建筑师安东尼·高迪曾说过：“直线属于人类，曲线属于上帝”。然而，当“神转”真正出现在世间时，会是什么样子呢？
随着人类社会的发展，世界各地涌现了超高层建筑，其中包括不少扭转型建筑。扭曲超高层建筑以其多变的造型和广阔的建筑视野受到众多业主和建筑师的青睐。建筑师在许多地方提出了类似的大胆创新的结构。
扭曲的超高层建筑给城市景观增添了一道独特的亮丽风景。当你在欣赏它们壮观的外观时，你有没有想过，在这些华丽的外观背后，这些建筑的设计和建造是否存在差异？科学原理和自然法则。
1扭转结构的定义
高层建筑与城市人居委员会（CTBUH）将扭转建筑定义为地板或立面随着建筑高度旋转而变化的建筑，使建筑立面显得更纤细、更具变化性和建筑感。视野更开阔。
▲主体扭曲超高层建筑（CTBUH）
通常，建筑物形状的一定程度的扭转可以非常有效地减少建筑物的风荷载，并且不同的旋转角度对减少风荷载的效果不同。
▲ 各种非常规构型高层建筑的气动力和风压实验研究
从下图可以看出，对于矩形建筑，当其形状沿高度扭转180度时，在地震作用下的加速度和变形相差不大，但在风荷载作用下的加速度和变形可以有效地受控。
▲ 扭转体形状对风荷载作用下加速度和位移的影响（各种非常规构型高层建筑的气动力和风压实验研究）
下图为不同气动形状的建筑物在不同风向角度下的顺风（蓝色）和侧风（红色）基座弯矩的最大平均值和脉动值的比较。从图中可以看出，矩形模型扭转后，其平均风荷载和脉动风荷载都有不同程度的减小。 360度旋转对于风荷载的降低效果最为明显。与矩形相比，侧风风荷载降低60%以上。扭转建筑形状将优化超高层结构的抗风能力。
▲ 不同扭转形状的最大平均倾覆力矩系数对比
▲不同扭转形状的最大脉动倾覆力矩系数比较（各种非常规构型高层建筑的气动力和风压实验研究）
2 常见的扭曲建筑
达芬奇塔
最著名的扭转摩天大楼不得不提迪拜的“达芬奇塔”，最初由意大利建筑师大卫·费舍尔在2008年提出，每层楼都可以单独360度旋转，建筑物的形状每秒都在变化，看起来非常科幻。
▲达芬奇塔
达芬奇旋转塔由一个中央混凝土核心组成，里面装有重要的静态设施，如电梯、楼梯、管道和其他设施。这是该项目唯一必须在现场建造的部分。为了确保安全、成本效益和质量控制，每层12个独立单元均在工厂预制。每个单元都是独立的，包括所有必要的电气、管道和空调。这些装置附着在建筑物上并吊到塔顶。
▲装配式在达芬奇塔中的应用
整个建筑，除了混凝土核心之外，都是由预制单元组成，包括地板、管道、空调和所有装饰处理。由独立楼层组成，结构合理灵活，抗震能力非常高。
▲达芬奇塔建造说明
这些采用钢、铝、碳纤维等优质现代材料制成的预制装置在现场“机械”安装，缩短了施工时间，使用更少的工人，从而降低了现场风险，节省了50%的成本。
▲达芬奇塔
自从他宣布要建造一座80层、420米高的世界第一摩天大楼以来，已经过去了大约十二年。希望迪拜这位大亨这次能够真正兑现。
南京江北新金融中心
建筑设计：PCPA & ECADI
结构设计：ECADI
▲南京江北新金融中心
建筑高300m，规划采用“天圆地方”的理念。每层平面由底部的方形逐渐变为顶部的圆形，并在立面上略微内缩；而每层的形状发生变化，体形从下到上逆时针扭转30°，其中第一层扭转角度最大，以上各层递减。
▲ 建筑平面如何随高度变化
“密柱框架-核心筒”结构体系。由于斜柱在竖向荷载作用下会产生周向水平分力，为了提高结构完整性，在外框架内设置了环形桁架。
