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结构施工

530米高!“北方之钻”天津周大福金融中心如何创新结构打造优美曲线

2020-06-16 4633阅读
从设计之初,天津周大福金融中心就以优美的造型和超高的施工难度而广受关注,获得了“北方之钻”的美誉。建筑创新地采用与建筑形态一体化的无伸臂陡斜撑框架—核心筒组合结构体系。

  天津周大福金融中心占地2.8公顷,建筑面积约39万平方米,以530米的高度雄踞华北。作为一个超高层综合体项目,其塔楼有97层,包含办公楼层、近300套酒店式公寓单元和一家拥有347套客房及辅助设施的五星级酒店;裙楼共5层,设有零售商店、餐厅、俱乐部和宴会厅等。美国SOM建筑设计事务所负责该项目的建筑方案设计,深化设计则由华建集团华东建筑设计研究总院、吕元祥建筑师事务所(RLP)、维思平联合国际咨询(北京)有限公司(WSP)共同完成。从设计之初,天津周大福金融中心就以优美的造型和超高的施工难度而广受关注,获得了“北方之钻”的美誉。

雕塑般的流体几何造型

  雕塑般的流体几何造型

  项目地块位于天津泰达经济开发区核心区的中心位置,于家堡金融中心的北侧,南面接第一大街,西临新城西路,北面靠广达街,东临广场西路。作为城市的标志性塔楼,天津周大福金融中心设计不仅要考虑建筑与城市及环境的对话,减少超高层建筑对周边环境的影响,也致力于令本项目在未来的商业核心区域发挥更重要的作用。

场地分析图

  场地分析图

  设计团队充分考虑建筑之间的关系,尊重开发区原有的整体规划,严格执行开发区的高度控制及退让用地红线,强调开发区的气质和整体性,与周边其他建筑一起形成赋有韵律的城市轮廓线和街道空间。凭借标志性的建筑造型和得天独厚的位置,如今天津周大福金融中心已成为泰达经济开发区乃至天津整体城市形象的重要组成部分。

总平面图

  总平面图

  天津周大福金融中心塔楼的建筑表现形式和设计灵感来源于艺术与自然中的流体几何造型,采用层层叠加并逐渐减小的楼板设计,锥形造型直插云霄。这一外形设计不仅兼顾美学和视觉冲击力,而且充分考虑了天津滨海新区的风力对建筑物的影响,符合空气动力学,可有效减少涡旋发散现象,最大限度地降低风荷载。同时,锥形造型减少了大楼外墙表面积,降低日照暴晒和雨水侵袭对建筑物造成的损伤。

天津周大福金融中心北立面效果图

  天津周大福金融中心北立面效果图

  通过深化设计,酒店、公寓及办公在保持方形平面的同时又呈现出圆角。建筑的几何造型在视觉效果上保持建筑造型柔和的同时,尽可能地提高三个主要功能区域的平面效率。裙房设计造型轻柔、富有流体感的几何形状,与塔楼的表现形式相呼应。从整体造型到构件细节,处处都很好地将流体造型与雕塑的力量结合,高度完成曲线母题。

富有流体感的塔身

  富有流体感的塔身

  雕塑般的优美造型配合极具创意的外墙设计,成就了天津周大福金融中心视觉上的美感。外墙所采用的平板玻璃面板系统及窗框系统跟随建筑外立面的曲面变化,突出塔楼收分部分的比例,同时巧妙地与曲线倾斜的结构相呼应,突显建筑动感的、富有活力的外形。

  层叠错落的玻璃幕墙和新月形铝合金框架在阳光照耀下彰显独特典雅的建筑纹理。自然起伏的建筑外墙体系还有助于将酒店、酒店式公寓、办公等各项功能有机合理地分布在一个具有流畅曲线的整体建筑造型内,优化了结构跨与各主要功能外围墙之间的关系。

  优美曲线依托创新结构打造

  天津周大福金融中心的结构设计由华建集团华东建筑设计研究总院原创完成,结构团队在设计过程中充分发挥创新能力,在关键节点上大胆运用自主编写的计算工具,高质量地完成了结构设计任务。自下而上,建筑由核心筒向外墙呈现高低起伏的形态,为此天津周大福金融中心创新地采用与建筑形态一体化的无伸臂陡斜撑框架—核心筒组合结构体系。

