世界最高错筒钢结构超高层建筑——广州广商中心结构设计
文/陈进、张凯仁、邓朗奇等
介绍
近日，广州广商中心项目顺利越过333.45m高程，实现主体结构封顶。广州广商中心塔楼冠高375m，359.5m高度设计有直升机停机坪。塔筒为偏置式，采用钢管混凝土结构。由巨柱框架、巨钢支撑、条形钢桁架和偏心支撑钢框架组成的复杂钢结构体系。主塔地面以上用钢量超过4万吨。该结构体系主要特点包括：柱在7层处倾斜转至地面，周边普通柱由两根条形桁架转换，外侧弯架与巨支撑不在同一平面，楼板不连续。 建成后，广州广商中心将成为我国目前最高的钢结构超高层建筑（注：统计不包括中国台湾地区）、世界最高的错层布置钢结构建筑。
为探究此项目的设计相关内容，《建筑结构》对广商中心塔楼结构设计主创团队SOM结构项目负责人陈劲进行了线上采访。
采访内容如下
《建筑结构》问1：本项目采用纯钢结构作为结构体系，不采用国内超高层建筑常用的组合结构。请问结构方案选择的主要成果是什么？经济性方面有哪些参考数据？
陈进：由于建筑平面核心筒偏心布置，主办公区域柱网为14~15m，且塔楼下部有大量柱子需要转换，为了减少结构自重，最大限度提高建筑净高，办公区域的楼板及框架很快确定为钢结构。
偏置筒最初设计时采用的是传统钢筋混凝土核心筒，经过详细分析我们发现，由于塔高近400米，偏置混凝土核心筒的长期收缩徐变较大，与核心筒相邻的钢管混凝土巨柱（收缩徐变最小）会产生较大的相对变形差异，导致该位置钢梁弯矩非常大，存在楼板开裂的风险，这也是我们最终决定将核心筒部分做成钢结构的重要原因。
核心筒确定为钢结构框架后，塔楼中上部的空间在电梯井减少后可直接转换成租赁空间，完全没有视觉阻碍，大大提高了塔楼的使用品质，也让整座塔楼的建筑表情更加通透、轻盈。
由于塔楼的抗侧刚度主要由办公区域的巨型斜撑和偏心支撑框架提供，因此将偏心核心筒区域的混凝土核心筒替换为钢框架实际上并没有增加结构造价，而且从根本上降低了结构造价。解决了偏心混凝土筒带来的塔楼质量偏心和刚度偏心的不合理结构状况。从结构成本、施工速度和建筑呈现等方面来看，业主对最终的结构体系非常满意。
《建筑结构》Q2：本项目结构设计最大的特点是什么？与传统的框筒结构相比，巨型结构在抗震性能、受力特性方面有什么特点？巨型柱的交叉体现了空间关系的复杂性，最终在设计和施工可行性方面如何体现？
陈进：该塔的结构设计最显著的特点可以概括为三点：1）偏置核心筒布置；2）巨型斜撑框架；3）底部市政厅柱转换。
本塔楼办公区三面采用的巨型斜撑框架，其抗侧刚度主要由巨撑和巨柱提供，对于巨撑体系而言，巨柱、巨撑限制了中间柱、梁的变形，在大地震下难以形成塑性铰耗能，所以我们将转角巨柱设置为双巨柱，巨柱之间的短钢梁则成为耗能梁，这样使得巨型斜撑框架在刚度和延性之间达到了较好的平衡。对于巨柱、巨柱这种复杂的结构节点，我们进行三维节点放样，配合有限元应力分析，最终的三维节点细化模型提交给施工图设计单位进行深化。
《建筑结构》Q3：本项目采用带斜撑的巨型钢框架结构，斜撑与建筑立面配合，采用外露形式。底层形成开放空间，突破了传统的将核心筒设置在中心的结构方案。针对小核心筒错开的影响，采取了哪些结构措施？在建筑立面的处理上，您是如何与建筑师达成共识，以达到建筑造型与结构体系的高度融合？
