上海超级塔

上海塔课题报告
摘要:上海中心大厦高632m,采用了巨型框架2核心筒2伸臂桁架抗侧力结构体系,为钢2混凝土混合结构。

简要介绍了该结构工程的建筑设计、结构体系特点以及结构整体设计指标,并对计算结果进行分析。

针对结构分析中若干关键问题的分析结果:结合规范与建筑功能布局,合理确定了结构活荷载取值;对结构进行了详细的风致响应研究,将风洞试验结果与荷载规范结果进行比较,并探讨了两者之间的差异;对结构进行了详细的地震作用反应分析,确定了性能化目标和地震动反应谱,得到了结构的抗震可靠度;对巨型柱承载力以及延性进行了详细研究,分析了巨型柱钢骨选型的影响因素;对结构用钢量进行了合理优化,并采取了具体的优化措施,可节省钢材12000t;罕遇地震作用下弹塑性时程分析表明,结构能够满足抗震性能化目标,具有较好的延性。

关键词:超高层建筑;巨型框架2核心筒2伸臂桁架结构体系;抗震性能化设计;巨型柱;结构优化
一、项目描述
1．项目简介
上海中心大厦（英语：Shanghai Tower），是中华人民共和国上海市的一座超高层地标式摩天大楼，其设计高度超过附近的上海环球金融中心，建成后将可取代它，成为中国第一高楼及世界第三高楼。

上海中心大厦项目面积433954平方米，建筑主体为118层，总高为632米，结构高度为580米，机动车停车位布置在地下，可停放2000辆。

2008年11月29日进行主楼桩基开工，预期到2015年6月底或7月初正式投入使用。

开发商：上海中心大厦建设发展有限公司
建筑/结构设计单位：M.Arthur GenslerJr.&Associat -es,Inc.同济大学建筑设计研究院
绿色建筑顾问单位：上海市建筑科学研究（集团）有限公司
投资单位：陆家嘴集团，公司拟与上海市城市建设投资开发总公司（上海城投）、上海建工集团（上海建工）合作。

总承包单位：上海建工（集团）总公司
建设用途：国际标准的二十四小时甲级办公、超五星级酒店和配套设施、主题精品商业、观光和文化休闲娱乐、特色会议设施五大功能。

结构的Revit模型
2.工程概况
上海中心大厦工程位于上海市浦东银城中路501号,陆家嘴金融中心区Z3-1、Z3-2 地块。

与金茂大厦、上海环球金融中心组成“品”字形关系的建筑群,建筑效果如图1所示。

该建筑为多功能摩天大楼,主要用途为办公、酒店、商业、观光等公共设施。

塔楼地上124层,建筑高度632m,沿竖向共分为8个区段和1个观光层,在每个区段的顶部均布置有设备层和避难层,裙房地上7层,建筑高度为38m,地下室5层,整个建筑地上总面积约38万平方米,地下总面积约14万平方米。

该工程竖向建筑功能布置如图2所示。

结构标准楼层呈圆形,圆心沿高度方向对齐,半径逐渐收缩;在设备层处为三角形平面,一方面提供机电设备和避难空间,另一方面在设备层顶面布置休闲层,从而在每个区段内均有一高度约80m的中庭。

标准层和设备层平面见图3所示。

结构立面共有两层玻璃幕墙,内层玻璃幕墙沿标准层楼板外围布置呈圆形;外层幕墙平面投影近似为尖角削圆的等边三角形,三角形幕墙从建筑底部扭转直到顶部,每层扭转约1°左右,总扭转角约120°。

