扭一扭—超高层扭转结构
本文授权转载自公众号结构小站（id:StrucStation）
作者：严从志
建筑学家安东尼·高迪曾说，“直线属于人类，曲线属于上帝”。然而，当“上帝之转”真的在人间呈现，又会是一番怎样的光景？
随着人类社会的发展，超高层建筑在全球范围内涌现，其中也出现了一批扭转式的建筑。扭转式的超高层建筑以其变化丰富的外形，开阔的建筑视野，得到了很多业主和建筑师的青睐。建筑师们在很多地方提出了类似的大胆创新结构。
扭转式的超高层建筑给城市景观增添了一道独特而优美的风景线，而当你在观赏其壮观的时候，是否有想过，在这些绚丽的外表背后，这些建筑的设计和建造是否存在不一样的科学原理和自然规律。
1 扭转式建筑的定义
世界高层建筑与都市人居学会（CTBUH）中对扭转式建筑的定义为，建筑的楼面或者立面随着建筑高度旋转而变化，使得建筑立面显得更纤细、富有更多的变化和建筑视野更为开阔。
▲ 主要的扭转式超高层建筑（CTBUH）
通常对建筑体型进行一定的扭转，可以十分有效地减少建筑所受的风荷载，并且旋转不同的角度对减少风荷载的效果也不同。
▲ 扭转体型对风荷载的影响(Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations)
从下图中可以看到，对于矩形形状的建筑，当外形沿高度扭转180时，地震作用下的加速度及变形情况相差不大，但是风荷载下的加速度和变形可以得到有效控制。
▲ 扭转体型对风荷载下的加速度和位移的影响(Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations)
下图为不同气动外形建筑的顺风向（蓝色）和横风向（红色）基底弯矩不同风向角下最大平均值和脉动值的对比情况。从图中可以看到，对矩形模型进行扭转处理后其平均和脉动风荷载都有不同程度地减少。以旋转360度对风荷载的减少效果最为明显，与矩形相比对横风向风荷载的减少超过60%。对建筑外形进行扭转处理将对超高层结构抗风起到很好地优化作用。
▲ 不同扭转体型的最大平均倾覆力矩系数的比较
▲ 不同扭转体型的最大脉动倾覆力矩系数的比较(Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations)
2 常见的扭转式建筑
达芬奇塔
最著名的扭转式摩天大楼不得不提到迪拜的“达芬奇塔”，最初是由意大利建筑师戴维·菲舍尔(David Fisher)在2008年提出的，每个楼层都可以单独360度旋转，建筑物的形状每一秒都在变化，看起来非常科幻。
▲ 达芬奇塔
达芬奇旋转塔由一个中央混凝土核心用来容纳重要的静态设施，如电梯，楼梯，管道和其他设施。这是项目中唯一必须在现场建造的部分。为确保安全、成本效益和质量控制，每个楼层的12个独立单元都是在工厂预制的。每个单元都是独立的，包括所有必要的电气，管道和空调。单元连接在建筑物上，并被吊到塔顶。
▲ 达芬奇塔中的装配式的应用
整个建筑除了具体的核心外，都由预制的单元组成，包括地板，水管，空调和所有的装饰处理。由单独的楼层组成，结构合理灵活，抗震性能非常高。
▲ 达芬奇塔建造示意
这些由钢铁，铝，碳纤维等高品质现代材料制成的预制装置，通过现场“机械式”安装，这样施工时间短，使用工人少，从而降低了现场风险，并能节省50%的成本。
▲ 达芬奇塔
从宣称要建造一座有80层，高度420米，集各种世界第一于一身的摩天大楼，到如今已经过去了大约十二年的时间，希望土豪迪拜这一次能够真的兑现。
南京江北新金融中心
建筑设计：PCPA & ECADI
结构设计：ECADI
▲ 南京江北新金融中心
建筑高300m，在平面上采用了“天圆地方”的概念，各层平面由底部的方形逐步变为顶部的圆形，且在立面上略有收进；在各层平面形状变化的同时，体型从底到顶整体逆时针扭转了30°,首层扭转角度最大，以上各层递减 。