陈进：如前所述，为了避免传统混凝土偏置核心筒带来的质量偏心和刚度偏心引起的扭转效应，在偏置核心筒内采用钢框架可以大大削弱这种不利影响。在筒体与办公空间的交界处采用偏心钢支撑框架，不仅可以提供足够的刚度，还可以简化穿过钢连接梁的机电管线的专业配合。
多学科一体化设计一直是SOM的设计理念，在与建筑师充分沟通后，巨型斜撑成为塔楼建筑表达的重要特征。为了尽可能避免斜撑承受重力荷载，同时保证斜撑完全符合幕墙一体化，巨型斜撑实际上是与普通框架平行拆卸的。
▲巨型斜撑与普通框架平行断开
“建筑结构” Q4：通过这个项目的结构设计，您可以与同事分享哪些经验和难忘的时刻？
陈进：塔的功能和钢结构确定后，塔的自重基本确定，而塔的周期和结构刚度相关性较大，塔的风致加速度、舒适度控制与周期、振型有关。
为了使用最少的结构钢，最大程度提高结构刚度，SOM结构团队利用SOM自有的结构优化软件对塔架进行了多轮基于周期的优化，同时将优化后的结构动力学参数与风洞单元风加速度计算结果进行对比，经过多轮迭代，最终确定了周期/风致加速度/钢结构材料的最均衡方案。这一策略比单纯基于经验进行设计可以节省约20%的钢材。
另一个设计点是，美国钢结构超高层建筑的楼面体系通常采用轻质混凝土，以减少自重，节省钢结构成本。SOM团队一直希望在这个项目中使用轻质混凝土楼面，但广州市场的轻质混凝土楼面并不适合该项目，轻质混凝土的成本和供应并不理想，所以在最初的设计和施工图阶段使用了普通混凝土。直到塔楼完成1/3高度，业主对上部塔楼的建筑功能进行优化，最终确定了轻质混凝土供应商，才将中段以上楼板更换为轻质混凝土板。这也是国内首次大规模使用轻质混凝土组合板在超高层建筑中的尝试。
以下是该项目的细节和技术亮点。
项目概况
广州广商中心写字楼（简称广州广商中心）位于广州市番禺区琶洲岛中部，珠江南岸，广州广商中心地上建筑面积17.7万㎡，共61层，塔顶高度375m，结构屋面高度338m。地下室建筑面积3.3万㎡，共5层。塔楼外形尺寸约为57m×49.5m。
▲广商中心建筑效果图
塔楼采用钢结构，而7度区域有支撑的钢框架结构限高为240m，因此塔楼属于超高结构，根据目前国内外钢结构项目统计，该项目建成后将成为国内第一高钢结构超高层建筑，也是世界第一高错层布置钢结构建筑。
塔楼建筑面积8万余m2，抗震设防类别为重点设防类别（乙级），结构安全等级为I级，基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为7度钢结构建筑特点，设计基本加速度为0.10g。设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45s，小震阻尼比为0.02。50年一遇基本风压为0.50kN/m2，场地地面粗糙度为丙级。塔楼很高，采用圆角处理。
建筑设计策略与理念
本项目的设计理念是打造一座标志性建筑，从城市视角看，该项目成为规划开发区内天际线的制高点；从行人视角看，整座建筑被抬离地面22米，创造了一个壮观的“城市客厅”，形成了遮蔽、光线充足、充满活力的底层平面图。
塔楼首层，结构表达与建筑表达完美融合，形成富有力量感的空间，给人以独特的体验，下沉花园的设置将地铁通廊与首层连接起来，提供便捷的人行流通，通过独特的商业与景观体验将公共空间与私人领域融为一体。
