超高層不止框筒——斜交網格結構 Diagrid Structure
本文來源 iStructure 公衆號, 獲授權轉載
19世紀80年代起，在鋼材冶煉和電梯技術的發展推動下，美國掀起了的第一次高層建築熱潮。
1931年落成的紐約帝國大廈EmpireState Building採用鋼框架支撐結構，共計102層，達到381m的高度。1951年增加了天線後總高度達到443.2米。
帝國大廈,1931年,結構設計SOM
帝國大廈基本代表了框架和框架支撐結構體系的極限高度，被稱爲“建築之王”。在1931~1972年期間，它保持世界最高摩天大樓的紀錄，長達41年。
之後Fazlur Khan、Leslie Robertson提出並且完善了框架筒體、桁架筒體、束筒的結構體系，使人類能夠以經濟合理的造價突破400米的建築高度，開創了高層建築的新時代。
舊金山美國鋁業公司大廈（1967年）
芝加哥漢考克中心，1969年
漢考克中心的四個立面上，各設置了5個半18層高的X型鋼支撐，節點處設置了水平系杆。外框柱、斜撐、橫樑形成巨大的外圍桁架筒體，具有高效的抗水平力性能。結構受力骨架清晰地融入建築表達中，豎向承重體系和抗側體系簡潔清晰。
在20世紀下半葉，絕大多數的超高層建築會選擇框架筒體、桁架筒體的結構體系。直到21世紀初，斜交網格(Diagrid Structure)作爲一種新穎的高層鋼結構體系出現，在建築表現和結構抗側效率兩方面統一。典型的案例有瑞士再保險總部大廈、廣州電視塔、廣州西塔、北京保利國際廣場等。
北京保利國際廣場，2016
追溯:斜交網格
舒霍夫塔Shukhov Tower，1919
如果追溯斜交網格高層/高聳結構的歷史，最早的案例大概是“舒霍夫塔Shukhov Tower”。
舒霍夫和他設計的斜交網格殼塔 (1919年)
Vladimir Shukhov (1853～1939)，被同時代的人稱爲“俄國第一工程師”。舒霍夫是梁、殼和膜體系在彈性理論下的應力應變實用數學分析方法研究的先驅。他創造性的發展了雙曲殼塔、網狀殼體、以及儲油罐、輸油管、工業鍋爐塔架、船隻和駁船等各種各樣的結構體系。當然，他最爲著名的是，時至今日很多依然屹立在俄羅斯大地上的“舒霍夫”雙曲殼塔。
舒霍夫塔採用斜交網格結構，分節呈雙曲曲面形態，更增加了結構的穩定性，被用作水塔、信號塔、輸電塔等。建成百年後，仍屹立不倒。
IBM辦公大樓，1963年
於1963年建成的的IBM辦公大樓，是第一座採用斜交網格體系的現代高層建築，共13層，高度58米。[現改名爲“United Steelworkers Building”]
IBM 大廈，1963年，結構設計LERA
斜交網格構成的外筒結構暴露在建築外面。建造過程中以不同的顏色標記構件截面，可見在支座周邊的構件截面較大。
幕牆和結構均遵循模數設計，便於施工安裝
瑞士再保險總部大廈，2003 年
2003 年建成的瑞士再保險總部大廈位於英國倫敦，綽號“小黃瓜”。由諾曼·福斯特設計，是一個優美而講求高科技的傑作。
大樓採用圓形平面，外形像一顆子彈。呈雙螺旋形態的斜交網格是最主要的結構受力構件。它被高層建築CTBUH理事會選爲21世紀第一個10年作品獎，同時也開啓了斜交網格超高層結構的新紀元。
大樓首層入口
雙螺旋形塔冠
瑞士再保險總部大廈的幕牆分格與斜交網格結構貼合，直接支承在主體結構上。曲線形的建築可使周圍氣流平緩地通過，氣流被建築邊緣鋸齒形佈局的內庭幕牆上的可開啓窗扇所“捕獲”(開戶窗位於深色幕牆條帶區)，幫助實現自然通風。
佈置在深色幕牆條帶區的開戶窗，有助通風
Parada 青山店，2003年
同樣於2003年落成的Parada青山店，是瑞士建築師 Herzog在日本的第一個設計作品，吸引了建築界的特別關注。
Parada青山店，2003年
建築表面以規則的菱形網格覆蓋，其結構、幕牆和空間是一體化設計的。無論整體還是細部，都呈現出水晶般的外觀。
