建築結構丨全方位解讀全球最大來福士項目——重慶來福士廣場

重慶來福士廣場是全球最大的來福士項目，由世界知名建築師莫西•撒夫迪 (Moshe Safdie) 設計，奧雅納負責結構從概念設計到施工圖設計以及施工的全過程服務，當地設計院為重慶市設計院。重慶來福士廣場又叫“朝天揚帆”，與朝天門廣場連為一體，猶如一艘“大船”。目前該項目已經開始全面建設，預計2018年底竣工。

項目特點

雄偉壯觀，猶如一艘遠航的巨輪

項目與朝天門兩江的渾厚的氣魄交相輝映，看起來雄偉壯觀。8座塔樓臨水北向，最高的兩座約360米；其他6座高約250米。與朝天門廣場連為一體，猶如一艘揚帆起航的“巨輪”。

250米高空水晶廊橋帶你賞江景

最有個性的莫過於它250米高的水晶廊橋了，象徵重慶“梯坎”面貌的水晶廊橋長達300米，寬約30m，將4棟塔樓彼此連接，在夜晚猶如一條璀璨的琉璃錦帶立於朝天水域。有觀景臺、無邊泳池、會所和餐飲娛樂設施等，今後這裡必將成為賞重慶夜景的絕佳選擇。

漂浮在江風裡的空中花園

為了讓科技感與柔美共存，整個大樓的北邊將種滿綠色植物，遠遠望去，像一座綠色的空中花園，也將成為南望渝中半島一處標誌性的立體綠牆。

每3~5層樓變換一個角度

8座超高層塔樓每一座都有一定的弧度，像被風吹得微微彎曲的桅杆。採用鋼-混凝土巨型組合結構，有的杆件安裝是直的，有的杆件則是傾斜的，根據每座塔樓的不同情況，每3-5層就要變換一個角度。

位於兩江交匯處，如何防風、抗震？

採用創新“鋼-混凝土組合伸臂系統”，在組合伸臂系統和巨型框架之間，使用了軟鋼阻尼裝置，作用類似於“保險絲”，有很好的延性，即使遇到地震、強風，也可以通過往復變形，消耗地震作用和風荷載，並且不會斷裂。另外，大樓每隔幾層就有一層避難層，

結構設計詳情

項目概況

重慶來福士廣場項目位於朝天門廣場與解放碑之間，即重慶市渝中區渝中組團D分區4-1/02號地塊，總建築面積約為1123000m2，建設用地地形為梯形，北面的東西寬約220m，南面的東西寬約495m，南北長約310m。

項目由8棟高層建築、6層商業裙房和3層地下室組成，是集大型購物中心、高端住宅、辦公樓、服務公寓和酒店為一體的城市綜合體項目。8棟塔樓的建築外立面形似中國古代艦隊，其中T1，T2，T3S，T4S，T5，T6高度基本相同，統稱南塔；T3N，T4N統稱北塔，塔樓信息見圖1。

圖1 塔樓信息示意

T1，T6結構高度為227m，典型層高為3.5m，東西向平面尺寸為31m，南北向北面呈帆形，平面尺寸沿結構高度為45~61m不等，為46層高端住宅；T2，T3S，T4S，T5高為238m，東西向平面尺寸為31.8m，南北向北面呈風帆形，平面尺寸沿結構高度為44~61m不等，其中T2，T5為高端住宅，典型層高為3.5m，T3S，T4S為辦公樓（T4S有一半用作3.5m層高的公寓），層高4.3m。

T2，T3S，T4S，T5在屋頂通過一座空中花園連橋彼此相連，連橋長約300m，寬約30m，離地面約250m。平頂層的大型空中花園提供了別樣豐富的室外活動空間。

T3N，T4N高約360m，東西向平面尺寸為38m，南北向北面呈帆形，平面尺寸沿結構高度為32~45m不等，為72~75層的綜合商住樓。T3S和T3N之間、T4S和T4N之間分別有一寬約7m和寬約20m的小連橋連接。