塔楼结构体系及其组成

  塔楼结构体系及其组成

  柔和的曲面玻璃表皮包裹着8根倾斜立柱,这些立柱位于立面主要弯曲部位的后方,可提高建筑结构的刚度,为结构设计满足抗震、抗风等要求奠定了良好基础。优美建筑曲线的背后,是结构团队对于技术的精心打磨。每一个关键技术和专项研究都由结构团队反复探讨演算,用一张张图纸和一次次模拟保证了建筑的安全稳固和美观高效。其中最为重要几项的包括:

  基于减小风载效应的建筑体型优化

为减小风荷载,塔楼建筑体型进行了优化,立面采用下大上小的造型,建筑平面由下部角部倒圆角的方形平面逐渐过渡为高区的圆形平面,塔冠采用40~60%的开孔幕墙。

塔冠实景

  塔冠实景

  无伸臂陡斜撑框架—核心筒组合结构体系

超高层塔楼利用支撑框架概念,结合塔楼流线形的建筑外立面,沿着建筑外轮廓脊线设置陡斜撑,从塔楼底部四角分别蜿蜒上升,直至塔顶形成塔冠,从底到顶分别与角柱、边柱以及外框钢梁连系在一起,共同受力。

塔冠内部

  塔冠内部

  不设伸臂桁架,结合环带桁架、帽桁架、抗弯框架组成无伸臂陡斜撑框架—核心筒超高层组合结构体系。通过采用陡斜撑提高结构整体侧向刚度和外框剪力分担比,避免因设置伸臂桁架加强层而导致结构侧向刚度在加强层和其相邻楼层之间的刚度突变,使得结构侧向刚度平滑过渡。

  考虑整体空间作用的楼层梁设计

由于建筑的曲面造型,在塔楼下部楼层外鼓,加上曲线形的陡斜撑、角柱和边柱实际加工由空间折线拟合,水平构件的设计需考虑整体空间作用,即在竖向荷载作用下,所有转折点的构件水平分力差需依靠外框架梁和连接外框与核心筒的楼层梁的轴力来平衡,其效果类似环箍效应及空间拱效应。考虑到楼板开裂刚度退化,在计算梁轴力时,偏安全地不考虑楼板的轴向刚度。

框架柱及斜柱示意图

  框架柱及斜柱示意图

  不同类型和截面形式的组合构件空间相交节点的实现

由于陡斜撑沿建筑双曲立面不断蜿蜒上升,与角柱、外边柱、中边柱分别相交,从而导致与陡斜撑相关的外框连接节点多样复杂,形成不同类型和截面形式的组合构件空间相交节点,譬如窄外环板+内加劲板的钢管混凝土柱—钢梁连接节点、17—21层的非共面双管“X”形交叉变径钢管混凝土组合柱节点、28—36层的双变径钢管混凝土组合柱节点、45—47层的扭转变径钢管混凝土组合柱节点等。这些复杂节点均通过节点试验和有限元分析验证了其受力性能。

  考虑塔楼偏置于地下室一侧导致土压力不平衡效应的核心筒设计

由于塔楼偏置于整个地下室的东南角,核心筒和翼墙的刚度远大于周边框架的刚度,地下室四周水土压力传递到塔楼核心筒的路径长短不同,传力路径较长的一侧部分水土压力被梁板的轴向压缩变形和框架柱弯曲变形消耗掉,导致两侧不平衡的水土压力由塔楼核心筒和翼墙共同承担。经计算发现,其中B3、B4层水土压力已达到塔楼底层小震剪力的40%~55%。因此,地下室核心筒剪力墙设计时需考虑水土压力产生的剪力和地震剪力的叠加。

  可持续的超高层设计策略

  天津周大福金融中心的设计依照LEED金级标准,运用了各种兼具高性能和绿色环保的设计手法。首先,项目全面应用建筑信息建模(BIM)技术,实现设计过程的信息化管理,不仅提升了施工效率,也有助于环保节材。例如,塔楼的整个外立面由约15000个幕墙单元板块组合而成,需要约1300多种不规则四边形的幕墙单元板。

