超高层塔楼中建筑美学与结构力学相辅相成的设计探讨

陈 加

（广东省建筑设计研究院有限公司 广州 510010）

0 前言

2021年深圳某超高层大厦的晃动引起了全社会的高度关注，高层公共建筑设计与结构安全成为了建筑行业里讨论的热点话题。事发后专家们对该大厦进行大量的检测、复核、鉴定后，得出引起该大厦有感振动的原因是顶部桅杆由于风荷载致涡激产生共振。桅杆的设计本是建筑造型的一部分，原设计没能预判到大厦建成使用多年后桅杆会对其结构体系产生如此大的影响。虽然桅杆现已拆除，该大厦已恢复使用，但是建筑行业对于高层建筑结构安全与建筑设计协同影响的探讨却不应停止。本文通过分析2个超高层建筑方案，介绍在建筑方案设计阶段就引入结构工程师的讨论与干预，共同打造了兼顾美学实用与结构安全的高层建筑设计，探寻建筑设计与结构设计两者有机结合的最优解，提供一点心得体验，望促进城市美学并产生更大的经济与社会效益。

1 协调影响建筑设计的结构因素

影响高层建筑结构系设计的因素非常多，如建筑造型、建筑功能、材料和周边环境等。高层建筑的设计中，建筑造型、平面功能布置与结构设计中的结构荷载息息相关，相互制约，因此建筑设计师还应掌握基本的结构知识［1］，在建筑方案设计阶段应考虑建筑物的结构体系是否具有足够的抗风抗地震力等因素，结构设计师经过计算后反馈意见，并辅助建筑师确定设计建筑造型与平面功能布置是否符合结构传力最优解，两者间相互沟通协调可减少项目日后建筑设计与结构设计之间的不和谐，共同打造兼具造型美、安全性能高和经济效益高的建筑作品。风荷载（横向作用力）和重力荷载（竖向作用力）是设计高层结构中极为重要的2个因素，也是和建筑设计关联影响最大的2个因素［2］。本文将分别举例介绍如何通过设计手段解决2种结构荷载对建筑设计的影响，达到力与美的和谐共存。

1.1 风荷载

1.1.1 建筑形体与风涡旋脱落

凡超高层建筑必承受各种风荷载的影响，且随着塔楼高度的增加，风压影响呈正比增大。由于各个区域地形环境的差异，建筑项目周边气候的迥然以及建筑物形体截面的不同，因此使得风荷载的计算很复杂，是对建筑物的结构设计的重要挑战之一。风荷载模拟计算是否恰当关系到建筑的结构安全和影响到建筑物造型，利用风洞测试模拟计算建筑物周边风荷载，其计算结果可协助建筑师进行深化设计工作，如调整建筑朝向、优化建筑的造型以及立面上开洞等设计手段来达到降低风荷载对超高层建筑物的影响。风在遇到高层建筑阻挡时，会生成大小方向不等的风涡旋并产生涡旋脱落效应使得高层建筑振动，产生有序的涡旋脱落则会产生最大的水平作用力，对高层建筑结构产生不利损伤，因此追求最小化横风向振动力（垂直于风荷载方向）对高层建筑的负面影响很关键。常见建筑形状与风涡旋脱落关系如图1所示［2］。

图1 不同截面形状涡旋脱落的不同影响Fig.1 Difference Vortex Shedding Impacts toVarious Shape of Building Section

由图1可知：圆形截面形状的涡旋脱落最有序，影响程度最不利，三角形截面次之，方形截面最无序，则方形截面的影响程度最小，贯穿建筑物的开洞可以进一步改善建筑结构性能。因此高层建筑大多数采取方形平面，并辅以开洞来减少风荷载对建筑物的不良影响［3］。

1.1.2 建筑平面与风作用力

建筑物迎风面受到风产生的压力作用会随着风的级别（风的速度）的不同而变化，风不仅仅产生迎风面的压力，同时由于风向的变化，建筑物各表面所受到的风作用的强弱度也不尽相同。建筑物各表面所受风的作用与建筑物的立面与平面设计密切相关：迎风面所受的风作用强烈，侧风面随着与风的夹角而变化，风力逐渐有压力转为吸力，背风面为吸力。不同建筑物的平面形状，如常见的矩形、圆形、三角形、Y形等，各个侧面所受到的风作用力差异很大，一般来说圆形、三角形、Y形等平面形状所受的风作用力小于矩形，矩形平面建筑物做切角处理后，风力作用会降低［4］。