▲结构组成
与传统的框架-核心筒结构相比，水平荷载作用下的受力和变形特性相似。由于斜柱的存在，竖向荷载作用下的受力和变形特性与常规结构不同，需要特别注意。
台北桃竹隐园住宅楼
建筑设计：Vincent Callebaut Architectures SARL、LKP Design
结构设计：King Le Chang & Associates
▲ 陶竹隐园
陶竹隐园位于台北。它是一个原始的建筑地标，拥有垂直森林。因中国春秋时期陶诸公（范蠡）而得名。传承了他利己、利邻、利天下的理念，以公益精神回馈世界。 2016年被CNN评选为全球九大城市地标之一。
▲ 陶竹隐园
陶竹隐园的主体结构体系是整体建筑设计。建筑师从生命科学中获得灵感。建筑物的重心是一根主柱。从二楼到顶层，两侧楼层按顺时针方向向上爬升，旋转4.5度。整个建筑旋转90度，使其看起来像一个DNA螺旋。建筑将经典几何形状与现有技术应用相结合，拥有大面积的无柱空间。住宅空间内除阳台边缘外无柱，奇数层无内部柱），楼板至梁底净高为3.0米。
▲ 陶竹隐园
上部建筑共21层，标准层高3.6m，除去屋顶突出部分的建筑总高度78.75m。另21层上方有5m高的屋面结构桁架，3层共9.45m高的屋面突出物，故总高度为93.20m。下部结构共4层，地下室深度14.40m（不含隔震层和基层）。由于本工程设计为隔震结构，因此在地下4层下方设计了总深度为3.30m的隔震层，起到隔震作用。地震系统。
▲ 陶竹隐园结构概念图
▲ 陶竹隐园结构构成
从上图可以看出，为了使结构设计与建筑理念相呼应，解决旋转几何条件下室内无柱的问题，结构设计突破了传统梁柱结构的思维，三维框架的概念。项目上部结构由中央钢芯管、屋面悬臂桁架、两侧向上旋转的巨柱、两层开放式韦伯桁架等多个单元组成。各结构单元相互配合。
▲ 陶竹隐园巨柱排列
▲ 陶竹隐园空心桁架布置
▲陶竹隐园林结构体系
▲ 陶竹隐园建设进展
▲ 陶竹隐园
门罗大厦
建筑设计：Burka Architects；疯狂建筑师
结构设计：Sigmund Soudack & Associates Inc
▲ 门罗大厦 (@CTBUH)
绝对塔有 56 层。每层楼都有相同的椭圆，但随着楼层的升高，它们以不同的角度旋转。二维不变的56个椭圆平面就这样转变为性感且变化的三维表面。从1层到10层，每层旋转1度，从11层到24层，每层旋转8度，从26层到40层，每层旋转8度，从41层到24层，每层旋转8度第50层，每层旋转3度，最后6层旋转1度。
▲ 门罗大楼平面图（@CTBUH）
三维结构布局如下图所示。除了利用中间的垂直交通核心布置核心筒外，还利用房间的隔墙布置剪力墙，形成这种网格式剪力墙布局。布置在外围的剪力墙随着楼板边界的变化而向外延伸或后退。同时，为了使建筑更轻、更薄，外侧楼板全部采用悬臂板形式。
▲ 门罗大厦结构图（@CTBUH）
▲ 门罗大厦结构图（@CTBUH）
▲ 门罗大厦施工流程图
▲门罗大厦（@CTBUH）
深圳世茂前海中心
▲深圳世茂前海金融中心
作为全球首座45°旋转艺术建筑，世茂前海中心由“世界十大旋转建筑”第一名的上海中心大厦设计团队Genlser原班人马打造。突破工程限制和技术壁垒，采用全球首创45°旋转双旋转艺术建筑，完美呈现“上帝曲线”，在建筑美学和视觉呈现上达到极致美感和艺术性，创新城市面貌。
▲深圳世茂前海金融中心
