?？谟炅种母邔佑^光塔結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
本文來源：建筑結(jié)構(gòu)（ID：buildingstructure）
項目概況
?？谟炅种捻椖课挥诤Ｄ鲜『？谑行阌^(qū)，由三棟高層觀光塔及連橋構(gòu)成，三個塔樓為上大下小傘狀塔樓，寓意為整個公園雨林的中心，塔樓之間的連橋圍繞塔樓盤旋而上，形成“曲徑通幽，豁然開朗”的建筑效果。建筑除頂部觀景平臺外，僅包含局部1層夾層，內(nèi)筒與外筒之間為圍繞內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)而上的樓梯。建筑效果圖如圖1所示。
項目所在地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.30g，設(shè)計地震分組為第二組，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，基本風(fēng)壓為0.75kN/m2。結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)筒中筒結(jié)構(gòu)體系，外筒采用菱形鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒采用鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼連橋采用拉索及撐桿與三座塔樓連接。項目造型獨特，結(jié)構(gòu)形式新穎。
塔樓結(jié)構(gòu)體系本就復(fù)雜，塔樓之間采用空間曲線連橋相互連接后，更增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。按《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（建質(zhì)〔2015〕67號），本項目存在構(gòu)件間斷、承載力突變、局部不規(guī)則等不規(guī)則項，但由于本工程結(jié)構(gòu)體系、樓屋面結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)的連接形式均與常規(guī)結(jié)構(gòu)差異較大，為特殊類型的超限高層建筑。
項目特點：以空間結(jié)構(gòu)之形塑高層建筑之魂 三個塔樓建筑外形為上大下小的喇叭狀異形自由曲面，單層網(wǎng)殼在空間異形曲面結(jié)構(gòu)的找形和受力性能上均表現(xiàn)出較好的效果，本項目將空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用菱形的單層網(wǎng)殼作為結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成單元，該結(jié)構(gòu)形式具有以下優(yōu)點： 1）單層網(wǎng)殼能較好地對建筑外圍的異形曲面進(jìn)行找形； 2）豎向單層筒殼形成結(jié)構(gòu)外筒，具有良好的抗側(cè)剛度； 3）上部外擴的筒殼與環(huán)梁形成自平衡結(jié)構(gòu)體系，能有效地支撐上部外擴的景觀平臺； 4）網(wǎng)殼構(gòu)件形似“雨林”的樹枝，結(jié)構(gòu)形式與建筑效果融合較好。 三個塔樓及塔樓之間的連橋關(guān)系如圖2所示，塔樓的外形、結(jié)構(gòu)形式及布置均較為類似，僅建筑高度、平面尺寸存在差別。三個塔樓房屋建筑高度分別為35.850、38.100、43.800m，塔樓結(jié)構(gòu)體系采用鋼結(jié)構(gòu)筒中筒結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q355B，外筒單層網(wǎng)殼采用菱形網(wǎng)格，邊長為2.3~3.7m，在建筑門洞處根據(jù)建筑需要進(jìn)行局部抽空，網(wǎng)格構(gòu)件選用150×600×18×18，為保證建筑效果，局部受力較大位置保持外截面不變，將壁厚加厚，構(gòu)件長向沿筒體徑向布置。外筒網(wǎng)格在特定標(biāo)高設(shè)置水平環(huán)向構(gòu)件進(jìn)行加強。內(nèi)筒采用框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒與外筒之間在樓梯平臺和局部樓層進(jìn)行連接，整個結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成如圖3所示。
項目所在地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.30g，設(shè)計地震分組為第二組，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，基本風(fēng)壓為0.75kN/m2。結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)筒中筒結(jié)構(gòu)體系，外筒采用菱形鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒采用鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼連橋采用拉索及撐桿與三座塔樓連接。項目造型獨特，結(jié)構(gòu)形式新穎。