1.1.3 建筑高度与风作用力

随着建筑物高度的增加，建筑物各个面所受的风压力随之增大，建筑物刚度下降，结构周期也增长，阵风影响增大。因此大多数高层建筑采取平面逐渐收进的形体，另外可通过增加建筑物中高区表面的镂空面积来减少高层建筑的受风面积，降低建筑物自重，减少建筑物结构周期，减少风对建筑的损害［5］。

基于此3种物理现象，在设计广东省江门市新会区某项目时，为有效解决风荷载对超高层建筑的潜在损害，建筑师在塔楼平面设计和立面设计方面上均及时与塔楼结构设计师互相沟通共同协调设计。该超高层项目位于水系发达的新会侨乡，为了呼应此独特的地理环境，项目构思以“水无形而有万物”为主要设计理念，336 m高的塔楼以逐层往上收进的平面形式构建，呈现出来的视觉效果是上小下大的塔楼形式伫立在景观湖边，犹如水柱滴落湖中激起水花的瞬间形态，向上逐层收拢的平面保证了塔身挺拔的同时，亦具有良好的结构稳定性，实现建筑、结构、经济三赢的效果（见图2）。

图2 江门某项目立面效果Fig.2 Elevation Vertical View of a Project in Jiangmen

塔身建筑平面为矩形与四边小圆角、切角的组合（见图3），在保证建筑平面实用性的前提下，针对随着楼层数逐渐增加的高层风压，中下层塔楼的平面设计为矩形平面加圆角，中上层塔楼的平面为矩形加逐渐增大的切角，可有效降低超高层各面的风作用力。平面上圆角和切角过渡到矩形平面边线会产生夹角与斜切边线，在立面设计上利用每层斜切边线的长短不同打造出变化的双色玻璃幕墙，形成鲤鱼奋力向上跳龙门的姿态（见图2）。不规则的立面也抵消了风涡旋的振动与所受风力的大小，直线与曲线的结合打破沉闷，为建筑外立面带来刚柔并济的灵动设计，较好地实现了建筑师的设计理念。

图3 江门某项目平面Fig.3 Plan of a Project in Jiangmen

江门项目塔楼顶部水滴状的结构是设计中的重点，由塔楼四边角柱结构延伸向上叠加交错构成托起顶层停机坪，确保结构体系传力的连贯性且为塔楼提供观景平台空间，观景空间是塔楼顶部建筑造型的点睛之笔，如图4⒜所示。顶部结构并没有采取常规的玻璃幕墙全封闭的处理手法，大面积的镂空在视觉上起到虚实结合的灵动造型美，在结构上镂空的部分起到超高层平面开洞减少受风面积的作用，如图4⒝所示。

图4 江门某项目鸟瞰效果及顶部结构镂空细部Fig.4 Aerial View and Detail Top Structure of a Project in Jiangmen

另外结构设计上镂空率一般达到30%左右才能达到减轻风荷载的效果，超高层建筑顶部如何镂空设计是考验建筑师设计的功力。常见的顶部镂空方式如湛江市某超高层项目（见图5），顶部四周对称镂空，保证镂空率的同时尽量不破坏建筑物立面的整体设计。

图5 湛江某项目鸟瞰效果及顶部结构镂空细部Fig.5 Aerial View and Detail Top Structure of a Project in Zhanjiang

而江门某项目在方案设计阶段就兼顾建筑设计的美观和结构设计的要求，起到有效减少风荷载对建筑的作用，充分体现了结构与建筑的几何理性之美。建筑师若能掌握基本的结构概念后，与结构师协同合作将建筑美学融入结构体系设计中，建筑设计成品的效果将远超结构师只为实现建筑造型的效果。

