高层建筑群的多维度复合设计——重庆来福士广场工程复合设计创新

张怀金，王隽，曹平，邓小华

（1凯德中国，上海 200001；2重庆市设计院，重庆 400015）

高层建筑群的多维度复合设计
——重庆来福士广场工程复合设计创新

张怀金1，王隽1，曹平1，邓小华2

（1凯德中国，上海 200001；2重庆市设计院，重庆 400015）

重庆来福士广场项目由著名建筑师摩西-萨夫迪设计，包括8栋250m到380m的超高层塔楼，空中连廊，6层裙房以及3层地下室，建成后将成为重庆新地标。该项目总建筑面积约113万㎡，包括办公、商业、酒店、服务式公寓、高层住宅和交通枢纽等多种业态。该文主要介绍了这个超大型项目的多维度复合设计过程和工程创新。该项目中运用到的创新和前沿技术，标志着中国重要城市（如重庆等）的高层建筑群的设计和建造水准。

高层建筑群；性能化设计；阻尼器；组合伸臂系统；伸臂墙；重庆来福士；超高层结构设计

1 项目介绍

重庆来福士广场项目位于长江及嘉陵江交汇处，极具象征意义：既是重庆辉煌过去的标志，也代表着城市蓬勃发展的现在和未来。作为古代举行朝圣仪式的地点和最重要的古城门，朝天门一直是重庆历史性的地标。朝天门最初作为重庆在长江上游的码头区，代表了水路航运的伟大传统，激励着这个内陆城市的发展，并推动着重庆成长为中国最重要的现代化城市之一。

项目位于长江航路上，以扬帆的设计形象呈现于水面上（图1）。八栋塔楼的外立面为朝向北面江水的通透表面，让人回想起古老的中国船队，乘风扬起白色风帆。各塔楼弯曲的立面以及在船首弧形的布局，极富动感——寓意这个大城市携水运商业遗产的认同，奋勇前进。其形象简洁易辨识，兼具标志性。该项目作为城市对外门户的标志，亦是城市半岛巅峰的创新形象。各塔楼的南立面（弧形内侧）以柔和弧度回望城市，覆盖着绿色的空中花园下达裙房屋顶，裙楼屋顶本身也是一个绿色的圆形剧场状公园，包含花园、泳池以及公共交通系统等。这个公园化的屋顶场地缓缓向北倾斜升高，优化了透过塔楼间（包括住宅、办公以及酒店）的望江的视野，并最大化项目面向城市的景观。该项目是一个113万㎡的大型综合体，包含办公、商业、酒店、服务式公寓以及高端住宅，同时在项目的不同平面涵盖了交通枢纽和公共交通系统。本文阐述重庆来福士的多维复杂施工，也介绍项目创新点和使用的前沿技术，这些创新与技术标志着像重庆这种超大城市中，超高层建筑群可以达到的水平。

图1 重庆来福士广场

2 多维度设计及规划

项目设计经过了全面的多维度规划，以服务于不同楼层，不同业态的人群、交通和功能区，如图2所示。在裙房屋顶平面以下，裙楼有6层公共空间（约200,000㎡），包括商业、文化设施、陆路和水路交通枢纽 （约有168,000㎡供交通及停车使用）。

城市现有交通干线从南侧切入，创造了更多的商业街和大型回廊，提供了一个强大、流畅的动线，使项目融入到城市中。同样，港务区域不仅包含客轮码头的功能，还包括景观步道、外部商业设施等，把项目的公共功能延伸到港口。进入项目的交通流线，在不同的标高都规划得细致而简捷：公交巴士、轨道、汽车和游船均有直接的入口，能够便利地环通商场、文化中心、住宅、办公楼以及酒店。

两栋主塔楼北面直接面向两江交汇处，是项目最高的结构（约348m，75层）。项目的中轴线，沿两栋塔楼之间与城市中心交汇。在两栋最高塔楼的后方，四栋较低塔楼（约49层）延伸着弧线。一个位于空中248m的空中花园连接这四个塔楼（其中两栋为约196,000㎡的办公楼，两栋为住宅），与下方的裙房屋顶花园相呼应。空中花园两端建有令人惊叹的观景平台，提供眺望重庆市貌的最佳视野。在空中花园楼层，包含有酒店大堂及相关功能，而其上为花园和泳池。同时大堂连接着项目最高双子塔的上部楼层，约34层的酒店房间可以俯瞰重庆绝佳的景观。剩余两栋独立的塔楼为住宅，57层高，为项目提供了约302,000㎡的高级居住单位，并与其余六栋塔楼形成了完整的圆弧。这两栋塔楼的位置和朝向能够获得最大的视野，并最大限度地利用阳光。与其余四栋较低的塔楼类似，它们朝南的单位均有悬挂的花园，为城市提供了郁郁葱葱的绿色景观。

