高層建筑群的多維度復合設計
——重慶來福士廣場工程復合設計創新

張懷金，王雋，曹平，鄧小華

（1凱德中國，上海 200001；2重慶市設計院，重慶 400015）

高層建筑群的多維度復合設計
——重慶來福士廣場工程復合設計創新

張懷金1，王雋1，曹平1，鄧小華2

（1凱德中國，上海 200001；2重慶市設計院，重慶 400015）

重慶來福士廣場項目由著名建筑師摩西-薩夫迪設計，包括8棟250m到380m的超高層塔樓，空中連廊，6層裙房以及3層地下室，建成后將成為重慶新地標。該項目總建筑面積約113萬㎡，包括辦公、商業、酒店、服務式公寓、高層住宅和交通樞紐等多種業態。該文主要介紹了這個超大型項目的多維度復合設計過程和工程創新。該項目中運用到的創新和前沿技術，標志著中國重要城市（如重慶等）的高層建筑群的設計和建造水準。

高層建筑群；性能化設計；阻尼器；組合伸臂系統；伸臂墻；重慶來福士；超高層結構設計

1 項目介紹

重慶來福士廣場項目位于長江及嘉陵江交匯處，極具象征意義：既是重慶輝煌過去的標志，也代表著城市蓬勃發展的現在和未來。作為古代舉行朝圣儀式的地點和最重要的古城門，朝天門一直是重慶歷史性的地標。朝天門最初作為重慶在長江上游的碼頭區，代表了水路航運的偉大傳統，激勵著這個內陸城市的發展，并推動著重慶成長為中國最重要的現代化城市之一。

項目位于長江航路上，以揚帆的設計形象呈現于水面上（圖1）。八棟塔樓的外立面為朝向北面江水的通透表面，讓人回想起古老的中國船隊，乘風揚起白色風帆。各塔樓彎曲的立面以及在船首弧形的布局，極富動感——寓意這個大城市攜水運商業遺產的認同，奮勇前進。其形象簡潔易辨識，兼具標志性。該項目作為城市對外門戶的標志，亦是城市半島巔峰的創新形象。各塔樓的南立面（弧形內側）以柔和弧度回望城市，覆蓋著綠色的空中花園下達裙房屋頂，裙樓屋頂本身也是一個綠色的圓形劇場狀公園，包含花園、泳池以及公共交通系統等。這個公園化的屋頂場地緩緩向北傾斜升高，優化了透過塔樓間（包括住宅、辦公以及酒店）的望江的視野，并最大化項目面向城市的景觀。該項目是一個113萬㎡的大型綜合體，包含辦公、商業、酒店、服務式公寓以及高端住宅，同時在項目的不同平面涵蓋了交通樞紐和公共交通系統。本文闡述重慶來福士的多維復雜施工，也介紹項目創新點和使用的前沿技術，這些創新與技術標志著像重慶這種超大城市中，超高層建筑群可以達到的水平。

圖1 重慶來福士廣場

2 多維度設計及規劃

項目設計經過了全面的多維度規劃，以服務于不同樓層，不同業態的人群、交通和功能區，如圖2所示。在裙房屋頂平面以下，裙樓有6層公共空間（約200,000㎡），包括商業、文化設施、陸路和水路交通樞紐 （約有168,000㎡供交通及停車使用）。

城市現有交通干線從南側切入，創造了更多的商業街和大型回廊，提供了一個強大、流暢的動線，使項目融入到城市中。同樣，港務區域不僅包含客輪碼頭的功能，還包括景觀步道、外部商業設施等，把項目的公共功能延伸到港口。進入項目的交通流線，在不同的標高都規劃得細致而簡捷：公交巴士、軌道、汽車和游船均有直接的入口，能夠便利地環通商場、文化中心、住宅、辦公樓以及酒店。

兩棟主塔樓北面直接面向兩江交匯處，是項目最高的結構（約348m，75層）。項目的中軸線，沿兩棟塔樓之間與城市中心交匯。在兩棟最高塔樓的后方，四棟較低塔樓（約49層）延伸著弧線。一個位于空中248m的空中花園連接這四個塔樓（其中兩棟為約196,000㎡的辦公樓，兩棟為住宅），與下方的裙房屋頂花園相呼應。空中花園兩端建有令人驚嘆的觀景平臺，提供眺望重慶市貌的最佳視野。在空中花園樓層，包含有酒店大堂及相關功能，而其上為花園和泳池。同時大堂連接著項目最高雙子塔的上部樓層，約34層的酒店房間可以俯瞰重慶絕佳的景觀。剩余兩棟獨立的塔樓為住宅，57層高，為項目提供了約302,000㎡的高級居住單位，并與其余六棟塔樓形成了完整的圓弧。這兩棟塔樓的位置和朝向能夠獲得最大的視野，并最大限度地利用陽光。與其余四棟較低的塔樓類似，它們朝南的單位均有懸掛的花園，為城市提供了郁郁蔥蔥的綠色景觀。

