高層建筑群的多維度復(fù)合設(shè)計(jì)
——重慶來福士廣場工程復(fù)合設(shè)計(jì)創(chuàng)新

張懷金，王雋，曹平，鄧小華

（1凱德中國，上海 200001；2重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015）

高層建筑群的多維度復(fù)合設(shè)計(jì)
——重慶來福士廣場工程復(fù)合設(shè)計(jì)創(chuàng)新

張懷金1，王雋1，曹平1，鄧小華2

（1凱德中國，上海 200001；2重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015）

重慶來福士廣場項(xiàng)目由著名建筑師摩西-薩夫迪設(shè)計(jì)，包括8棟250m到380m的超高層塔樓，空中連廊，6層裙房以及3層地下室，建成后將成為重慶新地標(biāo)。該項(xiàng)目總建筑面積約113萬㎡，包括辦公、商業(yè)、酒店、服務(wù)式公寓、高層住宅和交通樞紐等多種業(yè)態(tài)。該文主要介紹了這個(gè)超大型項(xiàng)目的多維度復(fù)合設(shè)計(jì)過程和工程創(chuàng)新。該項(xiàng)目中運(yùn)用到的創(chuàng)新和前沿技術(shù)，標(biāo)志著中國重要城市（如重慶等）的高層建筑群的設(shè)計(jì)和建造水準(zhǔn)。

高層建筑群；性能化設(shè)計(jì)；阻尼器；組合伸臂系統(tǒng)；伸臂墻；重慶來福士；超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 項(xiàng)目介紹

重慶來福士廣場項(xiàng)目位于長江及嘉陵江交匯處，極具象征意義：既是重慶輝煌過去的標(biāo)志，也代表著城市蓬勃發(fā)展的現(xiàn)在和未來。作為古代舉行朝圣儀式的地點(diǎn)和最重要的古城門，朝天門一直是重慶歷史性的地標(biāo)。朝天門最初作為重慶在長江上游的碼頭區(qū)，代表了水路航運(yùn)的偉大傳統(tǒng)，激勵(lì)著這個(gè)內(nèi)陸城市的發(fā)展，并推動(dòng)著重慶成長為中國最重要的現(xiàn)代化城市之一。

項(xiàng)目位于長江航路上，以揚(yáng)帆的設(shè)計(jì)形象呈現(xiàn)于水面上（圖1）。八棟塔樓的外立面為朝向北面江水的通透表面，讓人回想起古老的中國船隊(duì)，乘風(fēng)揚(yáng)起白色風(fēng)帆。各塔樓彎曲的立面以及在船首弧形的布局，極富動(dòng)感——寓意這個(gè)大城市攜水運(yùn)商業(yè)遺產(chǎn)的認(rèn)同，奮勇前進(jìn)。其形象簡潔易辨識(shí)，兼具標(biāo)志性。該項(xiàng)目作為城市對外門戶的標(biāo)志，亦是城市半島巔峰的創(chuàng)新形象。各塔樓的南立面（弧形內(nèi)側(cè)）以柔和弧度回望城市，覆蓋著綠色的空中花園下達(dá)裙房屋頂，裙樓屋頂本身也是一個(gè)綠色的圓形劇場狀公園，包含花園、泳池以及公共交通系統(tǒng)等。這個(gè)公園化的屋頂場地緩緩向北傾斜升高，優(yōu)化了透過塔樓間（包括住宅、辦公以及酒店）的望江的視野，并最大化項(xiàng)目面向城市的景觀。該項(xiàng)目是一個(gè)113萬㎡的大型綜合體，包含辦公、商業(yè)、酒店、服務(wù)式公寓以及高端住宅，同時(shí)在項(xiàng)目的不同平面涵蓋了交通樞紐和公共交通系統(tǒng)。本文闡述重慶來福士的多維復(fù)雜施工，也介紹項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和使用的前沿技術(shù)，這些創(chuàng)新與技術(shù)標(biāo)志著像重慶這種超大城市中，超高層建筑群可以達(dá)到的水平。

圖1 重慶來福士廣場

2 多維度設(shè)計(jì)及規(guī)劃

項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)過了全面的多維度規(guī)劃，以服務(wù)于不同樓層，不同業(yè)態(tài)的人群、交通和功能區(qū)，如圖2所示。在裙房屋頂平面以下，裙樓有6層公共空間（約200,000㎡），包括商業(yè)、文化設(shè)施、陸路和水路交通樞紐 （約有168,000㎡供交通及停車使用）。