1.2 重力荷载

1.2.1 建筑平面与核心筒

高层建筑结构的重力荷载属于永久荷载，重力荷载分配到竖向支承构建对控制高层建筑结构的行为至关重要。通常认为重力荷载均匀分布在使用楼层上，如何合理地分布主次梁、剪力墙、核心筒等一系列结构面积，在保证建筑安全的同时提高楼层平面可用空间的使用率是高层建筑设计的关键一环［6］。研究人员和经济学家研究得出，楼面净面积效率（NFA）至少要达到75%才能使高层建筑有利润，近年来，开发商要求越来越高的NFA效率，然而随着高层建筑高度、楼层数的增加，垂直运输、设备系统、结构所需空间、电梯核心筒等相关功能建筑总面积也会随之增大。一般而言，建筑系统占用总建筑面积约为23%，包括12%核心筒功能、5%结构面积、4%电梯井面积、1%机电设备竖井面积和1%楼梯面积。［2］从建筑设计的角度，核心筒偏置的设计能更有利于空间平面功能的布局与提高高层NFA效率，如深圳某超高层的平面设计（见图6），连贯大空间拥有更好的使用空间与舒适度。但从结构设计的角度，核心筒等相关建筑系统虽仅占比总建筑面积的23%，但在结构体系中却承担约40%的重力荷载，在结构设计中十分重要。居中的核心筒更有利于抗震与抗扭矩等作用，广东湛江某项目所采取的居中核心筒为主流超高层建筑核心筒布置方法（见图7），核心筒四周向外延伸多一跨约（9～11 m）布置办公或酒店功能。由此可见，核心筒在高层建筑设计中尤为重要，但并没有一个固定模式必须要核心筒居中［7］，建筑与结构2个专业互相沟通与协调后，建筑师可在主流居中的结构体系中进行设计的创新，结构工程师也可辅助建筑设计偏置核心筒而调整。

图6 深圳某项目偏置核心筒Fig.6 Bias Position of Core Tube of a Project in Shenzhen

图7 湛江某项目居中核心筒Fig.7 Middle Position of Core Tube in Zhanjiang Project

1.2.2 建筑平面与建筑重心、质心

地震作用是对建筑结构体系的一大挑战，重力荷载中由地震地面运动产生的高层建筑结构内力可以通过F=质量×加速度来验算，因此减少自重是高层建筑抗地震力的关键。作为占据高层建筑物约40%质量的核心筒，通过大量镂空塔楼中上部分的核心筒面积可以有效减轻塔楼自重。因此设计湛江某超高层大厦剖面，如图8所示，居中的电梯核心筒设置从首层至中高区，在保证大厦结构刚度的前提下，高区电梯筒中庭镂空，大大减少超高层塔楼的自重从而有效减少地震作用的损害，挑高中庭也便于建筑平面景观布置和带来视觉的震撼度，此做法与上海某超高层类似，高区电梯筒旁移使得中庭大面积镂空成为特色（见图9）［8］。

图8 湛江某大厦垂直剖面Fig.8 Vertical Section of a Building in Zhanjiang

图9 某大厦立面及中庭Fig.9 Vertical Section and Atrium of a Tower

高层建筑结构设计的核心之一是保证建筑物的重心、型心、钢心的统一，此结构设计的力学要求是建筑设计师在追求建筑造型优美和平面布局适用性的前提。

2 结语

无论是以清代皇家御用建筑世家闻名的“样式雷”为代表的中国古代工匠，还是当代以建筑设计与结构动力学皆精通的建筑大师SANTIAGO CALA⁃TRAVA，建筑设计与结构设计两者间的学术壁垒并不应该划分得如此泾渭分明，有效地将两者的特点融汇贯通并创作出来的建筑作品，往往能带来新鲜的学术碰撞与视觉感观的美学享受。中国建筑业在经历了高速发展的阶段后，迎来了沉淀和反思期，打破学术间的隔阂，建筑师和结构师之间互相学习沟通合作［9］，将建筑与结构设计有机结合可设计出兼顾力与美的建筑，尤其结构难度系数高的公共高层建筑设计，在互相制约的两者间寻找到平衡结构力学与建筑美学的最优解，为新时代中国建筑业发展提供新思路。