3 組合工程系統

在中國，高層建筑的設計和施工需要嚴格考慮風和地震的影響。現行國家抗震設計規范（MHURD，2010和2011）引入了性能化設計的方法，要求結構復雜的建筑需分別滿足在三種超越概率（63%、10%、2%-3%）的地震情況下的抗震要求。在許多情況下，高層建筑的設計也需滿足“兩水準”的抗震要求。對眾多沿海城市來說，風荷載是另外一個需考慮的因素，在這些地方臺風起控制作用。結構工程師通常需面對來自風和地震的雙重挑戰，同時需要保證整體結構和空間使用的效率。目前，類似于阻尼器和隔震支座的耗能裝置更廣泛應用于高層建筑中，以提高在災難性荷載下的整體結構性能，而不是僅靠增加鋼材及混凝土用量，使整體結構變得巨大并造價高昂。

3.1 空中連廊一體化工程策略

重慶來福士廣場所有250m塔樓均采用型鋼混凝土框架-核心筒結構。空中連廊的工程設計，容許連廊與其下四個塔樓結構間進行半連續的連接。圖3（a)展示了整體結構設置。在連廊主結構和塔樓支撐結構之間采用了摩擦擺支座（FPB）和液壓阻尼器。經與幾家支座廠家的詳細征詢，最終確定了摩擦擺式支座摩擦系數為5%。摩擦擺支座和粘滯阻尼器共同作用，消耗掉不同水平地震作用下的能量，減小塔樓與連廊間的相對位移。整體工程設計亦創新性地利用了空中連廊的質量，消耗地震能量并控制塔樓結構的橫向變形，最終促進質量阻尼機制的實施。圖3（b）展示了質量阻尼效應在不同水平地震作用下控制塔樓基礎剪力的整體效果。一般來說，在空中連廊及塔樓結構間運用這種創新設置，可以減少35%至40%的基礎剪力，從而極大地節省了結構柱和核心筒中的建筑材料用量。項目的結構設計方案解決了重慶6.5度地震區的多個結構超限問題。

圖3 空中連廊工程體系

四棟塔樓與連廊進行了振動臺試驗，以驗證中震到大震作用下質量阻尼機制的有效性以及建筑結構的可靠性。圖4（a）展示了不同水平地震作用下的模型設置，圖4（b）展示了振動臺模型中縮尺比例1:25的支座細部構造。地震模擬振動臺試驗的目的是驗證設計計算和結構假定的合理性，同時可以確認薄弱部位，為加強措施提供指導。整個模型、振動臺及配重的總重量約為252t。考慮到振動臺的承重能力，四個塔樓的模型放置在兩個可以同步振動的振動臺上，模擬不同方向、多種烈度的地震。物理模型的制作采用具有適宜彈性模量和強度的材料：混凝土材料采用相應強度等級的砂漿模擬，鋼筋用鋼筋模擬，型鋼截面采用焊接角鋼模擬。依據國家地震規范（MHURD,2010），在實驗室進行了6.5度區直至大震強度的振動臺實驗，結果證明塔樓的結構設計在不同水平地震作用下是合理的。

圖4 相連塔樓的振動臺試驗

3.2 組合伸臂桁架系統

在重慶來福士廣場兩棟380m高的超高層塔樓結構設計中，避難層采用了一種新型的鋼-混凝土組合伸臂桁架+軟鋼阻尼器的體系，其中的鋼桁架嵌入在鋼筋混凝土伸臂墻里，如圖5（a）和圖5（b）所示。鋼桁架和混凝土伸臂墻共同作用，提高塔樓結構在極端荷載作用下的整體結構性能。同時，軟鋼阻尼器也作為一種保險絲裝置，用于組合伸臂和巨柱結構之間。按照設計，軟鋼阻尼器在中震到大震的作用下首先屈服，以保證組合伸臂體系中重要結構構件的整體性。這樣，組合伸臂體系中鋼筋混凝土構件不會出現脆性破壞。圖5（c）表示了結構工程軟件（ETABS，2010）針對組合伸臂體系，在不同水平地震作用下得到的數值模擬結果。該設計可以讓承包商突破在避難層的鋼結構伸臂桁架進行長時間焊接的關鍵路徑，擺脫核心筒與伸臂墻之間的節點焊接工作，率先豎立核心筒。這將有助于縮短塔樓的總體施工工期。根據相應的驗證試驗，軟鋼阻尼器在小震和中震地震作用下可以有效工作，提高整體結構性能。通過有限元建模分析和物理構件試驗，驗證了組合伸臂體系的有效性。圖6（a）展示了整體模型設置以及循環作用下的荷載-位移曲線。有了保險絲設備的低屈服鋼軟鋼阻尼器的有效保護，組合伸臂體系在地震作用下具有足夠的延性。