城市現(xiàn)有交通干線從南側(cè)切入，創(chuàng)造了更多的商業(yè)街和大型回廊，提供了一個(gè)強(qiáng)大、流暢的動(dòng)線，使項(xiàng)目融入到城市中。同樣，港務(wù)區(qū)域不僅包含客輪碼頭的功能，還包括景觀步道、外部商業(yè)設(shè)施等，把項(xiàng)目的公共功能延伸到港口。進(jìn)入項(xiàng)目的交通流線，在不同的標(biāo)高都規(guī)劃得細(xì)致而簡捷：公交巴士、軌道、汽車和游船均有直接的入口，能夠便利地環(huán)通商場、文化中心、住宅、辦公樓以及酒店。

兩棟主塔樓北面直接面向兩江交匯處，是項(xiàng)目最高的結(jié)構(gòu)（約348m，75層）。項(xiàng)目的中軸線，沿兩棟塔樓之間與城市中心交匯。在兩棟最高塔樓的后方，四棟較低塔樓（約49層）延伸著弧線。一個(gè)位于空中248m的空中花園連接這四個(gè)塔樓（其中兩棟為約196,000㎡的辦公樓，兩棟為住宅），與下方的裙房屋頂花園相呼應(yīng)。空中花園兩端建有令人驚嘆的觀景平臺(tái)，提供眺望重慶市貌的最佳視野。在空中花園樓層，包含有酒店大堂及相關(guān)功能，而其上為花園和泳池。同時(shí)大堂連接著項(xiàng)目最高雙子塔的上部樓層，約34層的酒店房間可以俯瞰重慶絕佳的景觀。剩余兩棟獨(dú)立的塔樓為住宅，57層高，為項(xiàng)目提供了約302,000㎡的高級(jí)居住單位，并與其余六棟塔樓形成了完整的圓弧。這兩棟塔樓的位置和朝向能夠獲得最大的視野，并最大限度地利用陽光。與其余四棟較低的塔樓類似，它們朝南的單位均有懸掛的花園，為城市提供了郁郁蔥蔥的綠色景觀。

3 組合工程系統(tǒng)

在中國，高層建筑的設(shè)計(jì)和施工需要嚴(yán)格考慮風(fēng)和地震的影響。現(xiàn)行國家抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（MHURD，2010和2011）引入了性能化設(shè)計(jì)的方法，要求結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑需分別滿足在三種超越概率（63%、10%、2%-3%）的地震情況下的抗震要求。在許多情況下，高層建筑的設(shè)計(jì)也需滿足“兩水準(zhǔn)”的抗震要求。對眾多沿海城市來說，風(fēng)荷載是另外一個(gè)需考慮的因素，在這些地方臺(tái)風(fēng)起控制作用。結(jié)構(gòu)工程師通常需面對來自風(fēng)和地震的雙重挑戰(zhàn)，同時(shí)需要保證整體結(jié)構(gòu)和空間使用的效率。目前，類似于阻尼器和隔震支座的耗能裝置更廣泛應(yīng)用于高層建筑中，以提高在災(zāi)難性荷載下的整體結(jié)構(gòu)性能，而不是僅靠增加鋼材及混凝土用量，使整體結(jié)構(gòu)變得巨大并造價(jià)高昂。

3.1 空中連廊一體化工程策略

重慶來福士廣場所有250m塔樓均采用型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。空中連廊的工程設(shè)計(jì)，容許連廊與其下四個(gè)塔樓結(jié)構(gòu)間進(jìn)行半連續(xù)的連接。圖3（a)展示了整體結(jié)構(gòu)設(shè)置。在連廊主結(jié)構(gòu)和塔樓支撐結(jié)構(gòu)之間采用了摩擦擺支座（FPB）和液壓阻尼器。經(jīng)與幾家支座廠家的詳細(xì)征詢，最終確定了摩擦擺式支座摩擦系數(shù)為5%。摩擦擺支座和粘滯阻尼器共同作用，消耗掉不同水平地震作用下的能量，減小塔樓與連廊間的相對位移。整體工程設(shè)計(jì)亦創(chuàng)新性地利用了空中連廊的質(zhì)量，消耗地震能量并控制塔樓結(jié)構(gòu)的橫向變形，最終促進(jìn)質(zhì)量阻尼機(jī)制的實(shí)施。圖3（b）展示了質(zhì)量阻尼效應(yīng)在不同水平地震作用下控制塔樓基礎(chǔ)剪力的整體效果。一般來說，在空中連廊及塔樓結(jié)構(gòu)間運(yùn)用這種創(chuàng)新設(shè)置，可以減少35%至40%的基礎(chǔ)剪力，從而極大地節(jié)省了結(jié)構(gòu)柱和核心筒中的建筑材料用量。項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案解決了重慶6.5度地震區(qū)的多個(gè)結(jié)構(gòu)超限問題。