▲底层城市客厅
从功能上看，共分为17个股东单位，每个单位有三层，其中一楼为大堂/展览空间，另两层为办公楼层，每个股东单位内均设置三层中庭，以提升垂直空间，为日后的楼层规划提供灵活性。
塔楼底层为两层办公租户配套设施，以及两层回馈城市的办公空间，塔楼顶层设有直升机停机坪。
本项目将高效水冷式冷水机组布置在屋顶机房内，尽可能提供开放空间，强化“城市客厅”的设计理念，冷却塔与建筑顶冠设计有机结合，实现塔身全开孔顶冠，在提供充足通风的同时，还能减少风荷载。
塔楼的外形和立面直接响应了广州炎热潮湿的气候。建筑围护结构采用减小的窗墙比来控制来自建筑内部的热辐射，同时建筑的北、东和南立面也采用偏置核心筒朝西，减少了相邻建筑的近距离视野，增加了立面的整体稳定性。外墙的设计使阳光能够反射到更深的楼层。它还考虑到了立面遮阳装置的布置。
该塔采用了一系列高效措施，以减少其对能源、水和运营碳排放的影响。这些策略旨在将能源消耗量降低 45%（超过 ASHRAE 90.1 2007 基准），将饮用水消耗量降低 40%（超过 2005 年能源政策法案标准）。
结构体系
塔结构为偏心筒加斜支撑巨型框架钢结构，核心筒布置在塔平面西侧。为尽量减小塔结构偏心及因核心筒偏心引起的扭转效应，核心筒采用型钢结构。结构抗弯框架结构形式如图1所示。
▲图1 广商中心结构体系示意图
核心筒与相邻办公区接口采用抗震延性优良的钢结构偏心支撑框架，机电管线可在偏心支撑吸能梁下穿过，与机电专业实现更好的协同。
塔楼北、东、南三面为巨型框架，办公区四角共布置8根巨型柱。沿塔楼高度方向布置2根条形桁架与巨型柱，组成巨型框架体系。框架柱在7层向转角处倾斜，在4层分裂为两根斜柱，与底层转角处的8根巨型柱相连，形成42m×46m的大跨度无柱空间，见图2。
▲图2 大跨度无柱空间
此外，在塔楼的北、东、南立面均设置巨型斜撑（简称巨撑），以增强这三个面的抗侧刚度，巨撑与普通框架、带式桁架不在同一平面，避免了将重力荷载直接传递到巨型撑上。转角处两根巨柱之间的钢梁在地震作用下将起到类似于偏心支撑吸能梁“导火索”的作用，如图3所示。
▲图3 广商中心典型平面图
结构周边巨柱间的抗弯框架采用钢梁、钢柱；转角处巨柱采用钢管混凝土柱，在地震作用下具有良好的延性，同时其较高的刚度也有利于提高塔楼整体的结构效率。
巨型支撑外框架、内框架、偏心支撑框架和偏置圆柱框架共同作用，将垂直和水平荷载传递至基础，并通过筏板和嵌岩桩传递至地面。
塔楼内钢管混凝土柱及其他钢管混凝土柱的混凝土强度等级为底部C80、顶部C70~C60，钢板采用Q390GJ、Q390型钢。巨型斜撑、偏心支撑框架支座、大部分条形桁架构件采用Q390GJ型钢，条形桁架弦杆采用Q460GJ型钢，偏心支撑框架钢梁采用Q345GJ型钢，大跨度主框架梁采用Q345GJ、Q390GJ型钢，钢次梁采用Q345型钢。组合楼面混凝土强度等级为C30，所用钢筋为HRB400。
3.1 巨型支撑框架和带状桁架
塔身东、南、北三面均为巨型框架，配以巨型钢支撑，两座带状桁架分别位于4~6层（图4）和34~35层机电层，杆体采用Q460GJ高强度建筑钢材。
▲图4 外框及巨型支撑局部立面图
