宁波东部新城C3-4#地块超高层项目包括主塔楼、裙房和地下室三个部分，塔楼和裙房之间设防震缝，在首层楼板以上将两者分开^[1]。塔楼建筑高度约448.2m，结构高度420.3m，地上88层。自下而上塔楼的建筑功能分别是办公、精品办公和酒店，共设有10个机电/避难层，分别在5,12,22,31,41、52/53,63,68,79和主屋面层。主屋面以上为塔冠钢结构造型和直升机停机坪，地下室有4层，主要是停车场和机电用房。

　　 塔楼为鼓形建筑，上部和底部的轮廓较小，顶底两层的平面尺寸分别为44.2m×47.8m(短向为X向，余同)和55.0m×58.5m;中部楼层轮廓外鼓，在34层平面尺寸达到最大，约为59.0m×63.1m。各层平面均类似梨形，如图1所示。

　　 主塔结构的安全等级为一级，属于重点设防类，嵌固层设置在首层楼面(标高±0.00m，对应绝对标高+4.20m)。工程所在地属Ⅳ类场地，设计地震分组为第一组，特征周期为0.65s，抗震设防烈度为7度(0.1g)，抗震措施按8度采用;风荷载按照风洞试验取值，50年和100年重现期下的基本风压分别为0.50kN/m²和0.60kN/m²，分别用于计算结构侧向位移和构件承载力。

　　 塔楼采用较为常见且效率很高的带伸臂桁架(简称伸臂)的框架-核心筒结构体系^[1]。为适应塔楼独特的建筑体型和建筑功能布置需求，最大限度提高楼层使用率和降低结构材料用量，设计中开展了大量方案比选工作，成功优化了主要结构构件的布置和截面形式，获得业主、其他专业顾问和设计单位以及抗震专家的一致认可。本文主要介绍方案比选和优化工作的开展过程和相关思考。

　　 对于高度大于250m的高层塔楼，在概念和方案设计阶段进行抗侧结构体系的比选是非常重要的，不仅可以从结构专业角度了解各种体系的适用性，摸清其抗侧性能，初步掌握后续抗震或抗风设计中的重点和难点，更能为业主和建筑师提供多个选项，供其综合考虑建筑外形、功能使用、视野开阔性、幕墙设计灵活性、建造工期、项目造价等多种因素，最终确定理想的建筑设计方案。

　　 基于建筑的平面布置，本工程主要比选了三种较为适宜的结构体系，分别是带伸臂的框架-核心筒结构(方案1)、密柱外框架-核心筒结构(方案2)和带巨型斜撑的框架-核心筒结构(方案3)，空间效果图和对应的平面布置(主要是竖向构件)见图2。这三个方案中，核心筒和环桁架的布置基本相同，不同之处主要在于:1)方案1有14根外框柱，柱间距约为8～12m，设有3道伸臂(分别在33,64,75层，方案设计阶段避难区所属楼层与目前不同)，每道伸臂各有8榀桁架，平均分布在筒体的4个侧面;2)方案2布置了29根外框柱，与截面高度较大的外框梁形成一个整体参与抗侧，没有巨型斜撑，但保留了75层的伸臂，柱间距约为5～6m;3)方案3是混合结构体系，在中下部的办公区，布置有11根外框柱，柱间设置巨型斜撑，属于带巨型斜撑的框架-核心筒结构;在第2道环桁架以上，建筑功能转变为公寓和酒店，开间为6m左右，宜于布置数量多但截面小的外框柱，形成密柱外框架-核心筒结构体系，柱间不设斜撑，同样保留了75层的伸臂。

　　 三种方案在设计、施工和使用过程中的性能指标见表1。其中，抗侧组件的设置和构件截面尺寸的确定除参考类似工程设计经验外，还借助了先进的数值优化技术，控制风荷载作用下的最大层间位移角在1/500以内，型钢和混凝土材料的综合造价相对较优。综合各项指标，业主确定选用方案1。

　　 本工程结构体系的抗侧组件主要包括核心筒、框架柱、伸臂和环桁架，设计好这些组件，不仅可以明显提高结构的抗侧效能，也能显著改善塔楼的建筑品质和平面使用率，降低施工难度，缩短建造周期。在结构方案和初步设计阶段，针对这些组件的设计和优化考虑如下。

