城市的扩张是人口和经济持续推动下的必然结果,扩张削弱了周边的生态环境。人们面临一个两难的选择:是生活在通勤时间较长的生态化郊区,还是生活在质量较低的高密度城市中心。然而垂直森林解决了这个矛盾,意大利米兰有两座全球闻名的绿色建筑,其特点是沿着外墙层层种植约730棵乔木、5 000棵灌木和11 000株草本植物,这两座建筑被称为垂直森林 ^[1,2]。

　　 南京垂直森林是亚洲第一个垂直森林项目。塔楼外立面突出的阳台上种植约1 000棵乔木、2 500棵灌木,每年可吸收约35t二氧化碳,同时每天产生约60kg氧气。

　　 南京垂直森林项目位于南京市浦口区明发财富中心,南临浦口大道、北至镇南河路、东临丰子河路、西至规划路,地上总建筑面积11.91万m²,由一栋170.55m的超高层办公A1塔楼、一栋93.35m的高层A2塔楼、4层商业裙房及3层整体地下室组成,主要建筑功能为地下车库、商业、办公及配套用房。A1塔楼建筑面积为5.69万m²,共35层(包含3个避难层),建筑最高点为200.00m,结构高度为170.55m,西北两边通过结构缝与裙房分开,为一独立的结构单元。

　　 本工程原名为明发财富中心 ^[3],已于2015年9月通过江苏省超限工程抗震设防专项审查,且原施工图设计已完成并通过施工图审查,现场已完成桩基施工。后因建设方对项目立面提出设置垂直森林的相关改造要求,主要修改内容为标准层平面外围增加种植区及上人观赏区(7～35层布置垂直森林种植区),外围框架以内部分建筑功能基本维持原设计。由于其他结构单元相对简单,本文以超高层办公A1塔楼作为主要分析对象,外立面改造前后建筑效果图及计算模型如图1,2 所示。

　　 本工程的结构安全等级为二级,设计使用年限为50年,建筑抗震设防类别为丙类,场地抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组,场地土类别为Ⅲ类,设计特征周期为0.45s(罕遇地震时为0.50s)。基本风压为0.40kN/m²(50年一遇,承载力计算时按基本风压的1.1倍采用),地面粗糙度类别为B类。风荷载取值:1)按规范 ^[4,5]计算:主体结构体型系数为1.54(规范 ^[4]为1.40,考虑周边的群楼效应放大10%)。2)按风洞试验结果计算:按照同济大学土木工程防灾国家重点实验室2016年12月提供的《南京垂直森林项目刚体模型测力风洞试验——刚体模型测力风洞试验与风振分析》,以等效风荷载在主体结构各层输入。设计中风荷载的取值取上述两种情况的不利值为后续施工图设计依据。

　　 风洞试验模型为刚体模型,如图3所示,主要考虑了外形相似关系,为了保证模型风洞测试的精度,缩尺比例为1/250。模型采用低密度木材制成,具有足够的强度和刚度。试验时将模型放置在直径为2.8m的转盘中心,通过旋转转盘模拟不同风向。最终确定了作用在超高层建筑上的平均风荷载和脉动风荷载,供围护结构设计及结构整体设计使用。并将刚体模型测力风洞试验获得的风荷载时程作用于结构动力分析有限元模型上对结构进行频域分析,确定其重要部位的风振位移和加速度响应以及各层的等效风荷载。

　　 塔楼室内外高差0.15m,地上1层层高均为6.0m,2～4层层高为5.2m,其余标准层层高为4.8m,其中5,15,25层为避难(设备)层。结构平面尺寸为43.25m×40.0m,长宽比约为1.08,高宽比约为4.26。核心筒尺寸为22.4m×15.0m,核心筒长宽比约为1.49,高宽比约为11.37。塔楼采用框架-核心筒结构体系,核心筒墙厚从底向上由700mm逐渐收为300mm;框架柱底部区域采用型钢混凝土柱,柱截面为1 500×1 700,配钢率为6.0%～7.0%。