目前該項目樁基施工大部分已完成，圖2為2016年1月19日拍攝的施工現場照片。

施工整體照片

T3S地下二層施工

T3S和T4S塔樓施工

圖2 施工現場照片

南塔

1 南塔概況

T2，T5結構採用帶加強層（伸臂桁架、腰桁架）的框架-核心筒體系。地震作用和風荷載產生的剪力及傾覆力矩由周邊框架、核心筒和伸臂桁架組成的整體抗側體系共同承擔，其中框架柱在加強層處由伸臂與核心筒連接形成了共同作用的整體，腰桁架協調框架柱之間的差異變形，使得伸臂桁架和腰桁架在加強層保持協調。

T3S，T4S結構體系與T2，T5類似，但由於核心筒尺寸較小，且除了空中走廊，屋頂還有通向北塔的連橋，荷載較重，伸臂桁架數量比T2，T5多。

與T2，T5相比，T1，T6外形及層高基本相同，但由於屋頂沒有連橋相連，結構體系為框架-核心筒-腰桁架，經過伸臂敏感分析並考慮成本控制，未設置伸臂桁架。

2 南塔項目特點

南塔各塔樓典型樓層平面圖如圖1所示。

圖1 南塔各塔樓典型樓層平面圖

各塔樓相似的外形和結構形式為屋頂連橋的支座具備相似的剛度提供了良好的前提，南塔存在多重複雜超限。以T2，T5塔樓為例，南塔塔樓主要有以下特點：

(1)立面曲線，所有外框柱均為單方向彎曲曲線，斜度約0°~15°，裙房頂處直柱變斜柱處的角度最大，個別可達到20°，T1，T2，T5，T6塔樓開洞說明如圖2所示。

圖2 T1，T2，T5，T6開洞說明

(2)由於塔樓建築平面佈置及機電通風需要，核心筒開洞在各樓層不能相互對齊，與外框柱呈相似的曲線佈置，同時在立面開洞位置的平面上也存在開洞。

(3)T2，T3S，T4S，T5頂部由連橋相連，各塔樓之間存在一定的相互影響。

(4)嵌固層在筏板頂部，並與一定範圍的裙房相連，而且在S5層整個項目連接成一體，組成箱體來提高整體剛度，防震縫設置示意如圖3，4所示。

圖3 防震縫設置示意圖

注：圖中紅線處為防震縫。

圖4 裙房防震縫示意圖

北塔

1 北塔結構體系

北塔（T3N 和T4N）兩棟塔樓高度一致，立面造型也一致，只是功能不同。北塔樓為超 B 級高層建築，結構體系採用核心筒+伸臂腰桁架+外框4巨柱+外部次框架體系，是目前國內第一棟四巨柱無大支撐的超高層結構。

兩棟塔樓核心筒和結構平面佈置對稱，塔樓底部平面尺寸約為38m×38m，其南北向尺寸在中上部沿立面突出，在約 34 層附近達到最寬，平面尺寸約為44m×38m，南北向平面尺寸向上逐漸減小，頂層最窄處約為34m×38m。鋼筋混凝土核心筒基本位於結構正中，整體結構佈置規則、對稱、無凹進。T3N塔樓典型樓層平面佈置圖見圖1。

