抗侧力体系,由中间的芯筒和网格外壳组成,建筑室内不设立柱。建筑局部设1层地下室,并在地下室以下做了基础隔震设计,以进一步减少上部结构的地震响应。

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▲ 包裹防火涂料后的菱形网格


斜交网格的受力特点

斜交网格环绕建筑外表面, 替代了传统上的垂直柱与斜向支撑。与框架支撑体系的“框架和支撑分别承受竖向力和水平力”不同,斜交网格同时承受竖向和水平荷载,对结构性能的影响各有利弊。引用文献1中的算例分析结果表明:

1)竖向荷载作用下,斜杆受轴压力、楼层梁受拉力很大,且随着楼层自上而下逐渐增大,大于常规框架外筒结构。结构在竖向荷载作用下,有较大的竖向压缩变形和外鼓变形趋势。

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北京保利国际广场大厦,斜杆轴力图

2)水平荷载作用下,斜交网格具有巨大的抗侧刚度。在文献1的算例中, 其总体抗侧刚度是支撑框架的1.48~ 2.8 倍,是密柱深梁框架的1.68~ 10.4 倍。

斜交网格结构的刚度主要由斜杆与楼层梁组成的几何不变体系提供,受斜杆截面面积的影响最大, 与惯性矩、杆端约束形式的关系很小。但是这种刚度的优势随高宽比的增大而减小;当高宽比为6 时, 其刚度与支撑框架接近。

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北京保利国际广场大厦,抗侧受力示意

3)斜交网格筒体具有很明显的空间作用特性。环梁内自平衡的环箍拉力和径向梁的拉力共同抵抗高层结构的外鼓趋势。

平面形状柔和的布置, 可以减小垂直荷载下的杆件内力。而对于建筑平面是有明显转角的三角形或四边形时,采用斜交网格体系时必须非常小心。

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广州西塔:斜交网格节点层设环梁和体外预应力

4)耗能能力:在水平推覆力的作用下,主要构件均为轴向受力构件。在受压状态下,杆件因失稳而屈曲,承载能力将迅速降低而退出工作。

提高斜杆受压抗震性能(延性和耗能)的有效途径有,减小斜杆长细比、采用受压延性较好的钢管混凝土、或沿用BRB支撑的概念设计关键的斜杆等。


斜交网格结构因其出色的抗侧刚度,适用于以承受风荷载为主( 包括台风) 的低烈度设防区。而在较高烈度地震设防区, 其延性和耗能能力较弱,必须对其大震下的结构性能进行谨慎研究。

关于斜交网格的竖向压缩变形问题。Parada青山店结构设计中,对比了如下几种解决方案:

a.不采取措施的菱形网格在重力下压缩约50cm;

b.在建筑四角加柱能够有效减小压缩变形;

c.利用每个楼层的水平梁拉结,梁内轴力较大,但影响局部楼层挑空;

d.拉结三道水平梁,梁内轴力巨大。

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基于建筑布置和效果,最终选用了方案d。即使有三道水平梁拉结,结构顶层的压缩量仍有30mm。施工放样时,将每层格子提高约3mm,以保证在完成后的建筑形态,给设计施工带来巨大挑战。


广州电视塔,2010

广州塔又称“小蛮腰”,由一座高达454m 的主塔体和一个高146m 的天线桅杆构成,总高度600m,为高耸结构,作为广州市的标志性建筑屹立在中轴线的珠江南岸。

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广州塔,2010年,结构设计Arup&广州市院

在塔身2/3高度处(278.8m)结构收紧,腰部最小为20.65mX27.5m,塔底到顶高宽比为7. 5,形成两端大、中间小的“细腰”型。

广州塔建筑体型独特、结构体系特殊,钢结构外筒腰部纤细、桅杆与主塔的连接、内外筒连接的薄弱部位、外筒柱透空区的稳定、温度效应特殊性等等,均给结构设计提出了新的挑战。

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外筒由24 根钢管混凝土斜柱、46道圆环、46圈斜撑组成,内筒为椭圆型钢混凝土结构。由底至上分为5个功能段和4个透空区,共39个楼层。

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外筒柱形成的平面呈椭圆形

从底层到顶层平面,椭圆顺时针转45°

外筒的斜柱、斜撑和环杆节点中心并不相交于一点。设计中采用斜柱和斜撑中心相交,而环杆与从斜柱伸出的水平牛腿连接的方法。

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为使外伸梁与外筒斜柱的连接实现真正铰接,释放弯矩和转角变形,梁端与外筒斜柱的连接采用万向铰节点。

