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一、引言
在中国科协、中国建筑学会的指导下，由高层建筑人居环境学术委员会、奥雅纳、华东建筑设计研究院联合主办的2021结构设计年度论坛于5月28日在重庆来福士成功举办。作为本次论坛的主要策划人之一，我提出了论坛的主题“挑战空中连接，重塑垂直城市——高层建筑架空桥结构多样性的挑战与解决方案”，王亚勇大师在演讲和总结发言中多次提到这一点，我很欣赏本次大会主题选得好，在国内还是第一次举办如此密集的专题研讨会。在本次论坛上，我还代表奥雅纳做了题为《从新加坡金沙酒店空中花园到重庆来福士水晶廊桥》的主旨演讲。 报告对比了新加坡滨海湾金沙空中花园和重庆来福士水晶廊两个地标项目不同结构设计方案的挑战和技术亮点，重点回顾了重庆来福士水晶廊结构的设计思路，总结了一些空中连体的多样性。
二、项目概况
1. 建筑概况
1）实景效果图
2）项目简介
新加坡滨海湾金沙酒店
重庆来福士
所有者
威尼斯人滨海湾金沙酒店（新加坡）
凯德置地
建筑师
项目：Moshe Safdie & Associ
执行建筑师：Aedas
项目：Moshe Safdie & Associ
P&T 执行建筑师
奥雅纳服务
结构、土木、消防、安全、声学、外墙、交通
岩土、结构、消防和可持续性设计服务
3）建筑师萨夫迪的创意草图
@萨夫迪
4）平面图
注：黄色区域为无边泳池
桥梁高度（m）
总长度m
接头跨度 m
最大悬伸m
泳池长度 (m)
金沙酒店
200
340
55
65
150
重庆来福士
236
300
50
二十七
50
2. 关于风荷载
1）海滨和河畔
@Arup
2）金沙酒店风荷载值。新加坡风荷载采用美国标准，基准风速为3s间隔风速。
3）重庆来福士风荷载。国标风荷载以10分钟基本风速计算。风洞试验考虑到江河最低水位常年低于场地标高近20m，节理高度达到近270m。根据风洞试验结果，折算成美标风荷载如下。
@Arup
3 结构布置及计算结果
1.结构布局
@Arup
金沙酒店空中花园无边际泳池施工现场，泳池采用模块化不锈钢结构。
@Natare
无边际泳池采用了500多个千斤顶来调整各塔不均匀沉降、压缩变形造成的无边际泳池的倾斜。
@Natare
2 结构模型及计算结果
1）结构模型
@Arup
2）金沙酒店测算结果
金沙酒店三座塔楼采用核心筒+剪力墙+腰桁架形式，主要结构材料为混凝土，腰桁架为钢结构。
结构系统@Arup
塔楼高度175m，L55顶点位移45mm（H/3888）
L23中层位移8mm，最大层间位移角度H/2300
塔楼高度175m，L55顶点位移85mm（H/2058）
L23中间位移30mm，最大层间位移角度H/1600
3）重庆来福士计算结果
四座250米高的塔楼采用框架+核心筒+3个腰桁+2个伸臂桁架的结构，垂直构件采用SRC，楼面为混凝土。
结构系统@Arup
@Arup
3. 桥梁支护
1）总共有：
8个双向滑动支架+2个单向滑动支架+2个固定支架
悬臂端设置3+2个单向滑动轴承
2）重庆来福士水晶廊
除 T3S 拥有 8 个 5% 摩擦摆（FPB）外，其余三座塔均拥有 6 个 5% FPB。
每座塔均配备额外 4 个粘滞阻尼器
@Arup
4. 伸缩缝详细设计
1）金沙酒店空中花园伸缩缝设计
风荷载作用下伸缩缝预留宽度为250mm，重力伸缩缝预留宽度为150mm。
@Arup
2）重庆来福士水晶廊道抗震缝设计
300m长的水晶廊未设变形缝/抗震缝，但水晶廊及为消防疏散设置的两条小廊道T3N、T4N和北侧最高的两座塔楼T3N、T4N均设有抗震缝钢结构连廊设计，见下图。
主悬臂桁架抗震缝宽度按大震预留，次结构抗震缝按小震/50年一遇风预留，因此刻意设计了创新的节点形式。
@Arup
4. 振动舒适度
1. 金沙酒店空中花园和重庆来福士水晶廊由于悬臂较大，分析显示均存在楼面舒适度问题，两个项目均采用了TMD的解决方案。
@Arup
测量的模态特性与预测值相一致。模态试验结果表明，悬臂梁的频率和振动模式与预测结果具有很好的一致性。即使在由于不受控制的舞蹈事件而产生共振响应时，Skypark悬臂的强度也被证明是足够的。
5吨TMD的目标是将悬臂梁的阻尼提高1%，既解决了行人引起的楼面振动的舒适度问题，又解决了风振下大悬臂端部的振动问题。TMD使风作用下的振动声降低30%。为了兼顾实际运行的不确定性或改造的灵活性，设计特意为两台5吨TMD预留了空间和载荷。
2. 重庆来福士水晶廊
水晶长廊的悬臂虽然不大，只有20米，但在建设后期，随着网红打卡风潮渐起，业主考虑在两端增加7.5米的悬臂玻璃平台用于商业用途，总悬臂长度达到了27.5m。为了满足不同的观光运行要求，验证行人、人群、舞者的舒适度，一台450kg的TMD基本可以满足上述工况的减振要求。