圖1 T3N塔樓典型樓層平面佈置圖

（1）核心筒

核心筒從承檯面向上延伸至塔樓頂層，承擔了豎向及水平向荷載。核心筒平面基本呈方形，位置居中，質心和剛心基本重合。T3N塔樓核心筒典型平面佈置圖見圖2。

圖2 T3N塔樓核心筒典型平面尺寸

（2）巨柱

巨柱位於塔樓平面四角並貫通至結構頂部，在各區段與轉換桁架、組合伸臂及框架鋼樑相連，形成結構整體的巨大剛度。巨柱典型截面示意圖如圖3所示。

圖3 巨柱典型平面佈置示意圖

（3）抗側體系

帶有腰桁架的巨型外框+伸臂系統+鋼筋混凝土核心筒組成的整體抗側體系（圖4）。

圖4 抗側體系示意圖

（4）豎向傳力體系

重力荷載經樓板傳遞給核心筒和周邊外框。核心筒和外框向下延伸，穿過地下室，直達基礎。傳遞給次框架的荷載通過轉換桁架傳遞給4根巨型角柱，最終傳遞給基礎。原方案中，次框架柱在每個區段頂層與轉換桁架通過長圓孔螺栓實現豎向滑動連接，造成外框剛度較弱，地震剪力分配過小，如圖5所示。故外部次框架只傳遞豎向荷載，對水平抗側剛度的貢獻幾乎可以忽略。

圖5 次框架柱連接示意圖

2 外框架剪力分配優化措施

根據前面的分析可以看出，在設計大震（低烈度）下結構抗震性能能滿足要求，但是在極限大震下，由於外框剪力分配能力較低，核心筒承擔較多的地震力，局部損傷較嚴重，結構抗二次倒塌的能力不足。參考抗震專項審查中要求：大部分樓層框架剪力分配能滿足8%，經過大量敏感性分析，外框剪力分配優化可以通過以下結構優化措施實現。

（1）加大次框架柱截面並全部落地

在原方案的基礎上調整次框架體系：外框SRC小柱全部落地（將原本次框架柱與腰桁架下弦豎向釋放連接改為連續連接），在不影響建築表達的裙房和地下室部分（地下3層～裙房頂）外框小柱尺寸由原方案的1 200×1 200加大至1 500×1 500，1層至塔樓頂外框小柱尺寸由原方案的850×550加大至850×1 200。

（2

原方案次框架柱每隔15層在腰桁架處斷開，該區次框架柱基本只承擔本區豎向荷載且不提供水平抗側剛度。為增加外框冗餘度和剛度，外框架柱在腰桁架處剛性相連，從底到頂；次框架柱連續貫通，與巨柱形成完整外框抗側體系。

（3）長牆開洞

塔樓核心筒尺寸較大，應削弱核心筒部分牆肢（外牆加大洞口，去掉部分內牆），北塔樓削弱牆肢示意圖見圖6。

圖6 塔樓牆體開洞圖

（4）優化頂部伸臂

因塔樓整體剛度相對較大，剛重比和剪重比均有一定富餘，層間位移角也遠小於規範限值，故可取消頂部伸臂。取消伸臂後，高區變形由以彎曲型為主趨向於以剪切型為主，使得外框剪力分配進一步提高，進一步發揮外框抗側力作用，見圖7。

圖7 有無頂部伸臂高區外框剪力分配

根據專家建議，採取一系列優化措施後，外框剛度明顯增強，地震剪力分配明顯增加，通過不同程度的地震作用下結構受力性能彈塑性分析可知，整體結構在設計大震+1度工況下，外框架柱損傷減弱，中高區剪力牆損傷明顯減小，有效避免極限大震下結構發生局部倒塌的安全問題。

空中連橋

1 空中連橋結構體系及與塔樓連接

奧雅納的諸多工程項目中也有許多包含連橋的結構，其中較為著名的是北京央視總部大樓和新加坡濱海灣金沙酒店，如圖1所示。前者採用了完全固接的整體連接形式；後者採用平板滑動支座和防震縫結合的獨立連接形式。而重慶來福士廣場項目空中連橋採用了一種動態連接方式。

圖1不同連接形式建築結構

1.1 空中連橋與塔樓連接

在250m高空連接4座塔樓，是目前較為複雜和困難的結構設計問題。從位移需求、剪力需求、用鋼量以及塔樓和連橋間的相互影響等多方面，確定了動態連接（抗震支座與阻尼器組合）方式作為最終連橋支座方案，如圖2所示。將不同連接方案的計算結果進行比較，通過餅狀圖將各個方案的塔樓和連橋間的剪力、相對位移以及整個模型用鋼量的增加展示出來，結果表明方案4最為合理。