巨柱为矩形钢管混凝土柱，底部截面尺寸为4000×2000（核心筒侧巨柱截面尺寸为2800×2600），沿高度方向巨柱截面尺寸逐渐减小，在45层达到1900×900。从上部至屋盖处巨柱均采用箱形型钢截面，由1900×900逐渐减小至1900×600。1900mm的长边长度主要考虑用于巨型支撑的节点连接。
普通框架柱直接采用普通箱形钢柱，其截面由第4层的□1200×800逐渐减小到中带桁架以下（34-35层）的□1200×500，第35层以上为□1200×800，至屋盖层逐渐减小到□700×500。
巨型支撑与外框、条形桁架不在同一平面，而是外框、巨型支撑与矩形巨型柱连接，组成巨型斜支撑体系，提高了塔的抗侧刚度。楼面体系连接，对巨型支撑提供水平约束，但放宽竖向位移，如图5所示。结构底部巨型支撑截面为□1500×1200，向顶部逐渐减小为□600×600。
▲图5 大型巨型支撑平面图
3.2 内框及中柱底倾斜转换
塔楼东侧为约42m×46m的办公空间，中间有四根圆形钢管混凝土柱，间距15m，将办公区域划分为九个15m×15m的大开间，四根柱子在第7层开始倾斜，在第4层分支，然后向下延伸至底层与巨柱底部相交，如图6、7所示。
▲图6 7层以下中间柱倾斜转换示意图（带状桁架斜撑未画出）
▲图7 倾斜转换下的42m×46m无柱公共空间
七层及四层设置平面内支撑体系，在倾斜截面处将圆形钢管混凝土柱改为方形截面，方便底部与矩形巨型柱相交节点设计，与中柱连接的框架钢梁为400×800组合工字梁。
3.3 偏心支撑框架
偏心筒与办公区接口处的框架采用中间三跨偏心支撑钢框架，沿整个塔楼高度分布共17个避难夹层，为了使设有夹层的楼层（总高6.8m）远离偏心筒，使大楼侧面的电梯厅进入办公区时有全高高度。在17层夹层位置，偏心支撑框架支撑布置两层，但在夹层标高处不设置吸能梁，为了补偿该区域的刚度损失和避免本层偏心支撑连接角过小，此处设置了夹层柱，如图8所示。
▲图8 偏心支撑框架局部立面图
偏心支撑框架柱为矩形钢管混凝土柱，截面在结构底部为2000×1150，在结构顶部逐渐收缩至1100×800。偏心支撑框架中典型支撑为400×400工字钢梁，钢板厚度沿塔楼高度逐渐变薄。偏心支撑吸能梁高度根据建筑要求而定，不同楼层采用不同的梁高，梁高范围为750～900mm。
3.4 偏置圆柱抗弯框架
偏置圆柱的框架按弯曲钢框架考虑，偏置圆柱的柱子为矩形钢管混凝土柱，截面由底部的2000×500缩小到顶部的500×500，弯曲框架梁高为650～800mm，为工字钢。
3.5 网壳模型设计
楼面体系采用钢梁与闭口波纹钢板组合楼板，混凝土为常规C30混凝土，本工程楼面防火时间考虑为2h，典型办公室楼板厚度为125mm，上下层机电层采用200mm厚楼板，有利于机电层的隔音。
关键的设计难点
4.1 内框中柱倾斜转换
办公区内框架的四根中间柱在7层开始向外倾斜，在4层分支成8根倾斜柱，与底层8根巨柱底部相连，将底层中部悬空，从而形成了一个类似巴黎埃菲尔铁塔底部的大跨度空间，这个42m×46m的无柱空间作为城市公共空间。
这些斜柱将内部柱的荷载直接传递到巨柱底部，传力路径直接。斜柱在7层处的重力荷载水平分力将由下部斜柱以水平推力的形式传递到地面层的面内支撑上。
底层为钢筋混凝土楼盖体系，为避免低估底层平面内支撑钢构件内力（图9），在设计平面内钢支撑构件时忽略楼盖刚度，仅在底层设置竖向约束，忽略塔楼地下室以外的部分，所有斜柱的重力水平推力全部被底层平面内支撑所抵消。