二.结构设计
1建筑外立面造型设计
上海中心建筑设计的一个重要思考内容是如何与金茂大厦的节节宝塔、环球金融中心的锐利边角造型形成完整而和谐的关系。

建筑师采用旋转上升的建筑造型，这一构思来源于哲学中“螺旋式发展”的逻辑概念。

在此理念的基础上，上海中心与金茂大厦、环球金融中心形成了“过去、现在、未来”的时空联系。

建筑外立面的基本几何图形为倒圆角的三角形，通过改变三角形沿竖向的旋转角度和缩放比例实现整个外立面的变化，因此，如何确定三角形的旋转角度成为参数化设计的关键。

由于上海地区的风荷载较大，同时，风荷载对超高层建筑结构设计的影响巨大，所以建筑师与风工程专家对上海中心外立面幕墙进行了多方案的对比。

比较发现，当外幕墙采用120°的旋转角度时，整个塔楼不仅具有动态的美感，而且相比普通的方形塔楼，旋转塔楼承担的风荷载减小了24%，从而大大降低了塔楼的结构造价。

2结构体系选型
上海中心独特的建筑造型、超高的建筑高度、复杂的建筑环境给塔楼的结构设计带来了巨大的挑战，许多结构设计问题没有现成的答案可寻。

同时，上海中心结构设计不仅要保证其安全性，而且需要综合考虑结构造价以及施工的可行性，更重要的是如何满足建筑理念以及使用功能的要求，真正成就建筑之美。

上海中心建筑高度632m，结构高度580m，底部外圈直径83m，结构高宽比
7.0，内部核心筒尺寸为30m×30m，核心筒高宽比19.3，核心筒占底层平面面积的16.6%。

经过对国内外多个超高层建筑进行分析，发现对于超高层建筑来说，结构整体高宽比、核心筒高宽比和核心筒所占面积比例是影响超高层建筑的关键因素。

对于上海中心来说，由于核心筒尺寸较小，导致核心筒的抗侧刚度较弱，因此，如何有效提高外部框架结构参与塔楼整体工作，成为了结构体系选型的一个关键问题。

通过对多方案的比较，上海中心采用了“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”结构体系，该结构体系突出的优点是一方面结构效率很高，可以充分利用结构材料抵抗重力和水平荷载，从而降低结构造价，另一方面，该体系为建筑创造了外立面大空间的感觉，从而最大限度地提高建筑外立面的通透度。

结合建筑“垂直城市”的概念，结构设计从下到上也分为9 个相同区段。

塔楼内部的核心筒与外围的巨型框架柱通过结构加强层（建筑设备层、避难层）中的伸臂桁架有效地联系在一起，从而形成了完整的结构体系。

设计过程中采用BIM 技术将结构设计与建筑设计以及机电设计结合起来，从而大大提高了多个专业之间沟通的效率，降低了出错率。

3外幕墙支撑结构设计
如何实现上海中心扭转上升的外立面幕墙是整个塔楼设计的一个关键，该幕墙突出的特点是几何造型非常复杂，同时，幕墙的视觉效果要求很高。

在幕墙支撑体系的比选阶段，结构曾提出了刚性三向网格支撑方案，该方案的优点是结构变形小，施工难度较低，但是，该方案对建筑外立面影响较大。

基于建筑幕墙轻盈的要求，最终采用了柔性吊挂支撑结构体系。

幕墙支撑结构体系采用分区吊挂的形式，分设底部1 区幕墙、中部2~8 区幕墙（典型区）、顶部塔冠幕墙共三个独立区段。

采用分区布置后，可有效降低幕墙支撑结构与主体结构的相互作用，从而减小结构构件内力，优化构件截面与形式。

各区幕墙支撑体系均为独立的基本单元，并且采用相同的结构体系，具体为“悬挂钢结构+ 径向撑杆+ 水平斜撑”的幕墙支撑体系。

根据建筑平面扭转形态，支撑结构为相应在平面尺寸向上逐步缩小并每层旋转1°的径向支撑，并通过环梁与吊杆悬挂于各区的设备层。

4关键节点设计
该方案的优点是结构支撑构件布置与建筑幕墙分隔合二为一，结构与建筑协调统一，但是，该方案对结构设计以及施工提出了巨大的挑战。

由于采用柔性体系，幕墙结构与主体结构之间在重力荷载以及水平荷载作用下会产生变形差，如果不能有效地释放该变形差，将会导致幕墙结构与主体结构发生碰撞，最终导致玻璃幕墙发生破坏。

为解决变形差问题，结构设计在幕墙水平支撑以及吊杆底部采用了伸缩支座，该支座有效地释放了幕墙支撑结构与主体结构之间的变形差，从而保护了幕墙支撑结构自身的结构安全性。

为了准确确定该伸缩支座的滑移量，结构分析过程中综合考虑了外幕墙在重力荷载、风荷载、地震作用、温度变形以及施工过程中的内力和变形情况，经过大量的分析与试验研究，最终完成了伸缩支座的设计，从而保证了上海中心外幕墙的安全性。

三结构体系特点
上海中心大厦结构采用了“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”抗侧力结构体系。

图4 为该结构体系组成,其特点如下:
（1)巨型框架结构由8 根巨型柱、4 根角柱以及8道位于设备层两个楼层高的箱形空间环带桁架组成,巨型柱和角柱均采用钢骨混凝土柱。