该塔地下3层，地上67层。建筑高度324.5m，结构主屋面高度303.9m。从底层（52.5mx52.5m）到屋顶（42.8mx42.8m），塔楼每层相对下层绕中心点旋转约0.68°，总共旋转45°。
▲结构选型
在概念设计阶段，建筑师提出塔楼采用旋转缩回的造型，从最初的60°旋转到22.5°、30°、45°。初步研究表明，建筑物旋转角度较小时，风荷载变化不明显。当旋转角度超过30°时，风荷载显着减小。风洞试验结果表明，塔身旋转45°时，风荷载减少约10%。同时，初步结构分析结果表明，当楼板剪力分布接近箱体时，塔架不旋转时、旋转30°、旋转45°、旋转60°，除外框架旋转外在竖向荷载作用下，结构周期、位移角、内外筒剪力、弯矩分布比有很大差异。根据建筑造型和结构荷载受力特点，实施方案采用建筑45°旋转。
▲结构体系
该塔采用典型的框架-核心筒形式。外框架为钢管混凝土分段双向斜直柱+钢梁，核心筒为钢筋混凝土结构。
▲典型结构面
塔架在水平荷载作用下的受力及变形特性与常规框架核心筒相似，但在垂直荷载作用下则有较大差异。对竖向荷载传递路径的研究表明，各层竖向荷载按常规方式传递至外框架和核心筒后，当外框架部分荷载继续向下传递时，部分转化为沿柱轴的斜轴。力，另一部分转化为水平力，在外框架处形成水平力循环，在芯筒上产生扭矩。
▲垂直载荷传递路径
典型外框柱水平力与轴力之比：47层以下，约为0.3%~1.5%，水平力不超过555kN； 48层至57层约为3%~8%，水平力不超过502kN；在58层至66层，约为9%至28%，水平力不超过523kN。
▲ 楼板中拉力、压力和剪力的分布
这些水平力通过梁柱节点返回到外框周向梁和楼板径向梁，并通过梁与楼板的连接结构传递到楼板，与核心筒墙形成约10°夹角。地面。张力围绕芯筒呈30°分布，压力分布垂直于芯筒，剪切力平行于芯筒分布。剪切力和压力通过楼板与核心管的连接结构传递到核心管的外壁，在核心管的外壁上形成剪切流。
▲竖向荷载传递路径示意图
楼板竖向荷载传递过程中形成的水平力的特点：
(1) 每层梁柱节点处的水平力仅与本层竖向荷载有关，即每层外框架对核心筒的扭矩仅与本层竖向荷载有关层层堆积，不层层堆积；
(2) 每层芯筒的扭矩为本层外框传递的扭矩与上层芯筒传递的扭矩之和，即芯筒的扭矩逐层累加。核心扭矩以核心剪力墙中剪切循环的形式存在。
▲垂直载荷下扭矩分布示意图
与传统的框架-核心筒结构不同，这里的楼板除了连接外框架和核心筒并传递水平荷载外矩形钢结构支架，还传递竖向荷载产生的水平力。楼板的传力性能对结构的安全起着决定性的作用。
▲ 封闭剪力墙剪力循环
在重力荷载作用下，从楼板传递到核心筒的扭矩转化为核心筒剪力墙的剪力，在墙体上产生对角方向的主拉力。因此，楼板、梁、柱、核心筒之间的连接至关重要。
▲ 梁、柱与楼板连接示意图
柱、梁、板连接结构：从柱边缘向外在一柱直径范围内设置环向钢筋，加强柱与板的连接。同时在梁上设置螺栓，在外框梁的大范围内增加钢筋配筋率。
楼板与核心筒连接：楼板传递的剪力不超过剪力截面极限，并对楼板与核心管之间分布的钢筋进行抗剪滑移验算。
重庆高新太阳大厦大厦
建筑整体外观呈扭曲状，东西立面随高度扭曲旋转90°。这种独特的扭曲形状形成双曲表面，单层每层最大扭曲角度为8.8度。它将成为世界第一扭的有力竞争者。
▲重庆高科振动台模型