▲ 建筑平面随高度变化情况
“密柱框架-核心筒”结构体系。由于斜柱在竖向荷载作用会产生环向的水平分量，为提高结构整体性，在外框中设置了一道环带桁架。
▲ 结构组成
与常规的框架-核心筒结构相比，水平荷载作用下，受力、变形特征相似。由于斜柱的原因，在竖向荷载作用下的受力、变形特征与常规结构不同，是需要重点关注的。
台北陶朱隐园住宅大楼
建筑设计：Vincent Callebaut Architectures SARL, LKP Design
结构设计：King Le Chang & Associates
▲ 陶朱隐园
陶朱隐园位于台北，是一座以垂直森林为原创的建筑地标，取名自中国春秋时代陶朱公(范蠡)，传承其利己、利邻、利天下的理念，以公益精神回馈世人。被美国CNN评选为2016年全球九大城市地标之一。
▲ 陶朱隐园
陶朱隐园的主结构系统是整体的建筑设计。建筑师从生命科学中得到启示，建筑的中间重心是一根主柱，然后自二楼开始到顶楼，两侧的楼层面沿顺时针方向向上攀升，旋转4.5度，全栋旋转90度，使之看上去像DNA螺旋体。结合经典几何与现有科技应用，建筑内有超大的无柱空间。除阳台边上外，住宅使用空间没柱，单数楼层也全部没有内柱），而楼板至梁底净高达3.0公尺。
▲ 陶朱隐园
上部结构为21层，标准层高为3.6ｍ，总楼高不含屋顶突出部分为78.75ｍ。另２１层上方设有５ｍ高的屋顶结构桁架及３层共9.45ｍ高的屋顶突出部分，故总高度为93.20ｍ。下部结构为４层，地下室深度为14.40ｍ（不含隔震及基础层），因工程设计为隔震结构，故在地下４层下方设计有总深度为3.30ｍ 的隔震层，以设置隔震系统。
▲ 陶朱隐园结构概念图
▲ 陶朱隐园结构组成
从上图可以看出，为使结构设计能与建筑理念相呼应，并解决在旋转几何条件下室内无柱的难题，结构设计突破传统梁柱结构的思维，以三维框架的概念来思考。项目的上部结构由数个单元所组成，包含中央钢核心筒、屋顶伸臂桁架、两侧旋转而上的巨型柱以及两层楼一组的空腹桁架，各个结构单元相互配合。
▲ 陶朱隐园的巨柱布置
▲ 陶朱隐园空腹桁架布置
▲ 陶朱隐园结构系统
▲ 陶朱隐园施工进度
▲ 陶朱隐园
梦露大厦
建筑设计：Burka Architects; MAD Architect
结构设计：Sigmund Soudack & Associates Inc
▲ 梦露大厦(@CTBUH)
Absolute Tower有56层，每一层平面都是一摸一样的椭圆，但随着楼层升高，他们在旋转着不同的角度。二维不变的56个椭圆平面到性感的、变化的三维曲面就这样形成了。从一层到十层，每层旋转一度，11层到24层每层旋转8度，26层到40层，每层旋转8度，第41层到50层，每层以3度旋转，最后6层以1度旋转。
▲ 梦露大厦平面图(@CTBUH)
三维结构布置如下图所示，除了利用了中间的竖向交通核布置核心筒外，还利用了房间的分隔墙布置了剪力墙，形成这种网格式的剪力墙布置形式。外围布置的剪力墙随着楼板边界的变化向外延伸或者后退。同时，为了使得建筑更加轻薄，外围楼板均采用悬臂板的形式。
▲ 梦露大厦结构示意图(@CTBUH)
▲ 梦露大厦结构示意图(@CTBUH)
▲ 梦露大厦施工过程图
▲ 梦露大厦(@CTBUH)
深圳世茂前海中心
▲ 深圳世茂前海金融中心
作为全球首例45°旋转艺术建筑，世茂前海中心，由“全球十大旋转建筑”之首的上海中心大厦设计团队Genlser原班人马打造，突破工程限制与技术壁垒，以全球首创的45°双旋转艺术建筑，完美呈现“God Curve”筑造建筑美学与视觉呈现达到极致美观与艺术化，革新城市封面。
▲ 深圳世茂前海金融中心
