海口雨林之心高層觀光塔結構設計要點
本文來源：建筑結構（ID：buildingstructure）
項目概況
海口雨林之心項目位于海南省海口市秀英區，由三棟高層觀光塔及連橋構成，三個塔樓為上大下小傘狀塔樓，寓意為整個公園雨林的中心，塔樓之間的連橋圍繞塔樓盤旋而上，形成“曲徑通幽，豁然開朗”的建筑效果。建筑除頂部觀景平臺外，僅包含局部1層夾層，內筒與外筒之間為圍繞內筒旋轉而上的樓梯。建筑效果圖如圖1所示。
項目所在地抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.30g，設計地震分組為第二組，抗震設防類別為標準設防類，基本風壓為0.75kN/m2。結構采用鋼結構筒中筒結構體系，外筒采用菱形鋼網格結構，內筒采用鋼框架結構，鋼連橋采用拉索及撐桿與三座塔樓連接。項目造型獨特，結構形式新穎。
塔樓結構體系本就復雜，塔樓之間采用空間曲線連橋相互連接后，更增加了結構的復雜程度。按《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質〔2015〕67號），本項目存在構件間斷、承載力突變、局部不規則等不規則項，但由于本工程結構體系、樓屋面結構、連體結構的連接形式均與常規結構差異較大，為特殊類型的超限高層建筑。
項目特點：以空間結構之形塑高層建筑之魂 三個塔樓建筑外形為上大下小的喇叭狀異形自由曲面，單層網殼在空間異形曲面結構的找形和受力性能上均表現出較好的效果，本項目將空間結構的設計方法用于高層建筑結構設計中，采用菱形的單層網殼作為結構主要構成單元，該結構形式具有以下優點： 1）單層網殼能較好地對建筑外圍的異形曲面進行找形； 2）豎向單層筒殼形成結構外筒，具有良好的抗側剛度； 3）上部外擴的筒殼與環梁形成自平衡結構體系，能有效地支撐上部外擴的景觀平臺； 4）網殼構件形似“雨林”的樹枝，結構形式與建筑效果融合較好。 三個塔樓及塔樓之間的連橋關系如圖2所示，塔樓的外形、結構形式及布置均較為類似，僅建筑高度、平面尺寸存在差別。三個塔樓房屋建筑高度分別為35.850、38.100、43.800m，塔樓結構體系采用鋼結構筒中筒結構，鋼結構材質為Q355B，外筒單層網殼采用菱形網格，邊長為2.3~3.7m，在建筑門洞處根據建筑需要進行局部抽空，網格構件選用150×600×18×18，為保證建筑效果，局部受力較大位置保持外截面不變，將壁厚加厚，構件長向沿筒體徑向布置。外筒網格在特定標高設置水平環向構件進行加強。內筒采用框架結構，內筒與外筒之間在樓梯平臺和局部樓層進行連接，整個結構體系構成如圖3所示。
項目所在地抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.30g，設計地震分組為第二組，抗震設防類別為標準設防類，基本風壓為0.75kN/m2。結構采用鋼結構筒中筒結構體系，外筒采用菱形鋼網格結構，內筒采用鋼框架結構，鋼連橋采用拉索及撐桿與三座塔樓連接。項目造型獨特，結構形式新穎。
塔樓結構體系本就復雜，塔樓之間采用空間曲線連橋相互連接后，更增加了結構的復雜程度。按《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質〔2015〕67號），本項目存在構件間斷、承載力突變、局部不規則等不規則項，但由于本工程結構體系、樓屋面結構、連體結構的連接形式均與常規結構差異較大，為特殊類型的超限高層建筑。
項目特點：以空間結構之形塑高層建筑之魂 三個塔樓建筑外形為上大下小的喇叭狀異形自由曲面，單層網殼在空間異形曲面結構的找形和受力性能上均表現出較好的效果，本項目將空間結構的設計方法用于高層建筑結構設計中，采用菱形的單層網殼作為結構主要構成單元，該結構形式具有以下優點： 1）單層網殼能較好地對建筑外圍的異形曲面進行找形； 2）豎向單層筒殼形成結構外筒，具有良好的抗側剛度； 3）上部外擴的筒殼與環梁形成自平衡結構體系，能有效地支撐上部外擴的景觀平臺； 4）網殼構件形似“雨林”的樹枝，結構形式與建筑效果融合較好。 三個塔樓及塔樓之間的連橋關系如圖2所示，塔樓的外形、結構形式及布置均較為類似，僅建筑高度、平面尺寸存在差別。三個塔樓房屋建筑高度分別為35.850、38.100、43.800m，塔樓結構體系采用鋼結構筒中筒結構，鋼結構材質為Q355B，外筒單層網殼采用菱形網格，邊長為2.3~3.7m，在建筑門洞處根據建筑需要進行局部抽空，網格構件選用150×600×18×18，為保證建筑效果，局部受力較大位置保持外截面不變，將壁厚加厚，構件長向沿筒體徑向布置。外筒網格在特定標高設置水平環向構件進行加強。內筒采用框架結構，內筒與外筒之間在樓梯平臺和局部樓層進行連接，整個結構體系構成如圖3所示。