塔樓結(jié)構(gòu)體系本就復(fù)雜，塔樓之間采用空間曲線連橋相互連接后，更增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。按《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（建質(zhì)〔2015〕67號），本項目存在構(gòu)件間斷、承載力突變、局部不規(guī)則等不規(guī)則項，但由于本工程結(jié)構(gòu)體系、樓屋面結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)的連接形式均與常規(guī)結(jié)構(gòu)差異較大，為特殊類型的超限高層建筑。
項目特點：以空間結(jié)構(gòu)之形塑高層建筑之魂 三個塔樓建筑外形為上大下小的喇叭狀異形自由曲面，單層網(wǎng)殼在空間異形曲面結(jié)構(gòu)的找形和受力性能上均表現(xiàn)出較好的效果，本項目將空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用菱形的單層網(wǎng)殼作為結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成單元，該結(jié)構(gòu)形式具有以下優(yōu)點： 1）單層網(wǎng)殼能較好地對建筑外圍的異形曲面進(jìn)行找形； 2）豎向單層筒殼形成結(jié)構(gòu)外筒，具有良好的抗側(cè)剛度； 3）上部外擴的筒殼與環(huán)梁形成自平衡結(jié)構(gòu)體系，能有效地支撐上部外擴的景觀平臺； 4）網(wǎng)殼構(gòu)件形似“雨林”的樹枝，結(jié)構(gòu)形式與建筑效果融合較好。 三個塔樓及塔樓之間的連橋關(guān)系如圖2所示，塔樓的外形、結(jié)構(gòu)形式及布置均較為類似，僅建筑高度、平面尺寸存在差別。三個塔樓房屋建筑高度分別為35.850、38.100、43.800m，塔樓結(jié)構(gòu)體系采用鋼結(jié)構(gòu)筒中筒結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q355B，外筒單層網(wǎng)殼采用菱形網(wǎng)格，邊長為2.3~3.7m，在建筑門洞處根據(jù)建筑需要進(jìn)行局部抽空，網(wǎng)格構(gòu)件選用150×600×18×18，為保證建筑效果，局部受力較大位置保持外截面不變，將壁厚加厚，構(gòu)件長向沿筒體徑向布置。外筒網(wǎng)格在特定標(biāo)高設(shè)置水平環(huán)向構(gòu)件進(jìn)行加強。內(nèi)筒采用框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒與外筒之間在樓梯平臺和局部樓層進(jìn)行連接，整個結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成如圖3所示。
整個塔樓上大下小，并呈偏心布置，三個塔樓下部直筒段圓形平面的直徑分別為8.7、7.2、8.7m。頂部觀景平臺結(jié)構(gòu)平面呈類橢圓形，橢圓的長軸分別為24.200、21.250、28.700m，短軸分別為17.800、15.600、24.700m。結(jié)構(gòu)上部平面與下部平面不一致，且下部圓形筒體與上部類橢圓的結(jié)構(gòu)平面重心不同，造成結(jié)構(gòu)兩側(cè)懸挑距離差距較大，塔樓立面圖如圖4所示。不平衡的懸挑導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在重力荷載下受力不均勻，并易產(chǎn)生傾斜。懸挑較少一側(cè)少數(shù)構(gòu)件在重力荷載下甚至承受拉力，給結(jié)構(gòu)設(shè)計及基礎(chǔ)設(shè)計增加了一定困難。
觀景平臺上部結(jié)構(gòu)屋面呈蘑菇狀，中間呈漏斗狀，內(nèi)筒鋼柱通過圓弧過渡成屋面水平構(gòu)件，外部結(jié)構(gòu)柱支承于觀景平臺上，結(jié)構(gòu)三維模型如圖5所示，屋面結(jié)構(gòu)基本與觀景平臺平面形狀類似，但是面積更大，懸挑更大。屋面結(jié)構(gòu)加劇了下部結(jié)構(gòu)筒體的受力不均勻性。
三個塔樓之間通過鋼連橋相連，塔樓與連橋的關(guān)系如圖2所示。鋼連橋共分為三段。第一段鋼連橋以8%的坡度逐漸升高，繞塔樓一旋轉(zhuǎn)180°以后，與塔樓一的觀景平臺連接，連橋地面部分采用“Y”形柱與基礎(chǔ)連接。此段連橋平面成“C”字形，最大跨度為42m，跨度較大，為減小構(gòu)件截面，改善連橋結(jié)構(gòu)受力性能，采用高強度不銹鋼鋼拉桿與塔樓三和塔樓一的外筒筒殼連接。拉桿的設(shè)置減小了連橋跨度，并減小了連橋平面外的扭轉(zhuǎn)。第二段鋼連橋從塔樓一觀景平臺采用“S”形平面穿躍塔樓一和塔樓二之間間隙，與塔樓二的觀景平臺連接，中間采用支承于外筒的撐桿來減小連橋跨度。第三段連橋從塔樓二觀景平臺采用“S”形平面穿越塔樓二和塔樓三之間間隙，與塔樓三的觀景平臺連接，中間采用支承于外筒的撐桿和塔樓三樓面的拉桿來減小連橋跨度。