塔楼地下3 层，地上67 层，建筑高度324. 5m，结构主屋面高度303. 9m。塔楼从首层( 52.5mx52.5m)至屋面(42.8mx42.8m) 每层绕中心点相对于下层旋转大约0. 68°，共旋转45°。
▲ 结构选型
在概念设计阶段，建筑师提出塔楼采用旋转内收外形，从最初的旋转60°，再到22.5°，30°， 45°。初步研究表明，风致荷载在建筑旋转角度较小时，无明显改变。当旋转角度超过30° 时，风致荷载减小较明显。风洞试验结果表明，塔楼旋转45°时，风致荷载减小约10%。同时，结构初步分析结果表明，当楼层剪力分布接近情况下，塔楼在不旋转、旋转30°、旋转45°、旋转60°时，除竖向荷载作用下的外框架转角不同外，结构周期、位移角、内外筒剪力、弯矩分配比例相差很小。综合建筑造型及结构荷载和受力特点，实施方案采用建筑旋转45°。
▲ 结构体系
塔楼采用的是典型的框架-核心筒形式，外框为钢管混凝土分段双向斜直柱 钢梁，核心筒为钢筋混凝土结构。
▲ 典型结构平面
塔楼在水平荷载作用下与常规框架-核心筒的受力、变形特征接近，但在竖向荷载作用下则有较大不同。竖向荷载传递路径研究显示，每一层的竖向荷载按常规方式分别传递至外框架与核心筒之后，外框架部分的荷载继续向下传递时，一部分转化为沿柱轴向的斜向轴力，另一部分则转化为水平力并在外框架处形成水平力环流，对核心筒产生扭矩。
▲ 竖向荷载传力路径
典型外框架柱的水平力与轴力的比值：在47 层以下约为0.3%~1.5% ，水平力不超过555kN；在48~57 层，约为3%~8% ，水平力不超过502kN；在58~66 层，约为9%～ 28% ，水平力不超过523kN。
▲ 楼板中的拉力、压力及剪力分布
这些水平力通过梁柱节点又重新回到了外框架环向梁和楼面径向梁中，并通过梁与楼板的连接构造传递至楼板中，在楼板内形成与核心筒墙约成10°~30°环绕核心筒四周分布的拉力、垂直核心筒分布的压力和平行于核心筒分布的剪力。其中的剪力和压力，通过楼板与核心筒的连接构造传递至核心筒外墙，形成核心筒外墙剪力流。
▲ 竖向荷载传力路径示意图
楼层竖向荷载传力过程中形成的水平力特征：
（1）每层梁柱节点处的水平力大小仅与本层竖向荷载有关，即每层外框架处对核心筒的扭矩大小仅与本层竖向荷载有关，不逐层累积；
（2）每层核心筒的扭矩均为本层外框架处传来的扭矩与上层核心筒传来的扭矩之和，即核心筒扭矩逐层累积。核心筒扭矩以核心筒剪力墙中的剪力环流形式存在。
▲ 竖向荷载下的扭矩分布示意图
不同于常规框架-核心筒结构，这里的楼板除了起到联系外框架与核心筒，以及传递水平荷载之外，还要传递竖向荷载产生的水平力。楼板的传力性能，对结构的安全起着决定性的作用。
▲ 闭合剪力墙剪力环流
在重力荷载作用下，楼板传递至核心筒的扭矩转化为核心筒剪力墙的剪力，在墙上产生斜方向的主拉力。因此，楼板与梁柱及核心筒的连接至关重要。
▲ 梁柱与楼板的连接示意
柱、梁与板连接构造: 从柱边向外一倍柱直径范围内，设置环向钢筋以加强柱与板的连接。同时，梁上设栓钉，并在外框架梁宽范围的板带内提高钢筋配筋率。
板、核心筒连接: 楼板传递的剪力不超过抗剪截面限值，楼板与核心筒之间的分布钢筋按抗剪切滑移校核。
重庆高科太阳座大楼
建筑外观整体扭转，东西两侧外立面随高度实现了90°扭曲旋转，这一独特的扭转造型形成了扭曲极大的双曲面，最大单层扭拧角度达到8.8度/层，将成为世界第一扭的强力竞争者。
▲ 重庆高科振动台模型
结构采用钢管( 型钢) 混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系，其中框架是由钢管混凝土( CFST) 柱与型钢混凝土( SRC) 梁组成。竖向构件与建筑立面相协调，外框架中形成空间扭曲斜柱。