▲图9 7层以下中柱倾斜转换力传递示意图
4.2 地下室外框架支撑水平力的传递
为简化地下室结构施工，便于与建筑布置协调，塔楼上部钢巨支撑到达底层后不再延伸至地下室，而是在地下室巨柱附近设置剪力墙，如图所示。10、底层巨柱之间的受拉梁加固，按钢筋混凝土梁处理，每面剪力墙总长度不小于14m（厚度800mm）。
▲图10 地下室巨支撑剪力传递
靠近巨柱端部设置后浇接头，防止过大的重力荷载通过巨柱传递到剪力墙上。
4.3 巨柱、巨支撑及斜柱稳定性分析
采用ETABS对7层以上6个区域的巨型柱进行线弹性屈曲分析，如图11所示。
以区域4巨柱整体屈曲研究为例，在进行区域4巨柱屈曲分析时，保留区域5和区域3中的构件，以保证考虑上下部构件对巨柱的约束刚度。保留区域4和区域5，在区域4顶部施加上塔累计荷载，在区域3底部与分析模型刚性连接。
▲图11 巨型柱屈曲分析
根据上述模型计算得到区域4在X方向的屈曲模量为16.3，在Y方向的屈曲模量为13.7。
4.4 复杂节点三维有限元分析
参照中国规范体系及SOM的工程经验对钢管混凝土巨型柱节点区域的加劲肋进行多轮优化设计，在保证节点力传递路径清晰可靠的前提下，尽可能控制加劲肋的数量和间距。
在超限评审过程中，有专家指出，节点区域加劲肋存在较多缝隙，实际混凝土浇筑及振捣过程中，可能无法完全保证整个节点区域所有缝隙都被混凝土填满。
考虑到这一现实情况，利用软件STRAND7对多个关键节点进行了有限元应力分析，分析表明节点满足中等地震弹性的性能目标，图12(a)显示了地面处的角部巨柱与巨支撑和中间斜柱的相交节点。
▲图12 中震弹性条件下巨柱、巨支撑及斜柱节点在地层中的应力图
主要分析结果
5.1 周期
塔楼整体结构采用ETABS、SATWE两个软件进行计算，本文弹性分析结果均为ETABS模型的计算结果，塔楼结构周期见下表，由于该塔为偏心圆柱布置，在整个结构体系中，东、北、南侧三个巨型支撑架及西侧偏心支撑架刚度配合良好，从根本上解决了偏心圆柱结构扭转周期、扭转位移比大的技术难题。
结构循环
5.2 弹性楼板位移角
如图13所示，与小震相比，风荷载作用下的层间位移角是结构设计的主要控制因素。钢结构规范规定钢结构层间位移角的限值为1/250。设计团队综合评估了塔楼在风致加速度下的舒适度控制、建筑幕墙节点设计等各方面，在不增加结构构件用钢量的情况下，将塔楼层间位移角控制在1/400的经验限值内。
▲图13 构造层间位移角
5.3 强震下结构屈服
采用有限元软件PERFORM-3D对塔楼进行非线性时程分析，考虑几何非线性和材料非线性，构件破坏准则采用美国FEMA 356和ASCE/SEI 41-13标准推荐，控制按抗力规定进行。
8级地震作用下的弹塑性时程分析结果表明：大范围吸能构件进入塑性状态并消耗能量，地震能量基本耗散钢结构建筑特点，仅少数关键构件屈服进入塑性状态，塔楼整体抗震性能尚好，如图14所示。
▲图14 强震作用下吸能构件的屈服
8级地震下构件的屈服顺序为：偏心支撑框架吸能梁→周边框架梁（主要是巨柱间框架吸能梁）→偏心筒框架梁→偏心支撑框架→外框架框架柱→巨型支撑→巨型柱→条形桁架。
项目建设过程照片
▲巨型柱结构的加工
▲一楼转换柱和巨型柱的交点
▲一楼市政厅的钢结构