▲如水晶般奢華的幕牆
▲菱形鋼結構網格
結構師將所有構件設計爲統一的150x250mm，基本採用H形截面，局部用了箱形截面。再根據網格受力大小，調整鋼板的厚度分爲7種，最厚鋼板達60mm。
結構體系:網格外殼、水平拉梁、芯筒、基礎隔震
整體結構的抗側力體系，由中間的芯筒和網格外殼組成，建築室內不設立柱。建築局部設1層地下室，並在地下室以下做了基礎隔震設計，以進一步減少上部結構的地震響應。
▲ 包裹防火塗料後的菱形網格
斜交網格的受力特點
斜交網格環繞建築外表面, 替代了傳統上的垂直柱與斜向支撐。與框架支撐體系的“框架和支撐分別承受豎向力和水平力”不同，斜交網格同時承受豎向和水平荷載，對結構性能的影響各有利弊。引用文獻1中的算例分析結果表明：
1）豎向荷載作用下，斜杆受軸壓力、樓層梁受拉力很大，且隨着樓層自上而下逐漸增大，大於常規框架外筒結構。結構在豎向荷載作用下，有較大的豎向壓縮變形和外鼓變形趨勢。
北京保利國際廣場大廈，斜杆軸力圖
2）水平荷載作用下，斜交網格具有巨大的抗側剛度。在文獻1的算例中， 其總體抗側剛度是支撐框架的1.48~ 2.8 倍，是密柱深梁框架的1.68~ 10.4 倍。
斜交網格結構的剛度主要由斜杆與樓層梁組成的幾何不變體系提供，受斜杆截面面積的影響最大, 與慣性矩、杆端約束形式的關係很小。但是這種剛度的優勢隨高寬比的增大而減小；當高寬比爲6 時, 其剛度與支撐框架接近。
北京保利國際廣場大廈，抗側受力示意
3）斜交網格筒體具有很明顯的空間作用特性。環梁內自平衡的環箍拉力和徑向梁的拉力共同抵抗高層結構的外鼓趨勢。
平面形狀柔和的佈置, 可以減小垂直荷載下的杆件內力。而對於建築平面是有明顯轉角的三角形或四邊形時，採用斜交網格體系時必須非常小心。
廣州西塔：斜交網格節點層設環梁和體外預應力
4）耗能能力：在水平推覆力的作用下，主要構件均爲軸向受力構件。在受壓狀態下，杆件因失穩而屈曲，承載能力將迅速降低而退出工作。
提高斜杆受壓抗震性能(延性和耗能)的有效途徑有，減小斜杆長細比、採用受壓延性較好的鋼管混凝土、或沿用BRB支撐的概念設計關鍵的斜杆等。
斜交網格結構因其出色的抗側剛度，適用於以承受風荷載爲主( 包括颱風) 的低烈度設防區。而在較高烈度地震設防區, 其延性和耗能能力較弱，必須對其大震下的結構性能進行謹慎研究。
關於斜交網格的豎向壓縮變形問題。Parada青山店結構設計中，對比了如下幾種解決方案：
a.不採取措施的菱形網格在重力下壓縮約50cm；
b.在建築四角加柱能夠有效減小壓縮變形；
c.利用每個樓層的水平梁拉結，梁內軸力較大，但影響局部樓層挑空；
d.拉結三道水平梁，梁內軸力巨大。
基於建築佈置和效果，最終選用了方案d。即使有三道水平梁拉結，結構頂層的壓縮量仍有30mm。施工放樣時，將每層格子提高約3mm，以保證在完成後的建築形態，給設計施工帶來巨大挑戰。
廣州電視塔,2010
廣州塔又稱“小蠻腰”，由一座高達454m 的主塔體和一個高146m 的天線桅杆構成，總高度600m，爲高聳結構，作爲廣州市的標誌性建築屹立在中軸線的珠江南岸。
廣州塔，2010年，結構設計Arup&廣州市院
在塔身2/3高度處(278.8m)結構收緊，腰部最小爲20.65mX27.5m，塔底到頂高寬比爲7. 5，形成兩端大、中間小的“細腰”型。
廣州塔建築體型獨特、結構體系特殊，鋼結構外筒腰部纖細、桅杆與主塔的連接、內外筒連接的薄弱部位、外筒柱透空區的穩定、溫度效應特殊性等等，均給結構設計提出了新的挑戰。
外筒由24 根鋼管混凝土斜柱、46道圓環、46圈斜撐組成，內筒爲橢圓型鋼混凝土結構。由底至上分爲5個功能段和4個透空區，共39個樓層。
外筒柱形成的平面呈橢圓形
從底層到頂層平面，橢圓順時針轉45°
外筒的斜柱、斜撐和環杆節點中心並不相交於一點。設計中採用斜柱和斜撐中心相交，而環杆與從斜柱伸出的水平牛腿連接的方法。
爲使外伸梁與外筒斜柱的連接實現真正鉸接，釋放彎矩和轉角變形，梁端與外筒斜柱的連接採用萬向鉸節點。