结构采用钢管（型钢）混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系，其中框架由混凝土钢管（CFST）柱和型钢混凝土（SRC）梁组成。竖向构件与建筑立面协调，外框架内形成空间扭曲的斜柱。
该结构在中层形成细腰形状。为了增强框架的整体性和斜柱之间的连接，在每侧斜柱之间设置了三个钢管混凝土斜撑，以分担上部荷载产生的竖向力，形成A空间扭曲的斜撑专栏网。
▲重庆高新建设照片（@CTBUH）
这里有很多扭曲的超高层建筑。由于篇幅限制，我们就不一一详细介绍了。下面主要介绍一些著名的扭转建筑的高度和扭转角度。
▲ 上海中心大厦
上海中心大厦是目前建成的最高的扭曲建筑，高632m。每层扭转约0.94度，顶层累计扭转120度。但上海中心的扭转造型是通过幕墙的扭转来实现的，而我们其他的扭转造型大多是通过侧向受力构件或楼板的扭转来实现的。幕墙扭转超高层结构的受力变形特征与常规超高层结构没有太大区别。
▲革命塔(@CTBUH)
巴拿马革命塔于2011年竣工，是一座高233m、53层的钢筋混凝土塔。每层扭转约5.94度，整栋建筑相对地面扭转315度。
▲进化塔(@CTBUH)
莫斯科进化塔高246米。每层楼相对前一层楼扭转2.84度。当它到达顶部时，扭转达到156度。
▲TurningTorso(@CTBUH)
该项目由西班牙建筑师卡拉特拉瓦设计。该塔共54层，高190m。每层楼均由围绕中心轴旋转的不规则五边形钢框架结构组成。螺旋中心大厦于2005年竣工，是目前瑞典和北欧最高的建筑。每层扭转约1.58度，顶部累计扭转90度。
▲TurningTorso设计草图（@CTBUH）
卡拉特拉瓦将人体运动抽象为围绕脊柱核心扭曲的七个立方体的堆叠。七个立方体围绕钢支架设置，形成类似于扭曲的人体脊柱的螺旋结构。
▲TurningTorso 平面图（@CTBUH）
▲无限塔(@CTBUH)
迪拜无限塔是一座 72 层摩天大楼，由 Skidmore, Owings & Merrill (SOM) 设计。施工于2006年开始，今年终于接近完工。塔的主要特点是它向上扭转的方式，每层扭转1.2°，从下到上完全扭转90°。
▲Infinity Tower建造过程（@CTBUH）
▲AI Tijaria 大厦 (@CTBUH)
AI Tijaria塔是一座扭塔，高218m，是目前科威特最高的建筑。每层扭转约1.85度，塔到达顶部时最大扭转为80度。托盘由一个中央圆形芯组成。
▲Mode学园螺旋塔（@CTBUH）
Mode学园螺旋塔位于名古屋的主干道上。教学楼高170m，36层。 2008年竣工，每层扭转约3度，顶部累计扭转114度。
▲钻石塔(@CTBUH)
沙特阿拉伯Diamond Towers公寓楼高432m，共93层。每层扭转约3.87度，顶部总旋转360度。
▲旧金山米拉大厦 (@CTBUH)
旧金山120m高的米拉塔由Studio Gang建筑服务公司设计，通过其复杂的凸窗设计实现了立面扭曲的效果。建设于2017年开始。
▲AvazTwist 塔 (@CTBUH)
AvazTwist Tower 位于波斯尼亚和黑塞哥维那萨拉热窝。这是一座高176m的摩天大楼，共39层。每层扭曲约1.54度，顶部累计扭曲60度。
▲加里大厦
盖里大厦是一座九层建筑，位于德国汉诺威。这座不锈钢建筑以其戏剧性的扭曲形状而闻名。
▲拉赫塔中心(@CTBUH)
拉赫塔中心位于俄罗斯圣彼得堡。建筑高度462m，是目前建成的第二高的扭曲超高层建筑。每层扭转1.05度，顶部累计扭转90度。