@Arup
@Arup
@来福士城
设计回顾和一些思考
1.连接形式
1、架空连体结构设计的关键是连体结构与塔架的连接方式，目前常见的连体结构连接形式有以下三种：
CCTV@奥雅纳
2. 重庆来福士水晶廊设计回顾
1.连接形式
在设计阶段，奥雅纳研究了不同的连接方案，包括：
1）截断——截断！留缝+滑动支撑的手法类似金沙酒店Skypark。“截断”（留缝）方案分为四塔截断和塔楼截断。
@Arup
@Arup
抗震缝宽度由塔的变形情况决定，不同塔的振动形式不同，对抗震缝宽度的要求也不同。下图选取两座塔，研究其可能的变形组合。
@Arup
2）刚性连接形式
在第一次抗震会商中也有专家提出250m高度采用刚性连接更可靠，我们也研究了不同形式的刚性连接，包括四塔全刚性连接、部分塔刚性连接等不同的模式。
@Arup
@Arup
3）动态连接
动态连接并非完全固定的连接，而是根据不同的情况而动态变化的，其核心设计理念是利用摩擦摆+阻尼器组成组合式减震支撑。
@Arup
组合减震轴承样品@Arup
通过性能化设计，可以保证不同工况下采用不同的连接形式：
@Arup
3）三种连接形式的比较
2. 隔震支座选择（橡胶支座与摩擦摆）
目前主要的支座形式有橡胶支座、摩擦摆等，各自的优缺点如下：
由于橡胶支座承载力较低，需要的支座较多，支座尺寸也较大，对建筑空间要求较高。下图对比了摩擦摆和无锡圣丰、美国DIS的橡胶支座，橡胶支座的数量大约是摩擦摆的两倍，直径也较大。
@Arup
3、国产轴承与进口轴承对比
由于国产与进口轴承的材质不同，其强度值有明显差别，设计轴承的尺寸也有较大差别。
为了控制成本，国产轴承一般采用铸钢材质，而国外轴承一般采用不锈钢材质，二者在设计强度上有一定的区别。
摩擦副承载能力国内标准不允许超过45MPa，而国外可以达到60MPa
支架由德国 Maurer 设计
@Maurer
洛阳双瑞设计的支持
@SRSE
4. 无阻尼器与有阻尼器
1）重庆来福士在项目设计之初，并未考虑阻尼器，但随着研究的深入，以及不同方案的比较钢结构连廊设计，阻尼器的作用逐渐显现。
通过设计合理的粘滞阻尼器阻尼参数，在中、重震下可同时提供附加阻尼和阻尼力，减小连接结构的水平位移，从而减小摩擦摆支座的尺寸。减小空中接头的竖向响应，避免大地震下摩擦摆“脱钩”的风险。当接头结构响应速度加快时，阻尼器响应力增大，防止冲击的发生，保证连接机构不会超载。粘滞阻尼器作为隔震支座的限位/复位装置，提高空中接头结构支座的冗余度，解决空中接头支座的多防问题，粘滞阻尼器的设置还可以减小连接结构对下部主体结构的冲击。
@Arup
2）弹塑性分析表明，250m处可能存在竖向振动，在一定的地震波作用下，支座可能出现脱钩现象，选取脱钩最严重的工况，共计13个，最大脱钩位移约45mm，部分支座脱钩时间较长。
@Arup
3）不带阻尼的支架最大尺寸为3130x3130，重量为35.5t；带阻尼的支架最大尺寸为2290x2290，重量为19.6t，减轻重量近50%，降低了施工吊装难度，减少了对建筑空间的影响。
4）阻尼器的限制作用
欧洲标准EN15129 8.3.1.2.3禁止使用机械部件作为固定约束（限制装置约束环）
若采用常规的机械元件作为限位装置，通常存在以下风险：
• 拉链效应问题；
•限位装置的剪切力值无法准确获得，误差可大至+15%至-60%；
• 突然断裂产生大位移，后果难以预测；
•限位装置断裂后，结构处于浮动状态……
• 以及后期维护问题；
下图显示了滑块高速撞击支撑轮圈，以及轮圈设计承载能力不足而造成的损坏。
@Arup
粘滞阻尼器具有速度依赖性的特性，速度越大，产生的阻尼力越大，可作为摩擦摆的保护装置，或作为第二道防线。
5. 大阻尼指数与小阻尼指数
粘滞阻尼器的阻尼指数a较小。
@Arup
6 隔震支座位移安全系数讨论
由于支座位移与所选时程波密切相关，因此需要分析不同支座形式的安全系数，确定合适的安全储备。
@Arup
S1表示3个时间段下的安全系数，S2表示7个时间段下的安全系数。
S3表示3个时间段下的均方误差安全系数。
我们统计了不同时间进程分析的结果
美国规范规定，如果建筑物平面为正方形，则当质量偏心率为 5% 时，拐角处的位移会增加约 15%，而如果建筑物平面为细长形，则位移增幅会高达 30%。
3. 后记
重庆来福士水晶廊组合消能减震技术及其安装技术，于2021年7月5日在“山地环境复杂形态超高层建筑关键技术及应用”成果签约仪式上，经国务院专家委员会一致认定该技术达到国际领先水平，该技术还正在申请实用型专利。