巨型柱与角柱平面如图三所示。

（2）在初步设计阶段,从结构整体受力、变形、用钢量以及施工过程等因素综合考虑,研究设置5道、6道和8道伸臂桁架等不同方案对结构的影响,最终确定了沿结构竖向共布置6道伸臂桁架,分别位于2区、4区、5～8区的加强层,结构剖面图见图5所示。

伸臂桁架在加强层处贯穿核心筒的腹墙,并与两侧的巨型柱相连接,增加了巨型框架在总体抗倾覆力矩中所占的比例。

（4)竖向荷载的传递,通过每道加强层处的环带桁架将周边次框架柱的重力荷载传至巨型柱和角柱,从而减小了巨型柱由于水平荷载产生的上拔力。

另外,在每个加强层的上部设备层内,设置了多道沿辐射状布置的径向桁架,径向桁架不仅承担了设备层内机电设备以及每区休闲层的竖向荷载,而且承担了外部悬挑端通过拉索悬挂起下部每个区的外部玻璃幕墙的荷载,并将荷载传至环带桁架、巨型柱以及核心筒。

三建筑特点
1．节能环保
设计方此前就表示大楼将采用多项最新的可持续发展技术，达到绿色环保的要求。

此次环评公示显示，在主楼顶层计划布置72台10千瓦的风力发电设备，对冷却塔进行围护以降低噪音，而绿化率将达到31.1%。

主要的技术指标包括：室内环境达标率100%；综合节能率大于60%；有效利用建筑雨污水资源，实现非传统水源利用率不低于40%；可再循环材料利用率超过10%；实现绿色施工；实现建筑节能减排目标。

此外，“上海中心”的造型也极大程度地满足了节能的需要。

它摆脱了高层建筑传统的外部结构框架，以旋转、不对称的外部立面使风载降低24%，减少大楼结构的风力负荷，节省了工程造价。

同时，与传统的直线型建筑相比，“上海中心”的内部圆形立面使其眩光度降低了14%，且减少了对能源的消耗。

2.电梯速度
上海中心大厦的快速电梯由三菱公司设计，负责将乘坐者送上空中大厅。

这种电梯采用加压舱设计和可以发电的转换器，能耗减少30%。

上海塔的快速电梯最大速度超过每小时40英里（约合每小时64公里）——正常情况下为这一速度的一半——是世界上速度最快的电梯。

这座摩天楼将安装106部电梯，其中有7部为双层电梯。

3.高空展览
上海中心大厦除了第118层和119层作为主要观光层开放让游客体验外，大厦的125层和126层也将建观光区，高度分别达到580米和583米。

上海中心大厦还将举办巅峰艺术展和视听表演。

收藏家马未都打造的观复博物馆已宣布入驻“上海中心”，“金器馆”“宗教馆”“中西文化交流馆”“瓷器馆（宋）”等在2015年大厦建成启用后向公众开放。

台湾诚品生活也与上海中心大厦签署了租赁意向协议。

四结论
(1)上海中心大厦超高层建筑采用了“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”抗侧力结构体系,主要抗侧力构件中采用钢、钢骨混凝土以及钢板组合剪力墙等延性较好
的材料,提高了结构耗能能力。

结构整体分析表明,塔楼抗侧刚度和承载力均满足相关规范以及抗震超限审查会专家提出的要求。

(2)上海中心大厦综合考虑了建筑场地特征、结构功能与重要性、投资与效益,并按照相关规范的要求,明确制定了抗震性能化目标,对结构的抗震设计具有重要意义。

(3)结构整体分析表明,结构承载力主要由中震控制,侧向变形主要由风荷载控制。

对结构的风工程、地震工程进行了细致研究,所得结论对类似超高层建筑具有一定的借鉴作用。

(4)巨型柱自身受力的合理性是保证结构完整性以及充分发挥抗侧力结构体系特点的关键。

通过对巨型柱钢骨布置、承载力以及延性的分析与比较,确保巨型柱的安全性。

核心筒是整个结构最重要的抗震防线,其底部加强区的安全关系到整个结构体系的安全性。

(5)超高层建筑结构用钢量是影响结构造价的一个关键因素。

上海中心大厦结构设计中,通过细化钢材用量分布,并结合结构整体受力特点,从结构分析、结构构造以及对相关规范深入理解等方面入手,合理地降低了材料用量,经济效益明显。