▲Ocean Heights(@CTBUH)Ocean Heights位于迪拜码头开发区，建筑高度310m。建筑物的三个立面从底座开始扭曲，随着塔楼的升高和塔楼平面尺寸的减小而变得更加明显。每层扭转约0.48度，顶部累计扭转40度。
▲United Tower（@CTBUH） 巴林United Tower大楼高200m，共47层。每层扭曲约3.8度，顶部总共扭曲达到180度。
▲Al Bidda 塔 (@CTBUH)
Al Bidda Tower 位于达夫纳地区中心的显着位置。建筑高度156.6m。它于2009年竣工。每层旋转约1.36度，顶端扭转60度。
▲socar-tower (@CTBUH)
Socar-tower 位于阿塞拜疆巴库。于2015年竣工，建筑高196m，共40层。每层旋转约0.5度，顶部累计旋转20度。
▲Supernova Spira (@CTBUH)
Supernova Spira 位于印度诺伊达。该建筑高300m，共80层。每层旋转约1.83度，顶部总共旋转146度。
▲阿尔马吉杜尔塔 (@CTBUH)
Al Majdoul 塔位于沙特阿拉伯利雅得。高232m，共54层。每层扭转约2.5度，顶部累计扭转135度。
▲忠利大厦(@CTBUH)
意大利忠利大厦高185m，共44层。每层扭转约1.43度，顶部累计扭转49.6度。
▲要点(@CTBUH)
The Point位于厄瓜多尔，于2014年竣工。建筑高137m，共36层。每层扭曲约2.9度，顶部累计扭曲90度。
▲四川广播电视中心（@CTBUH）
四川广播电视中心于2010年竣工，建筑高136m，共31层。每层旋转约2.9度，顶部累计旋转90度。
▲大湾大厦格罗夫(@CTBUH)
美国迈阿密大湾塔格罗夫 (The Grove at Grand Bay Tower) 有南北两座塔楼。两座塔均高94m。每层扭转约1.84度，顶部累计扭转38.7度。
▲芝加哥塔 (@CTBUH)
芝加哥塔是由西班牙建筑师卡拉特拉瓦设计的。高609.6m，顶部扭转360度。但由于经济原因，最终没有竣工。
3 总结
扭曲建筑越来越受到建筑师的青睐，为超高层建筑带来了不一样的形态。扭转超高层结构与常规超高层结构的最大区别主要在于竖向荷载作用下的应力和变形特性的差异。在极端情况下，垂直载荷可能成为控制条件。扭转结构中的楼板是传递竖向荷载水平分量的关键构件。楼板的设计以及楼板、外框架和核心管之间的连接设计变得至关重要。
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参考：
[1]CTBUH期刊| 2016年第三期
[2]。
[3] Hideyuki Tanaka a,n、YukioTamura b、KazuoOhtake 等。作用于各种非常规结构高层建筑的气动力和风压的实验研究。
[4] 张静莉，叶修新。台北陶竹隐花园住宅结构工程设计[J].建筑钢结构进展，2016, 18(01): 55-65.
[5]马辉，卢海霜，罗成实，王阳，林凤军，梁兆林，辛英培。深圳前海世茂金融中心塔楼结构设计与分析[J].建筑结构，2015，45(24)：58-65。
[6] 李英民，蒋宝龙，张梦玲矩形钢结构支架，陈彬彬，李新宇。重庆高新太阳塔大厦模型结构振动台试验研究[J].建筑结构学报, 2019, 40(03): 142-151.