圖3 空中連廊工程體系

四棟塔樓與連廊進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，以驗(yàn)證中震到大震作用下質(zhì)量阻尼機(jī)制的有效性以及建筑結(jié)構(gòu)的可靠性。圖4（a）展示了不同水平地震作用下的模型設(shè)置，圖4（b）展示了振動(dòng)臺(tái)模型中縮尺比例1:25的支座細(xì)部構(gòu)造。地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)假定的合理性，同時(shí)可以確認(rèn)薄弱部位，為加強(qiáng)措施提供指導(dǎo)。整個(gè)模型、振動(dòng)臺(tái)及配重的總重量約為252t。考慮到振動(dòng)臺(tái)的承重能力，四個(gè)塔樓的模型放置在兩個(gè)可以同步振動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)上，模擬不同方向、多種烈度的地震。物理模型的制作采用具有適宜彈性模量和強(qiáng)度的材料：混凝土材料采用相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的砂漿模擬，鋼筋用鋼筋模擬，型鋼截面采用焊接角鋼模擬。依據(jù)國家地震規(guī)范（MHURD,2010），在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了6.5度區(qū)直至大震強(qiáng)度的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不同水平地震作用下是合理的。

圖4 相連塔樓的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

3.2 組合伸臂桁架系統(tǒng)

在重慶來福士廣場兩棟380m高的超高層塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，避難層采用了一種新型的鋼-混凝土組合伸臂桁架+軟鋼阻尼器的體系，其中的鋼桁架嵌入在鋼筋混凝土伸臂墻里，如圖5（a）和圖5（b）所示。鋼桁架和混凝土伸臂墻共同作用，提高塔樓結(jié)構(gòu)在極端荷載作用下的整體結(jié)構(gòu)性能。同時(shí)，軟鋼阻尼器也作為一種保險(xiǎn)絲裝置，用于組合伸臂和巨柱結(jié)構(gòu)之間。按照設(shè)計(jì)，軟鋼阻尼器在中震到大震的作用下首先屈服，以保證組合伸臂體系中重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性。這樣，組合伸臂體系中鋼筋混凝土構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)脆性破壞。圖5（c）表示了結(jié)構(gòu)工程軟件（ETABS，2010）針對組合伸臂體系，在不同水平地震作用下得到的數(shù)值模擬結(jié)果。該設(shè)計(jì)可以讓承包商突破在避難層的鋼結(jié)構(gòu)伸臂桁架進(jìn)行長時(shí)間焊接的關(guān)鍵路徑，擺脫核心筒與伸臂墻之間的節(jié)點(diǎn)焊接工作，率先豎立核心筒。這將有助于縮短塔樓的總體施工工期。根據(jù)相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，軟鋼阻尼器在小震和中震地震作用下可以有效工作，提高整體結(jié)構(gòu)性能。通過有限元建模分析和物理構(gòu)件試驗(yàn)，驗(yàn)證了組合伸臂體系的有效性。圖6（a）展示了整體模型設(shè)置以及循環(huán)作用下的荷載-位移曲線。有了保險(xiǎn)絲設(shè)備的低屈服鋼軟鋼阻尼器的有效保護(hù)，組合伸臂體系在地震作用下具有足夠的延性。

圖5 帶阻尼的組合伸臂系統(tǒng)

3.3 新型構(gòu)件及系統(tǒng)試驗(yàn)研究

通過組合伸臂桁架模型上關(guān)鍵構(gòu)件和整體體系的試驗(yàn)研究，揭示了在不同水平下單調(diào)及準(zhǔn)靜力往復(fù)荷載的詳細(xì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如圖6所示。試驗(yàn)中參考了多種國際組合結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)的規(guī)范 （BSI 2005;AISC 2005;SCI&BCSA 2002）。在研究過程中，特別關(guān)注了以下幾個(gè)方面：承載能力和變形特征，應(yīng)力分布和集中，節(jié)點(diǎn)耗能能力以及典型失效模式和損壞位置。

圖6 帶阻尼的組合伸臂系統(tǒng)研究

3.3.1 組合伸臂的構(gòu)件試驗(yàn)

在單調(diào)和準(zhǔn)靜力的往復(fù)荷載作用下，分別測試了兩組組合伸臂構(gòu)件，包括鋼支撐、預(yù)埋鋼構(gòu)件和混凝土伸臂墻。觀測并研究了荷載-變形特性、鋼構(gòu)件的應(yīng)力發(fā)展以及混凝土裂縫發(fā)育等多種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)響應(yīng)。這亦為研究在單調(diào)及準(zhǔn)靜態(tài)往復(fù)荷載作用下組合伸臂構(gòu)件的荷載-變形特性和破壞機(jī)理提供了有價(jià)值的理解。在這系列物理試驗(yàn)中未包含低屈服鋼阻尼器。