異形曲面結(jié)構(gòu)的分析利器—參數(shù)化 采用參數(shù)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計是解決建筑空間自由曲面的一種有效的方法。本工程外筒及屋面為空間自由曲面，借助Rhino + Grasshopper平臺，利用Grasshopper的可視化建模編程特點，并編制適應(yīng)結(jié)構(gòu)特點的相應(yīng)算法程序，通過與分析軟件的API接口，實現(xiàn)異形曲面結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)分析后的三維模型可直接用于鋼結(jié)構(gòu)詳圖深化設(shè)計。整個設(shè)計流程如圖6所示?？紤]建筑效果，本工程采用的矩形鋼管，需要保證矩管翼緣與曲面平行，所有的矩管需要在空間扭轉(zhuǎn)一定角度，為獲得每根構(gòu)件的精確扭轉(zhuǎn)角度，針對本項目特點，編制相應(yīng)的計算程序，通過空間三維坐標(biāo)及關(guān)系確定每個構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)角，獲得精確的計算模型。通過參數(shù)化方法解決了復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)造型的建模與可視化，實現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計，同時在結(jié)構(gòu)分析、施工圖設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)詳圖深化等專業(yè)協(xié)同方面發(fā)揮了作用。
高層豎向單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能分析
結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能分析包含結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能和局部構(gòu)件的穩(wěn)定分析。為了準(zhǔn)確計算構(gòu)件的計算長度，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析，構(gòu)件的計算長度可通過歐拉公式反推得到
。獲得構(gòu)件的計算長度系數(shù)如表1所示，從表中可以看出，筒體構(gòu)件在殼體平面外的計算長度大于《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.1.2條規(guī)定的1.6l，殼體平面內(nèi)的計算長度系數(shù)與《網(wǎng)格規(guī)程》的0.9l取值接近。構(gòu)件應(yīng)力計算時殼體面外計算長度系數(shù)取值為2.5，殼體面內(nèi)計算長度系數(shù)取值為1.0。同時采用直接分析法進(jìn)行對比分析，采用計算長度法的構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.72，采用直接分析法的構(gòu)件的最大應(yīng)力比為0.56，通過兩種方法的對比證明本工程按計算長度法計算偏于安全。結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大位置均為外筒殼懸挑較大端的根部構(gòu)件。
本項目結(jié)構(gòu)外筒與空間結(jié)構(gòu)的單層網(wǎng)殼在結(jié)構(gòu)形式和受力方式上存在相似的特點，因此對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析是十分必要的，結(jié)構(gòu)的第一階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為外筒殼的面外屈曲。為保證結(jié)構(gòu)安全，考慮幾何非線性和材料的非線性，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程彈塑性荷載-位移分析。結(jié)構(gòu)外筒殼的初始缺陷取值為外筒直徑的1/300，圖7為結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線，可以看出結(jié)構(gòu)的極限荷載為7.5倍的荷載標(biāo)準(zhǔn)值，滿足《網(wǎng)格規(guī)程》第4.3.4條的“按彈塑性全過程分析，安全系數(shù)K可取為2.0”的規(guī)定。結(jié)構(gòu)在極限荷載下的破壞形式表現(xiàn)為直筒段與外懸挑部分交界處構(gòu)件隨荷載的增大逐步進(jìn)入塑性，并逐漸擴展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失承載力。綜上，結(jié)構(gòu)外筒殼穩(wěn)定性能較好，安全性較高。
施工進(jìn)展
本項目目前外筒的網(wǎng)格已經(jīng)基本施工完畢，正在進(jìn)行景觀平臺及平臺屋面鋼結(jié)構(gòu)的施工目前現(xiàn)場施工照片如圖8所示。
項目信息
業(yè)主：?？谑谐墙瘓F有限公司
建設(shè)地點：海口市
設(shè)計單位：四川省建筑設(shè)計研究院有限公司
項目狀態(tài)：在建，預(yù)計2023年12 月完成
設(shè)計時間：2021 年 3 月— 2022 年 3 月
圖片來源 除特別注明外，其余圖片或視頻均由作者單位四川省建筑設(shè)計研究院有限公司提供。 供稿人 陽升，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，高級工程師，四川省建筑設(shè)計研究院設(shè)計二院副總工程師、結(jié)構(gòu)所所長。
來源：建筑結(jié)構(gòu)（ID：buildingstructure）
