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绿地中心主塔: 结构设计与建筑设计的完美结合

Guoyong Fu, Dennis Poon & Mark Dannettel

Thornton Tomasetti Inc. 51 Madison Avenue New York, NY USA 10010

摘要：武汉绿地中心主楼共125层，总高度600米以上。主楼的结构设计追求建

筑和结构的完美结合、结构效率的最大化以及安全性的提升。 独特的“风槽”的设计有效降低了风旋涡脱落效应。在塔楼顶部，三脚钢桁架沿楼面边缘向上呈汇聚式延伸，在顶部实现无缝对接，形成了一个造型别致的塔冠结构。如何通过基于性能的设计评估建筑抗震性能、如何通过抗连续倒塌分析来评估结构冗余度是本项目结构设计的主要挑战。通过对参数化模型的运用，（建筑幕墙设计者）对平板玻璃现场冷弯的使用达到了最大化，尽可能地避免采用造价昂贵的曲面玻璃，从而减小外幕墙的建造成本。

关键词: PBD、基于性能的设计、参数模型、桁架、带状桁架 1 引言

中国对超高层建筑的追求浪潮始于东面沿岸城市，并逐渐向内地发展。武汉绿地中心主塔将坐落于毗邻长江的内陆城市武汉。塔楼共125层，总高度达600米以上，是一个多功用的超高层建筑，建成后将成为世界第七高楼。主楼底层到69楼用于办公室、70至89层为公寓、91层到顶楼为酒店、另有5层地下室作停车和容纳机电设备之功用。一个高61米的独特塔冠和高35米的穹拱位于塔楼顶部，凸显塔楼独特的建筑风格。

为了有效地承担侧向力(风荷载和地震荷载)，武汉绿地中心主楼的主要结构体系包括强大的组合剪力墙、微倾的巨型SRC组合柱和曲线型的环带桁架。结构构件的位置和几何形状都经过了精心地优化以满足强度和刚度的要求， 同时与建筑设计达到完美的结合。

1.1 减少塔群风荷载

如同其它的超高层建筑, 侧向荷载（含风荷载和地震荷载）在武汉绿地中心主

楼的结构设计中起至关重要的作用。根据中国《建筑抗震规范》(GB50011-2010)，武汉位于抗震设防烈度6度区，设计基本地震加速度值为0.05g, 其中设计基本地震定义为50年超越概率为10%的地震或回归期为475年的地震。RWDI进行风洞试验以确

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定用于塔楼结构强度设计和刚度设计的风荷载。对于塔楼结构构件的强度设计，100年风荷载和常遇地震荷载需要与重力荷载组合，其中常遇地震被定义为50年超越概率为63%的地震或回归期为50年的地震。在海外的设计规范中，地震荷载不要求与风荷载进行组合。与其它海外的设计规范不同，《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)要求地震荷载与100年风荷载进行组合。表1列出了100年风荷载和根据规范计算的常遇地震荷载数值并进行了比较。根据表1，100年风荷载下的基底剪力和倾覆力矩均远大于常遇地震下的数值。

表1.侧向力比较. 风荷载数值基于RWDI于2012年2月提供的风荷载

100年风荷载 总剪力V 方向 (kN) X- 方向 Y - 方向 64,956 62,183 (kN-m) 21,645,051 21,528,803 ( kN) 44,729 44,775 (kN-m) 12,123,867 12,147,109 1.45 1.39 总倾覆力矩 常遇地震下荷载 总剪力V 总倾覆力矩 剪力比 比 1.79 1.77 (风荷载)/(地震荷载)比值 倾覆力矩

为了获得最佳的建筑功能和结构性能，武汉中心主楼的建筑体量在设计过程中进行了不断地优化，主要采取了以下四项措施：（沿竖向）逐渐缩进的体型、穹拱式的塔冠、带圆角的三角形楼层平面和散落在不同高度的风槽（参见图1）。由于这

些措施能够有效减小作用于超高层建筑的不利风荷载效应，所以结构材料的用量可以得到节省，建造成本也会大幅降低。

从结构的角度上看，每一幢超高层建筑均可视为沿竖向的悬臂梁。侧向荷载（风

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或地震）以及建造成本均会随建筑高度的增加而急剧增加。逐渐缩进的建筑体型已经被证明可以有效地减小作用于塔楼的整体侧向荷载，故被世界上许多超高层建筑所采用。从建筑的角度上看，逐渐缩进的建筑体型有利于解决不同建筑体量对楼层面积的不同需求，避免传统的呈阶梯状的楼层平面突变。