廣州塔的主要計算指標
廣州國際金融中心（廣州西塔）, 2010
廣州西塔高440米，共有103層。項目外形如“通透水晶”，最外層爲雙曲面玻璃幕牆，菱形斜交網格柱的獨特立面造型。
廣州西塔，2010，arup&華南理工設計院
結構上採用鋼管混凝土柱斜交網格外筒+鋼筋混凝土內筒的筒中筒體系。外筒主要以軸力來抵抗水平荷載引起的傾覆力矩，基底剪力大部份由鋼筋混凝土內筒承擔。
鋼管混凝土斜交網格外筒與混凝土內筒，分擔的豎向荷載分別爲43％和57％；基底剪力分別爲39％和61％；總傾覆力矩分別爲61％和39％。
斜交網格外筒的豎向剛度比較差，導致結構豎向壓縮變形和水平外鼓變形，廣州西塔最大豎向變形137mm，給設計和施工均帶來很大挑戰。
豎向荷載作用下外筒彈性變形圖
斜交網格柱的豎向變形：彈性形變、徐變
剪力牆的豎向變形：彈性形變、徐變、收縮
與框筒結構不同，斜交網格結構的彈性形變佔比大
廣州西塔採取了外框筒環梁+拉梁+核心筒內閉合環梁構成的獨立的平面內抗拉體系。
結構平面佈置圖
爲了進一步提高節點層抗拉體系的安全儲備，在斜杆交點的樓層施加了體外預應力，採用1860級高強低鬆弛鋼絞線。預應力使得樓層內產生沿徑向的壓力，大幅減少了環梁、拉梁及核心筒連梁的拉力。
對比實體單元和杆單元模型網格節點的性能差異
節點分析：斜杆、環梁、樓面拉梁，節點板加強
風荷載作用下外筒斜交網格軸力分佈圖
震動臺試驗表明：結構模型在7度罕遇地震作用後基本保持彈性，8度罕遇地震作用後，自振特性有微小變化，說明模型稍有損傷，最大層間位移角爲1/133。
北京保利國際廣場，2016
北京保利國際廣場塔樓，多褶面設計靈感源自於中國傳統的摺紙燈籠，交叉網格線環布建築表面，爲北京的天際線增添了一道獨特的風景。
摺紙燈籠的方案概念
塔樓採用鋼管混凝土斜柱構成的斜交網格外筒 + 鋼筋混凝土剪力牆內筒的筒中筒結構體系。交叉網格外筒的剛度巨大，使得內部佈置自由度更大。但交叉網格外筒的延性不如常規框架體系，體系的屈服機制和耗能能力不同於傳統結構，在高烈度區的抗震設計難度更大。
施工照片：網格爲圓管截面外包裝飾板
建成實景與施工過程照片
在斜杆相交的節點樓層，外環梁除承擔本層樓面荷載外，還起到環箍效應而軸向受拉。而其它樓層則通過吊掛方式，樓蓋與網格斜柱不連接，以釋放變形和內力。
以玻璃封閉的鋼製外骨架只是兩層建築外圍護結構中的外層。內部的第二層玻璃外圍構成高達120米（400英尺）的中庭空間，幾乎是這座31層摩天大樓的總體高度。該中庭空間可以調節室外的極端溫度，使建築的整體能耗降低23%，碳排放降低18%。
大廈挑空中庭
大廈塔冠效果圖
限於篇幅有限，其它斜交網格的案例不便展開，或者有機會另開一篇再寫。
深圳農村商業銀行 SOM
大廈採用外部鋼斜交網格，讓人聯想到銀行的Logo。斜交網格與立面之間保持距離，從而提供靈活的無柱室內辦公空間，同時兼具遮陽功能。預期2019年竣工。
深圳農村商業銀行總部 低區入口
Hearst Tower, 2006
Atlas Building,2006
Tornado Tower,2008
Capital Gate,2011
Lotte Super Tower, SOM
One Shelley Street, 2012
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參考文獻：
1. 高層斜交網格結構體系的性能研究.周健,汪大綏
2. Diagrid Structures. Terri Meyer Boake.
3. SOM官網 www.som.com
4. 廣州塔結構設計.周定,韓建強.
5. 廣州珠江新城西塔結構設計簡介，方小丹
6.北京保利國際廣場主塔樓結構設計,建築結構公衆號
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