圖2支座連接不同方案比較

連橋安放於4個塔樓上，每個塔樓上均安裝6個隔震支座。兩組阻尼器於左右兩側控制東西和南北方向變形。在塔樓頂部5m，設有轉換結構，支座安裝在3m寬、5m深的轉換樑上，如圖3所示。

圖3空中連橋與塔樓連接示意圖

1.2

連橋的主桁架為3組東西向連續桁架並跨越4個塔樓，垂直於主桁架方向大約每4.5m安裝一梯形次桁架連接3組主桁架。連橋上下各澆築250mm混凝土組合樓板。連橋構件主要於反彎點(塔樓兩側)斷開，設置連接點方便施工後期連接中間段。兩組從連橋主結構懸挑出的小連橋作為連橋與北塔樓之間的建築通道，但結構上小連橋與北塔樓之間設置防震縫。

主桁架主要構件為方鋼管，增強局部抗扭能力。次桁架主要由工字鋼組成，方便施工連接。連橋的結構體系如圖4所示。

（a）塔樓桁架結構

（b）桁架構件示意圖

圖4 空中連橋結構體系示意圖

2 減隔震支座連接節點設計

在4棟連體塔樓的頂端分別設置巨梁，用於支承連橋並放置支座。建立三維實體有限元模型，考察在控制工況下巨梁與混凝土牆肢之間連接是否可靠；混凝土應力、應變狀態；鋼板與混凝土能否協同工作等。同時根據分析結果對節點區提出相應構造加強措施，如圖5所示。

圖5 支撐連橋與支座巨梁節點示意圖

巨梁(分兩種，一種為普通巨梁，一種為缺口巨梁)截面高度5m，跨度8~10m，為深梁。巨梁一端支撐在截面為650×5000、跨度為7.8m的窄深樑上，窄深梁內配置鋼板；巨梁另一端支承在內筒400mm厚的剪力牆上，與巨梁相交處局部牆體增厚為800mm。按規範深梁公式，驗算巨梁和窄深梁抗剪、抗彎、裂縫、撓度、局壓等各項指標，根據結果配置鋼筋，建於有限元模型中。如圖6所示。

圖6 混凝土與鋼筋有限元模型

創新組合伸臂系統

1 典型組合伸臂系統

目前國內外超高層建築的伸臂系統採用鋼桁架形式較為典型，已建成的實例也不在少數，如香港國貿、北京國貿三期、廣州東塔、天津117等。這種傳統設計雖然能為塔樓整體提供較好的抗側剛度和延性，但其鋼結構工期較長、單價較高、施工較困難等方面的弊端也較為突出。圖1為典型鋼桁架伸臂系統。

圖1 典型鋼桁架伸臂

2 創新組合伸臂系統及設計分析

2.1 伸臂系統選型

伸臂系統自身的剛度和延性（地震區）對超高層塔樓的整體特性具有重大意義。圖2和表1為重慶來福士廣場北塔樓伸臂選型過程，對6種不同的伸臂形式從構件效率、用鋼量、單個構件尺寸、節點連接形式、鋼筋用量等方面給出了比較。前4種方案為純鋼結構方案，無論是結構剛度還是單個構件尺寸都較方案5（混凝土與鋼構組合伸臂形式）利用率低。方案6為純混凝土方案，雖然結構剛度高、用鋼量少，但是混凝土在中、大震下開裂與損傷不可避免，降低了該伸臂形式的可行性，並且還要考慮機電層管線與設備的走向及佈置，實際操作性較差。在相同剛度的前提下，通過對比6種方案的效率、用鋼量及實際操作性進行選擇，見表1。

圖2 不同伸臂概念選型

從總體上來看，方案5為一種較為合理的形式，鋼伸臂段為機電預留足夠管線空間，同時通過“結構保險絲”的引入保護混凝土的應力、應變發展，提升了中、大震情況下伸臂系統的性能。