圖5 帶阻尼的組合伸臂系統

3.3 新型構件及系統試驗研究

通過組合伸臂桁架模型上關鍵構件和整體體系的試驗研究，揭示了在不同水平下單調及準靜力往復荷載的詳細結構響應，如圖6所示。試驗中參考了多種國際組合結構和節點的規范 （BSI 2005;AISC 2005;SCI&BCSA 2002）。在研究過程中，特別關注了以下幾個方面：承載能力和變形特征，應力分布和集中，節點耗能能力以及典型失效模式和損壞位置。

圖6 帶阻尼的組合伸臂系統研究

3.3.1 組合伸臂的構件試驗

在單調和準靜力的往復荷載作用下，分別測試了兩組組合伸臂構件，包括鋼支撐、預埋鋼構件和混凝土伸臂墻。觀測并研究了荷載-變形特性、鋼構件的應力發展以及混凝土裂縫發育等多種關鍵結構響應。這亦為研究在單調及準靜態往復荷載作用下組合伸臂構件的荷載-變形特性和破壞機理提供了有價值的理解。在這系列物理試驗中未包含低屈服鋼阻尼器。

3.3.2 帶有鋼阻尼器的組合伸臂系統研究

這組試驗研究了組合伸臂系統的整體性能，包括低屈服軟鋼阻尼器，以及連接框柱和核心筒的組合伸臂構件。在單調和準靜態往復荷載作用下，詳細研究和測試了組合伸臂系統的荷載-變形特性，對其中關鍵構件的破壞和失效模式也進行了考察。

在單調加載試驗中，每個加載梯度為預估總承載力的5%，在接近構件失效時降低為2.5%。為確保加載單元與構件直接牢固接觸，施加加載為預估總承載力15%的預加載。對于準靜態往復加載試驗，采用了位移控制的方法，控制位移分別為±Δy/2,±Δy,±2Δy,±3Δy,±4Δy,±6Δy，Δy代表鋼節點在第一個屈服段的位移。這種加載程序同時確保了適當的預加載以及充分的控制位移，得以測試這個組合節點的整體延性。試驗同時也考慮了ASTM(2011)和Lou&Wang(2015)中提到的測試方法和步驟。

3.3.3 數值模擬

在單調荷載作用下，考慮幾何和材料非線性，運用通用有限元分析軟件ABAQUS(2014)建立了三維有限元模型，得到了彈性和大變形塑性階段伸臂系統的荷載-變形特性，并對多種結構性能進行了研究和測定，包括承載能力、荷載-變形曲線、應力分布和集中等。

圖6（b）是三維有限元模擬的結果：證明“保險絲裝置”具有足夠的延性，同時在大震作用下，混凝土伸臂墻上的裂縫也能受到有效的控制。同時它也表明鋼支撐+混凝土伸臂墻能夠與低屈服鋼阻尼器協同有效地工作，并通過試驗展示了良好的承載能力和耗能性能。這些研究加深了對這種新型伸臂系統的詳細的認識。這種組合體系具有很好的應用前景，能加強在極端荷載作用下高層結構的整體結構性能。我們為建立這種新型組合伸臂系統的參數研究和新設計方法，進行了很多的分析和數值研究。

4 結論

本文闡述了重慶來福士廣場的多維復雜設計，同時也介紹了項目的創新點和前沿技術應用情況，其中兩個突出的要點分別是：（1）多維度規劃與設計。現代化綜合體項目的規劃和設計需要包含不同的商業功能（休閑和娛樂）和不同的交通方式，這就需要對項目進行多維度的規劃和設計，在多層面上滿足交通流通和功能需求。（2）復雜工程系統。項目需考慮多種類型的荷載、抗震和抗風設計，同時還應具有多重抵御風險的能力，該項目采用了新型的抗震、耗能設計。復雜的結構體系，采用現代數字分析技術+試驗方法進行輔助，可以高效快速地進行設計。

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

張懷金（1978-），男，山東濟南人，研究生，高級設計經理，主要從事建筑結構設計與工程管理工作。

王雋（1980-），男，中國香港人，博士，英國結構工程學會、英國土木工程學會院士，主要從事超高混合建筑的技術管理、創新和實踐工作。

責任編輯：孫蘇，李紅