3.3.2 帶有鋼阻尼器的組合伸臂系統(tǒng)研究

這組試驗(yàn)研究了組合伸臂系統(tǒng)的整體性能，包括低屈服軟鋼阻尼器，以及連接框柱和核心筒的組合伸臂構(gòu)件。在單調(diào)和準(zhǔn)靜態(tài)往復(fù)荷載作用下，詳細(xì)研究和測試了組合伸臂系統(tǒng)的荷載-變形特性，對其中關(guān)鍵構(gòu)件的破壞和失效模式也進(jìn)行了考察。

在單調(diào)加載試驗(yàn)中，每個(gè)加載梯度為預(yù)估總承載力的5%，在接近構(gòu)件失效時(shí)降低為2.5%。為確保加載單元與構(gòu)件直接牢固接觸，施加加載為預(yù)估總承載力15%的預(yù)加載。對于準(zhǔn)靜態(tài)往復(fù)加載試驗(yàn)，采用了位移控制的方法，控制位移分別為±Δy/2,±Δy,±2Δy,±3Δy,±4Δy,±6Δy，Δy代表鋼節(jié)點(diǎn)在第一個(gè)屈服段的位移。這種加載程序同時(shí)確保了適當(dāng)?shù)念A(yù)加載以及充分的控制位移，得以測試這個(gè)組合節(jié)點(diǎn)的整體延性。試驗(yàn)同時(shí)也考慮了ASTM(2011)和Lou&Wang(2015)中提到的測試方法和步驟。

3.3.3 數(shù)值模擬

在單調(diào)荷載作用下，考慮幾何和材料非線性，運(yùn)用通用有限元分析軟件ABAQUS(2014)建立了三維有限元模型，得到了彈性和大變形塑性階段伸臂系統(tǒng)的荷載-變形特性，并對多種結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了研究和測定，包括承載能力、荷載-變形曲線、應(yīng)力分布和集中等。

圖6（b）是三維有限元模擬的結(jié)果：證明“保險(xiǎn)絲裝置”具有足夠的延性，同時(shí)在大震作用下，混凝土伸臂墻上的裂縫也能受到有效的控制。同時(shí)它也表明鋼支撐+混凝土伸臂墻能夠與低屈服鋼阻尼器協(xié)同有效地工作，并通過試驗(yàn)展示了良好的承載能力和耗能性能。這些研究加深了對這種新型伸臂系統(tǒng)的詳細(xì)的認(rèn)識(shí)。這種組合體系具有很好的應(yīng)用前景，能加強(qiáng)在極端荷載作用下高層結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)性能。我們?yōu)榻⑦@種新型組合伸臂系統(tǒng)的參數(shù)研究和新設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了很多的分析和數(shù)值研究。

4 結(jié)論

本文闡述了重慶來福士廣場的多維復(fù)雜設(shè)計(jì)，同時(shí)也介紹了項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和前沿技術(shù)應(yīng)用情況，其中兩個(gè)突出的要點(diǎn)分別是：（1）多維度規(guī)劃與設(shè)計(jì)。現(xiàn)代化綜合體項(xiàng)目的規(guī)劃和設(shè)計(jì)需要包含不同的商業(yè)功能（休閑和娛樂）和不同的交通方式，這就需要對項(xiàng)目進(jìn)行多維度的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，在多層面上滿足交通流通和功能需求。（2）復(fù)雜工程系統(tǒng)。項(xiàng)目需考慮多種類型的荷載、抗震和抗風(fēng)設(shè)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)具有多重抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力，該項(xiàng)目采用了新型的抗震、耗能設(shè)計(jì)。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，采用現(xiàn)代數(shù)字分析技術(shù)+試驗(yàn)方法進(jìn)行輔助，可以高效快速地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Composite Multi-dimensional Design for High-rise Complex

Designed by the world-renowned architect Moshe Safdie,the Raffles City Chongqing(RCCQ)project includes 8 super high-rise towers of 250-380 meters height,a space corridor,a 6-storey podium and a 3-storey basement.It will be a new landmark of Chongqing,covering a total construction area of 1.13 million square meters,with offices,stores,hotels,service apartments,high-rise residences,traffic hubs and so forth.This paper mainly introduces the composite multi-dimensional design process and engineering innovation of this large-scale project.The innovative and cutting-edge technologies applied in this project mark the design and construction level of super high-rise complexes in major cities like Chongqing of China.

high-rise complex;performance-based design;damper;composite outrigger system;outrigger wall;Raffles City Chongqing;structural design of super high-rise buildings

TU974

A

1671-9107（2017）11-0022-04

10.3969 ／j.issn.1671-9107.2017.11.022

2017-10-31

張懷金（1978-），男，山東濟(jì)南人，研究生，高級(jí)設(shè)計(jì)經(jīng)理，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程管理工作。

王雋（1980-），男，中國香港人，博士，英國結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì)、英國土木工程學(xué)會(huì)院士，主要從事超高混合建筑的技術(shù)管理、創(chuàng)新和實(shí)踐工作。

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