原创建筑结构01-11 07:48
作者:30万人闗注

摘要: 地标建筑的结构内涵。

因为地处青藏高原地震区,在云南建一座 400 米以上的摩天大楼面临着诸多意想不到的难题。

 

对云南省的省会昆明来说,它的建造环境则要更加复杂:昆明坐落于著名的小江南北向强震带和易门南北向中强地震带之间,并直接处于普渡河南北向中强地震带上。


根据《昆明市防灾减灾“十三五”发展规划》的说明,由直接穿过昆明城区的普渡河断裂构成的中强地震带历史上曾多次发生 6 级以上中强震,由小江断裂带构成的强震带历史上多次发生 7 级以上地震,其中最强地震——1833 年嵩明 8 级地震,震中距昆明市城区只有 30 公里。


如此自然条件为摩天大楼的结构设计带来重重挑战。不过就在今年,在昆明建造 400 米高摩天大楼的愿景取得了实质性的进展。

  

7 月,由 SOM 担任建筑、结构与机电设计的俊发集团“春之眼”主楼项目在北京通过了住建部全国抗震超限审查委员会的审查。该项目是目前位于抗震设防烈度八度、场地类别为三类的地区最高的超高层建筑之一。

 

所谓地震烈度,指的是地震对地面影响和破坏的程度,它根据人体感受、地表和建筑物的破坏程度而确定,不同于表示一次地震能量大小等级的“震级”。

 

简单地说,一次地震释放的能量是一个定值,因此只有一个震级。但是它对不同地区会有不同程度的影响:通常靠近震中的地区烈度高,地震破坏力大、人的体感明显,而远离震中的地区烈度就低,破坏力相对较小、人的体感程度相对较低。

 

中国的抗震设计规范规定的地震设防烈度为 6 到 9 度。8 度地区——也就是“春之眼”项目所位于的地区,在该处的设防烈度地震,其地面水平加速度相当于重力加速度的 30%。 

“春之眼”项目包括一座高 407 米的主楼、300 米的副塔,功能涵盖办公、酒店和商业。其中,407 米的主楼由 SOM 担当设计师与工程师。昆明风荷载较低,而地震活动较高,因此主楼的结构设计主要由地震荷载控制。

主楼结构设计的最大挑战在于,既要使结构有足够的刚度,避免在地震作用下产生过大的变形,又要使结构具有延性,能够消耗地震能量。而对于抗震设计而言,刚度和延性是两项非常重要的指标,它们与结构强度一起,共同决定着建筑在地震作用下的抗震表现。

 

为了获得足够的刚度,SOM 针对主楼采用了巨柱和交叉斜撑,这一设计能够以较少的材料抵抗水平荷载、减小地震作用下的结构变形。另一方面,为了增强耗能能力,结构的巨柱之间布置了钢梁、粘滞阻尼器,机电层布置了阻尼伸臂桁架。由于有了合适的刚度和耗能能力的组合,结构在八度大震作用下,只会发生轻微破坏,能够有效地保护建筑内人员的生命安全。

由 SOM 设计的芝加哥约翰汉考克大厦,同样使用交叉支撑结构。图片版权 ? Ezra Stoller | Esto

由 SOM 设计的芝加哥约翰汉考克大厦,同样使用交叉支撑结构。图片版权 ? Timothy Hursley | Esto

一般来说,交叉支撑结构能以较少的材料提供较高的侧向刚度,它非常适合用于抵抗风荷载,但在地震作用下消耗能量的能力较差。“春之眼”主楼对抗震性能的要求非常高,因此当采用交叉支撑结构时,就必须采取其他的措施来提供额外的地震耗能机制,在短时间里消耗掉地震发生时进入到结构中的能量,避免结构严重破坏甚至倒塌。


为解决这一问题,SOM 采用了粘滞阻尼器和屈曲约束支撑。当地震发生导致结构变形时,粘滞阻尼器的活塞会在粘滞液体中往复运动,把机械能转换成热能释放出去,如同中国功夫中的“卸”字诀,将外力化于无形。

屈曲约束支撑采用十字形截面,其周边的约束构造使它在发生较大变形时,仍然能够保持稳定的承载能力,从而在往复变形中不断消耗地震能量,减少地震作用对建筑的破坏。

 

优秀的超高层建筑往往是建筑设计与结构设计的完美统一。为使建筑外观、形态、结构与功能相互协调并达到最佳状态,SOM 的建筑与结构团队从项目启动之初就紧密协作,力求为每一个项目提供最为适合的解决方案。

 

“春之眼”主楼的塔楼平面呈三角形,下部楼层三条边稍向外凸,为办公功能提供了良好的进深。上部核心筒减小,楼层三条边稍内凹,形成较小的进深,适合酒店布局。同时这种体型的变化可以有效扰乱风的流动,降低结构在风作用下的变形。另外,塔楼上部楼层面积减小,重量较轻,有利于减小地震作用。

主楼完成了结构设计优化。支撑布置的样式根据拓扑优化的结果而确定,可以通过最小的材料用量来实现抵抗侧向力的刚度。剪力墙的厚度也根据优化软件的计算进行布置,以实现结构材料成本最低。

 

SOM设计事务所同时为“春之眼”主楼项目提供了高性能的建筑机电系统设计方案。通过自然通风、自然光、建筑朝向、热工体量、智能建筑、建筑能耗模拟等系统和方法,我们将室内空气质量、环境污染、能量有效性、材料保存、建筑形式以及安全的建筑材料等可持续性理念和项目融为一体,使主楼的全年能耗降低 21%。

 

由建筑管理系统(BMS)控制的生态烟囱向使用人员显示室外条件何时允许自然通风,该系统的使用可在全年 40% 的办公时间为主楼办公楼层提供自然通风,减少空调能耗。

主楼办公区域通过立面通风器获得自然通风,并由生态烟囱向使用人员显示室外条件何时允许自然通风,减少能耗。


通过 SOM 结构、建筑与机电高性能团队的密切合作,“春之眼”主楼将以 407 米的高度屹立于昆明 CBD,成为这座城市最高、最安全、最具独创性和最具高性能的新地标建筑。

来源:SOM设计事务所

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