广州塔的主要计算指标

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广州国际金融中心(广州西塔), 2010

广州西塔高440米,共有103层。项目外形如“通透水晶”,最外层为双曲面玻璃幕墙,菱形斜交网格柱的独特立面造型。

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广州西塔,2010,奥雅纳&华南理工设计院

结构上采用钢管混凝土柱斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒体系。外筒主要以轴力来抵抗水平荷载引起的倾覆力矩,基底剪力大部份由钢筋混凝土内筒承担。

钢管混凝土斜交网格外筒与混凝土内筒,分担的竖向荷载分别为43%和57%;基底剪力分别为39%和61%;总倾覆力矩分别为61%和39%。

斜交网格外筒的竖向刚度比较差,导致结构竖向压缩变形和水平外鼓变形,广州西塔最大竖向变形137mm,给设计和施工均带来很大挑战。

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竖向荷载作用下外筒弹性变形图

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斜交网格柱的竖向变形:弹性形变、徐变

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剪力墙的竖向变形:弹性形变、徐变、收缩

与框筒结构不同,斜交网格结构的弹性形变占比大

广州西塔采取了外框筒环梁+拉梁+核心筒内闭合环梁构成的独立的平面内抗拉体系。

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结构平面布置图

为了进一步提高节点层抗拉体系的安全储备,在斜杆交点的楼层施加了体外预应力,采用1860级高强低松弛钢绞线。预应力使得楼层内产生沿径向的压力,大幅减少了环梁、拉梁及核心筒连梁的拉力。

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对比实体单元和杆单元模型网格节点的性能差异

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节点分析:斜杆、环梁、楼面拉梁,节点板加强

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风荷载作用下外筒斜交网格轴力分布图

震动台试验表明:结构模型在7度罕遇地震作用后基本保持弹性,8度罕遇地震作用后,自振特性有微小变化,说明模型稍有损伤,最大层间位移角为1/133。


北京保利国际广场,2016

北京保利国际广场塔楼,多褶面设计灵感源自于中国传统的折纸灯笼,交叉网格线环布建筑表面,为北京的天际线增添了一道独特的风景。

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折纸灯笼的方案概念

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塔楼采用钢管混凝土斜柱构成的斜交网格外筒 + 钢筋混凝土剪力墙内筒的筒中筒结构体系。交叉网格外筒的刚度巨大,使得内部布置自由度更大。但交叉网格外筒的延性不如常规框架体系,体系的屈服机制和耗能能力不同于传统结构,在高烈度区的抗震设计难度更大。

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施工照片:网格为圆管截面外包装饰板

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 建成实景与施工过程照片

在斜杆相交的节点楼层,外环梁除承担本层楼面荷载外,还起到环箍效应而轴向受拉。而其它楼层则通过吊挂方式,楼盖与网格斜柱不连接,以释放变形和内力。

以玻璃封闭的钢制外骨架只是两层建筑外围护结构中的外层。内部的第二层玻璃外围构成高达120米(400英尺)的中庭空间,几乎是这座31层摩天大楼的总体高度。该中庭空间可以调节室外的极端温度,使建筑的整体能耗降低23%,碳排放降低18%。

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大厦挑空中庭

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大厦塔冠效果图

金属质感分割线限于篇幅有限,其它斜交网格的案例不便展开,或者有机会另开一篇再写。

深圳农村商业银行 SOM

大厦采用外部钢斜交网格,让人联想到银行的Logo。斜交网格与立面之间保持距离,从而提供灵活的无柱室内办公空间,同时兼具遮阳功能。预期2019年竣工。

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深圳农村商业银行总部  低区入口


Hearst Tower, 2006

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Atlas Building,2006


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Tornado Tower,2008

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Capital Gate,2011


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Lotte Super Tower, SOM

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One Shelley Street, 2012

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小i工程经验有限,以上内容是根据公开资料整理的。如有错误,欢迎大家留言指正。


参考文献:

1. 高层斜交网格结构体系的性能研究.周健,汪大绥

2. Diagrid Structures. Terri Meyer Boake.

3. SOM官网 www.som.com

4. 广州塔结构设计.周定,韩建强.

5. 广州珠江新城西塔结构设计简介,方小丹

6.北京保利国际广场主塔楼结构设计,建筑结构公众号

7. 本文图片均来源于网络,版权属于原作者或网站

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