2.2 創新組合伸臂系統

依據伸臂系統的選型，伸臂系統設計如圖3所示。該系統包括連接於外框柱上的軟剛剪切耗能件、從核心筒角部延伸出的鋼筋混凝土伸臂牆、連接剪切耗能件和混凝土伸臂牆的鋼支撐（該鋼支撐貫穿混凝土伸臂牆並和核心筒內的預埋鋼環梁相連以使傳力直接）以及圍繞核心筒一週的鋼筋混凝土環梁（保護核心筒）。

圖3 組合伸臂系統

該系統利用混凝土伸臂牆剛度較大的特點以提高結構的整體剛度，且通過系統構件合理屈服順序的設計，使得剪切耗能件在大震情形下屈服，起到保險絲的作用，利用其屈服後的延性和耗能能力保護混凝土伸臂牆和核心筒。另外，非混凝土伸臂牆段的空間也給建築走道和機電管線提供了必要空間。

2.3 設計分析

根據前述的設計分析模型及性能目標，對該組合伸臂系統及構件進行了彈塑性有限元分析。建立的組合伸臂系統整體有限元模型如圖4所示。

圖4 組合伸臂系統有限元模型

總的來說，構件的屈服順序由先到後應分別為剪切耗能件、鋼伸臂、混凝土牆身段、混凝土核心筒。性能目標梯度見圖5。

圖5 組合伸臂系統構件性能目標梯度

3節點試驗

3.1 剪切耗能件試驗

共製作11個試件對剪切耗能件進行低周往復試驗，試驗的縮尺比例採用1：6，圖6為其中一個試件加工完成的圖片。試驗結果表明，剪切耗能件的設計滿足組合伸臂系統總體設計對剪切耗能件延性和抗剪承載力的要求，與有限元分析結果較為接近，且在延性方面有較大富餘。

圖6 典型剪切耗能件試件

3.2 組合伸臂系統試驗

組合伸臂系統試驗（2組）試件包括外框柱、組合伸臂系統以及1/4核心筒牆體，採用1：8比例。圖7為該組試件的加工圖片。結果表明，試驗中構件屈服荷載和次序與設計和分析的屈服次序吻合，有一定安全度，且與有限元分析和剪切耗能件試驗的結果較為吻合。

圖7 組合伸臂系統試件

4 新型組合伸臂系統在北塔樓結構中的應用

兩棟北塔樓由於重量和核心筒大小不同，分別有3道和4道組合伸臂，沿塔樓高度均勻分佈。塔樓抗側體系由帶有腰桁架巨型外框架+伸臂系統+鋼筋混凝土核心筒組成，組合伸臂為塔樓的關鍵抗側構件，提高了塔樓抗側與抗傾覆能力。由於每個加強層的組合伸臂承載力設計值各有不同，建築和機電設計要求不同，每個組合伸臂的形狀及各構件截面尺寸也有所不同。在此僅提供其中一個組合伸臂的部分設計信息作為參考，見圖8。

圖8 典型組合伸臂結構詳圖

基礎設計

重慶來福士廣場塔樓位置筏板厚度為3.0m（T1，T2，T3S，T4S，T5，T6塔）和4.0m（T3N，T4N塔），混凝土強度等級為C40；裙房位置筏板厚度為0.5~0.65m，混凝土強度等級為C40。

場地西側部分塔樓區域採用大直徑人工挖孔樁，基樁將塔樓的豎向荷載全部傳遞至潛在滑動面以下穩定岩層，樁端嵌入穩定中風化層；裙樓區域採用較小直徑的抗拔或抗壓灌注樁，樁端嵌入中風化岩層。東側填土較深塔樓區域採用大直徑人工挖孔樁，裙樓區域採用較小直徑抗拔或抗壓灌注樁，樁端均嵌入穩定中風化岩層。樁基平面佈置示意見下圖。

樁基平面佈置示意圖

更多內容詳見2015年第24期《建築結構》雜誌奧雅納工程顧問專欄相關文章：

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