结构在中部楼层形成细腰型，为了增强框架的整体性和斜柱之间的联系，在每侧斜柱间设置3 道钢管混凝土斜撑，用于分担上部荷载所产生的竖向力，形成了空间扭曲的斜交柱网。
▲ 重庆高科施工照片(@CTBUH)
扭转式的超高层建筑还有很多，限于篇幅，不再一一详细介绍。下面主要介绍一些知名的扭转式建筑的高度及扭转角度。
▲ 上海中心
上海中心是目前已建成的最高的扭转式建筑，高632m，每层扭转约0.94度，到顶层累积扭转120度。但是上海中心的扭转体型是通过幕墙扭转来实现的，我们其他绝大多数的扭转体型是通过抗侧力构件或者楼板的扭转来实现的。通过幕墙扭转的超高层结构的受力、变形特征与常规超高层结构相差不大。
▲ Revolution Tower(@CTBUH)
巴拿马的Revolution Tower于2011年完工，高233m，53层的钢筋混凝土塔楼，每层扭转约5.94度，整体建筑相对地面扭转了315度。
▲ Evolution Tower (@CTBUH)
莫斯科的Evolution Tower高246米，每层楼相对前一层扭转2.84度，到达顶端时，扭转达到156度。
▲ Turning Torso(@CTBUH)
该项目是西班牙建筑师卡拉特拉瓦设计的。该塔楼有54层，高190m，每层都是由一个不规则的五边形钢框结构围绕中轴旋转构成。这座2005年竣工的螺旋中心大厦是目前瑞典及北欧最高的建筑。每层扭转约1.58度，到顶部累积扭转90度。
▲ Turning Torso设计草图(@CTBUH)
卡拉特拉瓦将人类运动抽象为一堆七个围绕着脊柱核心扭曲的立方体。在钢制支架周围设置了七个立方体，以产生类似于扭曲的人体脊柱的螺旋结构。
▲ Turning Torso楼层平面(@CTBUH)
▲ Infinity Tower (@CTBUH)
迪拜的Infinity Tower是由Skidmore，Owings＆Merrill （SOM）设计的72层高的摩天大楼，于2006年开始建造，今年终于接近竣工。塔的主要特征是它向上扭转的方式，每层扭转1.2˚，从底部到顶部完全扭转90˚。
▲ Infinity Tower施工过程 (@CTBUH)
▲ AI Tijaria Tower (@CTBUH)
AI Tijaria Tower是一座高218m的扭转塔楼，也是目前科威特的最高建筑。每层扭转约1.85度，塔楼到顶部，最大扭转 80度。塔板由位于中央的圆形核心筒组成。
▲ Mode Gakuen Spiral Towers (@CTBUH)
Mode Gakuen Spiral Towers位于名古屋的主干道上，是一座170m高，36层的教学楼。于2008年完工，每层扭转约3度，到顶部累积扭转114度。
▲ Diamond Tower (@CTBUH)
沙特阿拉伯的钻石塔公寓建筑高432m，共93层，每层扭转约3.87度，到顶部累计扭转360度。
▲ 旧金山米拉大厦 (@CTBUH)
由Studio Gang 建筑事务设计的旧金山米拉大厦高120m，通过其复杂的飘窗设计，实现一种立面扭转的效果，于2017年开始动工。
▲ AvazTwist Tower(@CTBUH)
AvazTwist Tower位于波黑的萨拉热窝，是一座高176m的摩天大厦，共39层，每层扭转约1.54度，到顶部累积扭转60度。
▲ 盖瑞大厦
盖瑞大厦是一座九层建筑，位于德国汉诺威。这座不锈钢构造的建筑，因其大幅度的扭转造型而著名。
▲Lakhta Center(@CTBUH)
Lakhta Center位于俄罗斯的圣彼得堡，建筑高度462m，是目前已建成的第二高的扭转式的超高层建筑。每层扭转1.05度，到顶部累积扭转90度。
▲ Ocean Heights (@CTBUH)