塔楼幕墙细部

  塔楼幕墙细部

  设计团队运用BIM技术对幕墙系统及后续安装工序进行计算、模拟和优化,大幅减少了玻璃及型材的种类和数量,在节约成本和兼顾环保的同时降低了建造难度。其他可持续性策略还包括高性能外围护、优化的自然采光和绿色景观等。例如裙房带格架的屋顶绿化有助于降低热岛效应,为租户及访客提供了一个更为可持续的宜人环境。

  本项目采用了分设总计量水表、优化绿植灌溉方式、使用冷却循环水、采用优质节水产品等十余项节水措施,同时也采用配设节能器、集中热力监控器、综合管线布置等节能手段。为保证后期运营可优化、建筑能耗可调节,天津周大福金融中心设置了6万多个能源监测点位,以便于对项目未来的实时能耗进行监控分析,为后期运维的策略调整提供依据。这种可持续设计理念将显著减低二氧化碳排放量、用水量及高峰期耗电量,并大大减少建筑对于自然环境的影响。

天津周大福金融中心建设历程

  天津周大福金融中心建设历程

  结语

  从破土动工以来,天津周大福金融中心受到国内外的广泛关注,其关键节点的完成受到各路媒体的争相报道。由于创新的设计理念,先进的辅助手段和高效的现场管理,天津周大福金融中心项目先后荣获欧特克全球BIM一等奖、ISA国际安全奖、中国BIM认证联盟评价白金级、中国钢结构金奖杰出工程大奖、国家级项目成果奖、全国现场管理评价五星级现场、亚洲MIPIM大奖——最佳中国未来大型项目银奖等多个国内外建筑行业大奖。

  2019年12月初,在世界高层建筑与都市人居学会(CTBUH)2020年度大奖中,项目分别获得最佳高层建筑(400米及以上)、最佳结构工程、最佳建造施工三项杰出大奖。自2015年开工到2019年8月底完成竣工验收,数载辛苦耕耘,多方位全面合作,天津周大福金融中心如今已傲立渤海之滨,成为周大福集团在超高层领域书写的精彩华章。

裙楼细部

  裙楼细部

天津周大福金融中心夜景

  天津周大福金融中心夜景

项目信息

  项目名称:天津周大福金融中心

  项目地点:天津经济技术开发区滨海新区

  建设单位:天津新世界环渤海房地产开发有限公司

  设计时间:2011年

  竣工时间:2019年

  项目类型:超高层综合体

  业态构成:酒店/服务式公寓/办公/商业

  基地面积:27 772.35平方米

  建筑面积:389 980平方米

  结构形式:无伸臂陡斜撑框架—核心筒组合

  主要材料:钢筋混凝土(核心筒)、钢管混凝土(柱)、钢(楼层跨)

  方案设计:美国SOM建筑设计事务所

  合作设计:吕元祥建筑师事务所(RLP)、维思平联合国际咨询(北京)有限公司(WSP)、华建集团华东建筑设计研究总院

  结构:美国SOM建筑设计事务所、华建集团华东建筑设计研究总院

  机电:科进柏诚工程技术(北京)有限公司、华建集团华东建筑设计研究总院

  景观:P景观设计事务所(PLA)、艾奕康集团(AECOM)

  室内:梦幻澳大利亚设计(Dreamtime Australia Design)、美国LLA建筑设计公司(Laguarda.Low Architect)、林+卢(Lim + Lu)、奥必概念室内设计公司、美克建筑事务所(Make Architects)

  幕墙:奥雅纳工程咨询(上海)有限公司

  照明:布兰斯顿公司(Brandston Partnership, Inc.)、Isometrix照明设计有限公司

  施工总包:中国建筑第八工程局有限公司

  从设计之初,天津周大福金融中心就以优美的造型和超高的施工难度而广受关注,获得了“北方之钻”的美誉。建筑创新地采用与建筑形态一体化的无伸臂陡斜撑框架—核心筒组合结构体系。建筑界结构施工频道分享更多“北方之钻”天津周大福金融中心这样的优秀设计施工结构结构知识和案例,寻找建筑结构之美,探索建筑结构之路,欢迎关注我们~

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