整個塔樓上大下小，并呈偏心布置，三個塔樓下部直筒段圓形平面的直徑分別為8.7、7.2、8.7m。頂部觀景平臺結構平面呈類橢圓形，橢圓的長軸分別為24.200、21.250、28.700m，短軸分別為17.800、15.600、24.700m。結構上部平面與下部平面不一致，且下部圓形筒體與上部類橢圓的結構平面重心不同，造成結構兩側懸挑距離差距較大，塔樓立面圖如圖4所示。不平衡的懸挑導致結構在重力荷載下受力不均勻，并易產生傾斜。懸挑較少一側少數構件在重力荷載下甚至承受拉力，給結構設計及基礎設計增加了一定困難。
觀景平臺上部結構屋面呈蘑菇狀，中間呈漏斗狀，內筒鋼柱通過圓弧過渡成屋面水平構件，外部結構柱支承于觀景平臺上，結構三維模型如圖5所示，屋面結構基本與觀景平臺平面形狀類似，但是面積更大，懸挑更大。屋面結構加劇了下部結構筒體的受力不均勻性。
三個塔樓之間通過鋼連橋相連，塔樓與連橋的關系如圖2所示。鋼連橋共分為三段。第一段鋼連橋以8%的坡度逐漸升高，繞塔樓一旋轉180°以后，與塔樓一的觀景平臺連接，連橋地面部分采用“Y”形柱與基礎連接。此段連橋平面成“C”字形，最大跨度為42m，跨度較大，為減小構件截面，改善連橋結構受力性能，采用高強度不銹鋼鋼拉桿與塔樓三和塔樓一的外筒筒殼連接。拉桿的設置減小了連橋跨度，并減小了連橋平面外的扭轉。第二段鋼連橋從塔樓一觀景平臺采用“S”形平面穿躍塔樓一和塔樓二之間間隙，與塔樓二的觀景平臺連接，中間采用支承于外筒的撐桿來減小連橋跨度。第三段連橋從塔樓二觀景平臺采用“S”形平面穿越塔樓二和塔樓三之間間隙，與塔樓三的觀景平臺連接，中間采用支承于外筒的撐桿和塔樓三樓面的拉桿來減小連橋跨度。
異形曲面結構的分析利器—參數化 采用參數化的結構設計是解決建筑空間自由曲面的一種有效的方法。本工程外筒及屋面為空間自由曲面，借助Rhino + Grasshopper平臺，利用Grasshopper的可視化建模編程特點，并編制適應結構特點的相應算法程序，通過與分析軟件的API接口，實現異形曲面結構的參數化建模，并進行結構分析，結構分析后的三維模型可直接用于鋼結構詳圖深化設計。整個設計流程如圖6所示。考慮建筑效果，本工程采用的矩形鋼管，需要保證矩管翼緣與曲面平行，所有的矩管需要在空間扭轉一定角度，為獲得每根構件的精確扭轉角度，針對本項目特點，編制相應的計算程序，通過空間三維坐標及關系確定每個構件的扭轉角，獲得精確的計算模型。通過參數化方法解決了復雜空間結構造型的建模與可視化，實現了建筑與結構的協同設計，同時在結構分析、施工圖設計、鋼結構詳圖深化等專業協同方面發揮了作用。
高層豎向單層網殼結構的穩定性能分析
結構的穩定性能分析包含結構的整體穩定性能和局部構件的穩定分析。為了準確計算構件的計算長度，對結構進行屈曲分析，構件的計算長度可通過歐拉公式反推得到
。獲得構件的計算長度系數如表1所示，從表中可以看出，筒體構件在殼體平面外的計算長度大于《空間網格結構技術規程》5.1.2條規定的1.6l，殼體平面內的計算長度系數與《網格規程》的0.9l取值接近。構件應力計算時殼體面外計算長度系數取值為2.5，殼體面內計算長度系數取值為1.0。同時采用直接分析法進行對比分析，采用計算長度法的構件最大應力比為0.72，采用直接分析法的構件的最大應力比為0.56，通過兩種方法的對比證明本工程按計算長度法計算偏于安全。結構應力最大位置均為外筒殼懸挑較大端的根部構件。
本項目結構外筒與空間結構的單層網殼在結構形式和受力方式上存在相似的特點，因此對結構的整體穩定分析是十分必要的，結構的第一階屈曲模態表現為外筒殼的面外屈曲。為保證結構安全，考慮幾何非線性和材料的非線性，對結構進行全過程彈塑性荷載-位移分析。結構外筒殼的初始缺陷取值為外筒直徑的1/300，圖7為結構的荷載-位移曲線，可以看出結構的極限荷載為7.5倍的荷載標準值，滿足《網格規程》第4.3.4條的“按彈塑性全過程分析，安全系數K可取為2.0”的規定。結構在極限荷載下的破壞形式表現為直筒段與外懸挑部分交界處構件隨荷載的增大逐步進入塑性，并逐漸擴展，最終導致結構喪失承載力。綜上，結構外筒殼穩定性能較好，安全性較高。
施工進展
本項目目前外筒的網格已經基本施工完畢，正在進行景觀平臺及平臺屋面鋼結構的施工目前現場施工照片如圖8所示。
項目信息
業主：海口市城建集團有限公司
建設地點：海口市
設計單位：四川省建筑設計研究院有限公司
項目狀態：在建，預計2023年12 月完成
設計時間：2021 年 3 月— 2022 年 3 月
圖片來源 除特別注明外，其余圖片或視頻均由作者單位四川省建筑設計研究院有限公司提供。 供稿人 陽升，一級注冊結構工程師，高級工程師，四川省建筑設計研究院設計二院副總工程師、結構所所長。
來源：建筑結構（ID：buildingstructure）