　　 塔楼首层右侧为大堂入口,2层平面右侧结构开大洞,核心筒右侧小筒在2层周围无结构梁板支撑,为通高两层的核心筒,2层平面图如图4所示。标准层平面外围区域为种植区树池(7～35层布置垂直森林种植区),标准层平面如图5所示,种植区树池分乔木大树池和灌木小树池。每个乔木大树池上方一层必为空余空间或仅为灌木小树池,以确保两层9.6m高范围内乔木均能自由生长。树池随层高错落有致地布置,每层树池的位置均经过严密的分析和推敲,如图6所示,树池位置每5层一个循环,也即7层和12层树池位置相同。树池做法及荷载取值均按照意大利博埃里结构顾问团队提供的建议并结合南京当地经验取用,树种由植物学家根据南京当地的气候、阳台树池的高度和朝向综合选择慢生树种种植。树池示意图如图7所示,结构计算中乔木树池荷载计入了树池混凝土侧壁自重,树池内找平层、设备层、土壤、6m高慢生乔木荷载(每颗乔木中心距离按3m考虑,荷载考虑长大至9m高乔木荷载),以及建筑装饰层荷载。

　　 塔楼采用桩基础,底板厚2 800mm,桩采用桩径1 000mm的钻孔嵌岩灌注桩,以④_-2层中风化泥质粉砂岩为桩端持力层,入岩深度为5.5m,桩长约为47m,单桩竖向承载力特征值为8 900kN。桩身混凝土强度等级为C45,结合南京当地的施工经验,桩基未采用后注浆技术。裙房采用桩径600mm的钻孔嵌岩灌注桩抗压兼抗拔,以④_-2层中风化泥质粉砂岩为桩端持力层,入岩深度为1.8m,桩长44m,单桩竖向抗压、抗拔承载力特征值分别为2 600,1 500kN。塔楼与裙房地下室部分连为一体,主楼周边设置沉降后浇带。

　　 本工程现场已完成桩基施工,后因建设方对项目外立面提出垂直森林的修改要求,经设计复核,原桩基承载力不能满足修改后承载力要求,因此采取补桩措施(补桩与既有桩同桩型、同桩径、同桩长、同承载力)。由于外立面改造后仅改动了外悬挑部分的悬挑长度及荷载,其余室内功能及划分不变,荷载的增加主要集中在外围框架柱上,核心筒负荷的荷载变化较小。改造前地上部分结构总质量为13.11万t,恒载质量为11.22万t,活载质量为1.89万t;改造后地上部分结构总质量为17.06万t,恒载质量为14.73万t,活载质量为2.33万t。由于改造前桩承载力有一定的富余(立面改造后补桩数量的比例小于荷载的增加比例),经过验算,核心筒下桩数不变,外围框架柱下增加33根钻孔嵌岩灌注桩,同时补桩考虑避开基坑支护水平支撑梁,具体补桩数量及位置如图8所示。

　　 本工程根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号) ^[6],进行结构不规则性检查,该结构的主要超限情况为:1)1a扭转不规则,考虑偶然偏心的扭转位移比为1.23,大于1.2;1b偏心布置,2层楼板开大洞导致偏心率大于0.15。2)楼板不连续,2层楼板存在大开洞。3)其他不规则,2层有穿层柱。因此存在3项不规则。该结构高度为170.55m,超过7度区框架-核心筒A级最大适用高度的31%,属于高度超限。

　　 根据塔楼超限情况,对塔楼结构进行性能化设计,针对不同的结构部位并根据其重要程度,采用了如表1所示的抗震性能目标,并采取相应的设计、计算、构造措施,以保证结构的安全可靠。

　　 多遇地震作用下采用SATWE,MIDAS Building软件进行结构整体对比分析,计算结果见表2。由计算结果可知,结构自振周期、地震及风荷载作用下的最大层间位移角、刚重比等参数均满足规范 ^[4,5,6,7]要求,同时两种软件分析结果比较接近,整体结构自振特性良好。