超高层建筑项目通常具备多种建筑功能。在首层要对各类用户及其通行加以区分。通常情况下，沿建筑高度方向楼层面积和出租楼面的跨度大小均逐渐减小。武汉绿地中心塔楼拥有三个功能分区：办公、公寓和酒店。虽然一些超高层建筑通过楼层位置来区分租户和访客，本项目独特的三角形平面允许租户和访客在首层拥有其独立的入口。采用圆弧曲线加以修饰的（三角形平面的）角部以及位于塔顶的圆形拱顶创造出独特的功用空间，它不仅吸引更多的游客，更有助于减小风荷载。为了进一步减小塔楼风荷载，以风洞试验结果为指导，在塔楼某些部分开洞。（风洞试验顾问）RWDI在风洞中测试了三个建筑体量布置方案（参见图2）。三个方案均拥

有逐渐收缩的体型。方案1在建筑立面没有开洞。以方案1作为方案比较的基础，方案2的特点是塔冠和穹拱之间存在空隙，并在建筑立面上存在局部开洞。方案3的特点是建筑立面上存在翼墙和竖向开槽。 表2列出了由风洞试验获得的（三种方案下的）塔楼整体风荷载。

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表2.三种建筑竖向布置方案下的塔楼风荷载比较. 基于2011年2月RWDI风洞试验结果汇总 方案 水平力 (kN) 1 2 3 8.24E+04 7.01E+04 7.58E+04 (kN-m) 2.62E+07 2.32E+07 2.52E+07 100.00% 85.10% 92.00% X’方向风荷载 倾覆弯矩 相对值 (kN) 6.95E+04 6.49E+04 7.06E+04 (kN-m) 2.32E+07 2.17E+07 2.37E+07 100.00% 93.40% 101.60% 水平力 ‘Y’方向风荷载 倾覆弯矩 相对值

由表2可以看出，（与方案1相比）方案2中“X”向和“Y”向的风荷载分别减小15%和6.6%，而方案3中的风荷载没有明显的减小。从建筑上看，（方案2中）塔楼顶部处的开口把塔顶分成上部塔冠和下部穹拱两个部分，此举不仅减小了风荷载，而且赋予塔楼一个独特的建筑特征。另外，用于清洗穹拱的塔冠围护设备或擦窗机也可以隐藏于塔冠之中。最终方案2被采用。

1.2 塔楼抗侧力体系

经过（设计者）精心地优化，绿地中心主楼的结构体系与建筑融为一体，以便最大限度地提高结构效率和增强安全性。平面上呈“Y”型的混凝土核心筒（从其底区）从塔楼中心点到其最外边的距离达31.3米。（这种对）核心筒的布置不仅有利于区分办公、旅馆和公寓的功能，也为塔楼结构提供巨大的结构刚度和承载力以承担侧向力和重力荷载，同时增大了容纳机电设备的空间和管井空间。

为了最大限度地发挥“Y”形平面的结构刚度，在（Y形平面的）各肢最外端位置分别布置一对巨柱（SC1）。为了减小外周结构构件的跨度，在塔楼周围每边约在每个Y形平面的三分之一的位置 各布置2根巨柱（SC2）。巨柱的最大截面尺寸达3.3 m× 4.6m左右并加入由钢板焊接而成的组合钢柱。两至三层高的钢外伸臂桁架把巨柱与核心筒相连。外伸臂桁架布置在第36层至39层、第67层至70层以及第101层至103层之间，另外在第121层至123层之间布置帽桁架。在塔楼高度方向沿建筑周边布置十道钢环带桁架。外伸臂桁架和环带桁架沿建筑高度方向接近均匀分布以最大限度地发挥结构效率，同时所有桁架均布置于机电层或避难层以避免对出租面积的影响。平面上呈折线形的（环带）桁架在重力荷载作用下有扭转的倾向，故在（环带）桁架上下弦杆平面布置水平支撑体系以约束桁架的受扭。楼

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