Ocean Heights位于迪拜码头开发区，建筑高度310m。建筑的三个立面从底部开始扭转，随着塔的上升，塔楼的平面尺寸减小，扭转变得更加明显。每层扭转约0.48度，到顶部累积扭转40度。
▲ United Tower (@CTBUH)
位于巴林的United Tower建筑高200m，共47层，每层扭转约3.8度，到顶部扭转累积180度。
▲ Al Bidda Tower (@CTBUH)
Al Bidda Tower 位于达夫纳（Dafna）地区中心的一个显眼位置，其建筑高度156.6m，于2009年完工，每层旋转约1.36度，最顶端扭转了60度。
▲ socar-tower (@CTBUH)
socar-tower位于阿塞拜疆的巴库，于2015年完工，建筑高196m，共40层，每层旋转约0.5度，到顶部累积旋转20度。
▲ Supernova Spira (@CTBUH)
Supernova Spira位于印度的诺伊达，建筑高300m，共80层，每层旋转约1.83度，到顶部共旋转146度。
▲ Al Majdoul Tower (@CTBUH)
Al Majdoul Tower位于沙特阿拉伯的利雅得，高232m，共54层，每层扭转约2.5度，到顶部累积扭转135度。
▲ Generali Tower(@CTBUH)
位于意大利的Generali Tower高185m，共44层，每层扭转约1.43度，到顶部累积扭转49.6度。
▲ The Point(@CTBUH)
The Point位于厄瓜多尔，于2014年完工，建筑高137m，共36层，每层扭转约2.9度，到顶部累积扭转90度。
▲ 四川广播电视中心(@CTBUH)
四川广播电视中心于2010年完工，建筑高136m，共31层，每层扭转约2.9度，到顶部累积扭转90度。
▲Grove at Grand Bay Tower (@CTBUH)
位于美国迈阿密的Grove at Grand Bay Tower有南北两座塔，两座塔高度都为94m，每层扭转约1.84度，到顶部累积扭转38.7度。
▲Chicago Spire (@CTBUH)
Chicago Spire由西班牙建筑大师卡拉特拉瓦设计，高609.6m，最顶端扭转了360度。但由于经济原因，最后并未施工。
3 小结
扭转式建筑越来越受到建筑师的青睐，也给超高层建筑带来了一种别样的形式。扭转式的超高层结构与常规超高层结构最大的区别主要在于竖向荷载下的受力及变形特征的区别。在极端情况下，竖向荷载可能变成控制工况。扭转式结构中的楼板是传递竖向荷载水平分量的关键构件，楼板的设计、楼板与外框及核心筒的连接设计变得至关重要。
以上内容均为均为小编个人观点，如有错误，欢迎交流指正。
参考资料：
[1] CTBUHJournal | 2016 Issue III.
[2] https://www.ctbuh.org/.
[3] Hideyuki Tanaka a,n, YukioTamura b, KazuoOhtake, ect. Experimental investigation of aerodynamic forces and wind pressures acting on tall buildings with various unconventional configurations.
[4] 张敬礼,叶秀信.台北陶朱隐园住宅大楼结构工程设计[J].建筑钢结构进展,2016,18(01):55-65.
[5] 马晖,吕海双,罗承师,汪洋,林奉军,梁兆麟,信瑛佩.深圳前海世茂金融中心塔楼结构设计及分析[J].建筑结构,2015,45(24):58-65.
[6] 李英民,姜宝龙,张梦玲,陈彬彬,李辛宇.重庆高科太阳座大厦模型结构振动台试验研究[J].建筑结构学报,2019,40(03):142-151.