　　 采用SATWE软件并选用与设计反应谱曲线具有统计意义相符的5组天然波和2组人工波进行小震弹性时程分析,计算结果表明:每条地震波计算的基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%,地震波计算的基底剪力平均值大于振型分解反应谱法的80%,满足规范要求。时程曲线计算得到层间位移角均满足规范要求;X,Y向最大楼层位移曲线、最大层间位移角曲线、最大楼层剪力的分析结果与振型分解反应谱方法计算结果趋势基本一致,没有出现异常情况;结构体系无明显薄弱层。

　　 根据抗震性能目标,分别按中震弹性和中震不屈服对核心筒底部加强区、底部框架柱进行计算复核。根据计算结果,此部分构件基本均为中震控制。中震不屈服计算时,核心筒剪力墙底部出现拉应力,最大拉应力为2.45MPa,小于混凝土抗拉强度标准值2.85MPa。

　　 一般情况下,核心筒底层周边角部短墙肢拉应力较大,如图9所示。圆圈处墙肢拉应力为2.45 MPa,若取消长方形框内小墙肢,圆圈处墙肢拉应力减小为1.96 MPa;箭头处墙肢A拉应力为2.18 MPa,若在椭圆形处增设一道小墙肢,墙肢A拉应力增加为2.87 MPa。分析其原因,核心筒底层周边角部短墙肢附近的内部小墙肢,会分担角部墙肢负荷面积,减小此角部墙肢的轴向压应力,从而增加其拉应力。故核心筒内部墙肢布置形式对核心筒底部墙肢拉应力影响较大,设计时通过调整核心筒结构布置可有效减小墙肢拉应力,能避免在墙肢内部增加型钢。

　　 本工程采用SAUSAGE软件进行弹塑性动力时程分析,表3给出了结构在罕遇地震下动力弹塑性分析的位移响应。从表中可以看出,罕遇地震下结构X,Y向最大层间位移角均小于规范要求的结构弹塑性层间位移角限值1/100。

　　 表4给出了结构在罕遇地震下动力弹塑性分析的基底剪力响应。从表中可以看出,结构在罕遇地震作用下基底剪力为多遇地震下的3.26～4.84倍,由于大震加速度峰值是小震的6.28倍,可知大震下弹塑性反应与大震下弹性反应相比,基底剪力有减小的趋势。

　　 对结构进行罕遇地震作用下弹塑性时程分析后,结构主要抗侧力构件没有发生严重破坏,多数连梁屈服耗能,少量框架柱和框架梁参与塑性耗能,未出现局部倒塌和危及结构整体安全的损伤;核心筒底部外围个别墙体局部受压中度损伤,墙内钢筋除个别连梁外基本无损伤,边缘构件钢筋无屈服,综合评判核心筒底部墙体轻度损坏,墙体基本完好,满足抗震性能目标要求。整体来看,结构在罕遇地震输入下的弹塑性反应及破坏机制符合结构抗震工程的概念设计要求,抗震性能达到并优于“大震不倒”的性能目标。

　　 1)对开大洞的楼板进行应力分析并采取相应的加强措施,确保小震下楼板主拉应力小于混凝土抗拉强度,并按3倍该主拉应力配置楼板钢筋。2)在地震作用下,对穿层柱的剪力取值不小于同层其他柱的剪力并考虑计算长度,按性能目标要求进行承载力验算。3)对重要构件进行中震不屈服、中震弹性及大震不屈服和稳定性验算,以保证结构重要部位构件的抗震承载力满足抗震性能目标要求。4)对楼板开大洞的2层,增加一个取消该层的计算模型(即底层竖向构件为两层通高),并按此模型复核小震下核心筒剪力墙截面承载力;开大洞楼层右侧小筒为两层通高的剪力墙,右侧小筒剪力墙按此通高模型进行中震抗震性能复核。5)采用SAUSAGE对结构进行罕遇地震下的弹塑性动力时程分析,以考察结构在罕遇地震下的抗震性能,对分析中发现的薄弱部位采取相应的加强措施,保证重要部位不屈服,并控制整体结构的塑性变形满足规范要求。