3 组合工程系统

在中国，高层建筑的设计和施工需要严格考虑风和地震的影响。现行国家抗震设计规范（MHURD，2010和2011）引入了性能化设计的方法，要求结构复杂的建筑需分别满足在三种超越概率（63%、10%、2%-3%）的地震情况下的抗震要求。在许多情况下，高层建筑的设计也需满足“两水准”的抗震要求。对众多沿海城市来说，风荷载是另外一个需考虑的因素，在这些地方台风起控制作用。结构工程师通常需面对来自风和地震的双重挑战，同时需要保证整体结构和空间使用的效率。目前，类似于阻尼器和隔震支座的耗能装置更广泛应用于高层建筑中，以提高在灾难性荷载下的整体结构性能，而不是仅靠增加钢材及混凝土用量，使整体结构变得巨大并造价高昂。

3.1 空中连廊一体化工程策略

重庆来福士广场所有250m塔楼均采用型钢混凝土框架-核心筒结构。空中连廊的工程设计，容许连廊与其下四个塔楼结构间进行半连续的连接。图3（a)展示了整体结构设置。在连廊主结构和塔楼支撑结构之间采用了摩擦摆支座（FPB）和液压阻尼器。经与几家支座厂家的详细征询，最终确定了摩擦摆式支座摩擦系数为5%。摩擦摆支座和粘滞阻尼器共同作用，消耗掉不同水平地震作用下的能量，减小塔楼与连廊间的相对位移。整体工程设计亦创新性地利用了空中连廊的质量，消耗地震能量并控制塔楼结构的横向变形，最终促进质量阻尼机制的实施。图3（b）展示了质量阻尼效应在不同水平地震作用下控制塔楼基础剪力的整体效果。一般来说，在空中连廊及塔楼结构间运用这种创新设置，可以减少35%至40%的基础剪力，从而极大地节省了结构柱和核心筒中的建筑材料用量。项目的结构设计方案解决了重庆6.5度地震区的多个结构超限问题。

图3 空中连廊工程体系

四栋塔楼与连廊进行了振动台试验，以验证中震到大震作用下质量阻尼机制的有效性以及建筑结构的可靠性。图4（a）展示了不同水平地震作用下的模型设置，图4（b）展示了振动台模型中缩尺比例1:25的支座细部构造。地震模拟振动台试验的目的是验证设计计算和结构假定的合理性，同时可以确认薄弱部位，为加强措施提供指导。整个模型、振动台及配重的总重量约为252t。考虑到振动台的承重能力，四个塔楼的模型放置在两个可以同步振动的振动台上，模拟不同方向、多种烈度的地震。物理模型的制作采用具有适宜弹性模量和强度的材料：混凝土材料采用相应强度等级的砂浆模拟，钢筋用钢筋模拟，型钢截面采用焊接角钢模拟。依据国家地震规范（MHURD,2010），在实验室进行了6.5度区直至大震强度的振动台实验，结果证明塔楼的结构设计在不同水平地震作用下是合理的。

图4 相连塔楼的振动台试验

3.2 组合伸臂桁架系统

在重庆来福士广场两栋380m高的超高层塔楼结构设计中，避难层采用了一种新型的钢-混凝土组合伸臂桁架+软钢阻尼器的体系，其中的钢桁架嵌入在钢筋混凝土伸臂墙里，如图5（a）和图5（b）所示。钢桁架和混凝土伸臂墙共同作用，提高塔楼结构在极端荷载作用下的整体结构性能。同时，软钢阻尼器也作为一种保险丝装置，用于组合伸臂和巨柱结构之间。按照设计，软钢阻尼器在中震到大震的作用下首先屈服，以保证组合伸臂体系中重要结构构件的整体性。这样，组合伸臂体系中钢筋混凝土构件不会出现脆性破坏。图5（c）表示了结构工程软件（ETABS，2010）针对组合伸臂体系，在不同水平地震作用下得到的数值模拟结果。该设计可以让承包商突破在避难层的钢结构伸臂桁架进行长时间焊接的关键路径，摆脱核心筒与伸臂墙之间的节点焊接工作，率先竖立核心筒。这将有助于缩短塔楼的总体施工工期。根据相应的验证试验，软钢阻尼器在小震和中震地震作用下可以有效工作，提高整体结构性能。通过有限元建模分析和物理构件试验，验证了组合伸臂体系的有效性。图6（a）展示了整体模型设置以及循环作用下的荷载-位移曲线。有了保险丝设备的低屈服钢软钢阻尼器的有效保护，组合伸臂体系在地震作用下具有足够的延性。

图5 带阻尼的组合伸臂系统

3.3 新型构件及系统试验研究

通过组合伸臂桁架模型上关键构件和整体体系的试验研究，揭示了在不同水平下单调及准静力往复荷载的详细结构响应，如图6所示。试验中参考了多种国际组合结构和节点的规范 （BSI 2005;AISC 2005;SCI&BCSA 2002）。在研究过程中，特别关注了以下几个方面：承载能力和变形特征，应力分布和集中，节点耗能能力以及典型失效模式和损坏位置。

图6 带阻尼的组合伸臂系统研究

3.3.1 组合伸臂的构件试验

在单调和准静力的往复荷载作用下，分别测试了两组组合伸臂构件，包括钢支撑、预埋钢构件和混凝土伸臂墙。观测并研究了荷载-变形特性、钢构件的应力发展以及混凝土裂缝发育等多种关键结构响应。这亦为研究在单调及准静态往复荷载作用下组合伸臂构件的荷载-变形特性和破坏机理提供了有价值的理解。在这系列物理试验中未包含低屈服钢阻尼器。

3.3.2 带有钢阻尼器的组合伸臂系统研究

这组试验研究了组合伸臂系统的整体性能，包括低屈服软钢阻尼器，以及连接框柱和核心筒的组合伸臂构件。在单调和准静态往复荷载作用下，详细研究和测试了组合伸臂系统的荷载-变形特性，对其中关键构件的破坏和失效模式也进行了考察。

在单调加载试验中，每个加载梯度为预估总承载力的5%，在接近构件失效时降低为2.5%。为确保加载单元与构件直接牢固接触，施加加载为预估总承载力15%的预加载。对于准静态往复加载试验，采用了位移控制的方法，控制位移分别为±Δy/2,±Δy,±2Δy,±3Δy,±4Δy,±6Δy，Δy代表钢节点在第一个屈服段的位移。这种加载程序同时确保了适当的预加载以及充分的控制位移，得以测试这个组合节点的整体延性。试验同时也考虑了ASTM(2011)和Lou&Wang(2015)中提到的测试方法和步骤。

3.3.3 数值模拟

在单调荷载作用下，考虑几何和材料非线性，运用通用有限元分析软件ABAQUS(2014)建立了三维有限元模型，得到了弹性和大变形塑性阶段伸臂系统的荷载-变形特性，并对多种结构性能进行了研究和测定，包括承载能力、荷载-变形曲线、应力分布和集中等。

图6（b）是三维有限元模拟的结果：证明“保险丝装置”具有足够的延性，同时在大震作用下，混凝土伸臂墙上的裂缝也能受到有效的控制。同时它也表明钢支撑+混凝土伸臂墙能够与低屈服钢阻尼器协同有效地工作，并通过试验展示了良好的承载能力和耗能性能。这些研究加深了对这种新型伸臂系统的详细的认识。这种组合体系具有很好的应用前景，能加强在极端荷载作用下高层结构的整体结构性能。我们为建立这种新型组合伸臂系统的参数研究和新设计方法，进行了很多的分析和数值研究。

4 结论

本文阐述了重庆来福士广场的多维复杂设计，同时也介绍了项目的创新点和前沿技术应用情况，其中两个突出的要点分别是：（1）多维度规划与设计。现代化综合体项目的规划和设计需要包含不同的商业功能（休闲和娱乐）和不同的交通方式，这就需要对项目进行多维度的规划和设计，在多层面上满足交通流通和功能需求。（2）复杂工程系统。项目需考虑多种类型的荷载、抗震和抗风设计，同时还应具有多重抵御风险的能力，该项目采用了新型的抗震、耗能设计。复杂的结构体系，采用现代数字分析技术+试验方法进行辅助，可以高效快速地进行设计。

Composite Multi-dimensional Design for High-rise Complex

Designed by the world-renowned architect Moshe Safdie,the Raffles City Chongqing(RCCQ)project includes 8 super high-rise towers of 250-380 meters height,a space corridor,a 6-storey podium and a 3-storey basement.It will be a new landmark of Chongqing,covering a total construction area of 1.13 million square meters,with offices,stores,hotels,service apartments,high-rise residences,traffic hubs and so forth.This paper mainly introduces the composite multi-dimensional design process and engineering innovation of this large-scale project.The innovative and cutting-edge technologies applied in this project mark the design and construction level of super high-rise complexes in major cities like Chongqing of China.

high-rise complex;performance-based design;damper;composite outrigger system;outrigger wall;Raffles City Chongqing;structural design of super high-rise buildings

TU974

A

1671-9107（2017）11-0022-04

10.3969 ／j.issn.1671-9107.2017.11.022

2017-10-31

张怀金（1978-），男，山东济南人，研究生，高级设计经理，主要从事建筑结构设计与工程管理工作。

王隽（1980-），男，中国香港人，博士，英国结构工程学会、英国土木工程学会院士，主要从事超高混合建筑的技术管理、创新和实践工作。

责任编辑：孙苏，李红