　　 1)按抗震设防烈度7度、标准设防类建筑要求采取抗震措施,剪力墙抗震等级按一级,框架抗震等级按一级;底部加强区范围内剪力墙的竖向分布筋配筋率适当提高;核心筒角部的约束边缘构件延伸至墙体顶部。2)严格按规范要求控制剪力墙、框架柱的轴压比(剪压比),保证剪力墙、框架柱的延性,从而提高整个结构的变形能力。3)底部加强区核心筒的四个角部设置型钢,25层及以下的框架柱截面采用型钢混凝土柱,以加强整体结构的延性。4)为了减少竖向构件刚度突变的影响,型钢混凝土柱至钢筋混凝土柱间增加一层型钢过渡层。5)对开大洞楼层的板厚适当加厚,并采用双层双向配筋并提高配筋率。6)由于核心筒刚度较大,吸收了较多的地震力,部分连梁剪力很大。对这些剪力过大的连梁,在连梁中间设置交叉暗撑,以满足“强剪弱弯”的要求。

　　 垂直森林区别于屋顶花园和层叠灌木的建筑是在高空种植真正的树木(3～9m的乔木),形成垂直的立体森林 ^[1,8,9,10]。南京垂直森林项目在实现过程中,有以下几个特点:

　　 (1)结构悬挑长度约4.3m,荷载分布于悬挑梁端部,荷载较大。悬挑梁经过强度、裂缝、挠度及舒适度验算,能保证结构安全可靠。

　　 (2)树池中的树木和阳台固定在一起,树干由钢索固定并与上方的阳台连接。同济大学土木工程防灾国家重点实验室完成风洞试验,对风荷载取值进行分析,保证结构在风荷载作用下的安全性。

　　 (3)所有树木的品种都是由植物学家根据南京当地的气候、阳台树池的高度和朝向综合选择。乔木、灌木、草本植物被组合起来,它们在不同的季节会呈现出不同的颜色。在垂直森林施工的同时,树木在养护园中进行培育,以模拟高空环境和根系条件。

　　 (4)按照所选的树种结合南京当地的气候条件配置了特殊的种植土壤。该土壤密度小、密实度高,能增强根系的稳定性,且透气性好,为自然微生物生长的良好基质。

　　 立面改造前结构为框架-核心筒结构,核心筒墙厚从下至上从700mm逐渐收为300mm;框架柱底部区域采用型钢混凝土柱,考虑一定余量后柱截面为1 250×1 600,型钢率为4.0%～5.0%。立面改造后结构布置基本维持不变,仅外围一圈框架梁以外部分从原来的挑板0.8m左右改为挑梁2.0～4.3m。核心筒墙厚基本维持不变,框架柱底部区域截面为1 500×1 700,型钢率为6.0%～7.0%。

　　 立面改造前后SATWE模型主要分析结果对比如表5所示。地上部分总质量增加约30%,基底剪力增长约24%。结构层间位移角增大,整体结构变柔,周期增长,由于改造后结构扭转周期增长较快,将改造前结构中标准层周边一圈梁的截面高度从800mm更改为850mm,使得周期比满足0.85的要求。

　　 立面改造前后核心筒轴压比无明显变化。但性能化目标设计时,改造前后指标增长明显。中震不屈服计算时,核心筒剪力墙底部加强部位的拉应力最大值从改造前的1.13MPa增大为2.45MPa,性能化目标下各关键构件配筋增加也较多。

　　 南京垂直森林项目超限结构设计采用概念设计的方法,选择合理的结构体系、设定合理的抗震加强措施、对结构的关键问题进行细致分析研究,可以保证超限高层的安全可靠、经济合理。

　　 (1)采用框架-核心筒结构,通过平面的合理布置和竖向构件截面从下往上逐步减小,使得总体结构上下刚度均匀、受力合理。

　　 (2)对楼板开大洞的2层,增加一个取消该层的两层高计算模型,并按此模型复核抗震性能目标。

　　 (3)优化核心筒内墙肢布置形式,使得中震不屈服工况下墙肢拉应力较小。

　　 (4)垂直森林不仅是一座建筑,更是一个可复制的方法,能广泛运用于新建筑及立面改造项目。