　　 在本项目中，中高区楼层的核心筒平面需要逐步退缩，原因有2个:一是中高区楼层的电梯数量和机电房间面积相对于低区更少，为提高楼面使用率，会主动减小核心筒的平面大小;二是塔楼外轮廓由中区向高区逐步内收，为保证筒体外墙和框架柱之间的距离，满足公寓和酒店房间的进深需求，也要求减小核心筒的平面尺寸。

　　 为解决核心筒的内收，结构上主要有2种处理方式:1)减少外围墙体数量，虽会在一定程度上引起楼层刚度突变，但结构处理相对较为容易;2)设置斜墙过渡区，在外部竖向和水平荷载作用下，斜墙会产生可观的水平向分力，使得斜墙顶底楼层的梁和板产生拉、压力，也增大了其他墙肢的水平剪力，对结构受力不利。在方案设计阶段，结合建筑平面和立面布置情况，在与业主和建筑师进行多轮沟通后，确定核心筒分别在40,54和69层进行三次内收，其中，在40和69层是通过减少剪力墙的数量来实现的(图3)，而在54层，需要通过斜墙方式实现核心筒的内缩，不过为了减小斜墙内力水平分量的影响，只有北侧的4片墙肢采用了斜墙(图4)。斜墙布置在52～54层，最大斜率约为1∶6。

　　 有关核心筒墙体的厚度、材料和配钢形式，在方案设计中也进行了慎重分析和对比，最终选定用钢筋混凝土的核心筒，在底部加强部位(1～8层)的墙体中设置型钢，以控制墙肢的轴压比和提高墙体的承载能力，型钢牌号为Q345C，混凝土的最大强度等级为C60，筒体外墙和内墙的最大厚度分别为1 200mm和600mm。

　　 对于配钢墙体，常用的是内嵌钢板混凝土组合墙和型钢混凝土墙，两者均有良好的受力性能，属于规范推荐墙体类型，也均有较多的高层项目应用案例。在本工程方案设计阶段，基于塔楼对核心筒墙体的受力需求，专门针对墙肢配钢形式进行了试配研究:1)内墙配钢主要用于改善墙肢延性，控制局部墙体的轴压比，配钢率大部分都在2%以下，直接采用型钢混凝土墙体;2)外墙配钢主要用于控制轴压比和提高墙肢的压弯或拉弯承载力，大部分墙肢的配钢率在3%～4%左右，个别墙肢的配钢率要达到5.5%，两种墙体形式均具有可行性。经过试配发现，当配钢率小于4%时，仍可在墙肢端部和两墙相交位置的约束边缘构件暗柱区配置型钢;但当达到5.5%时，仅在暗柱区配钢已经较为困难，如图5(a)所示，在控制钢板厚度不超过50mm的条件下，不仅需要采用连肢工字钢，局部位置还需要贴焊钢板。与此相异，墙肢内设置钢板的形式(图5(b))更为干净、清爽，为更佳选择。不过，考虑到该项目中多数墙肢采用了型钢混凝土墙体的形式，且该种形式的墙体中更利于布设箍筋，在厚度方向没有明显的材料分层现象(内嵌钢板混凝土组合墙分为混凝土+钢板+混凝土)，仍然在最终设计中选用了型钢混凝土墙。

　　 外框柱布置方案的比选和确定主要指柱在塔楼平面和立面上的布置方式、柱的截面形式等，方案的好坏直接决定了塔楼的建筑品质和结构效率的高低，也很大程度上影响施工难度和建设周期，是高层塔楼结构方案设计的重点之一。

　　 柱的平面布置与结构体系的类型和建筑使用功能有很大关系，应结合在一起考虑。在方案设计中期阶段业主和建筑师选择的方案中(第2节的方案1)，普通办公楼层有14根柱，间距约为8～12m;在精品办公和酒店层，保留25根外框柱，柱距约为6m。随着设计的开展和深入，又进一步考虑了酒店房间的布置灵活性和避难层/机电层环桁架的受力情况(由于过程较为繁杂，在此不详述)，对外框柱的数量和平面位置再次进行优化和微调，改为15根柱的平面布置方案，如图1所示。

　　 对于外框柱的立面布置，先后提出了2种可行的方案:1)斜柱方案，以避难层为界将全部楼层分为8个柱段，每个柱段中，每根柱为一条倾斜的直线段，各柱段与铅垂线的最大夹角不超过3°，柱端点尽量贴近外幕墙结构(后经商定，柱截面最外侧与幕墙玻璃的距离为850mm);2)直柱方案，基于塔楼外轮廓的剖面形状，将63层(避难层)及以下楼层作为一个直柱段区(每根柱子的轴线即为铅垂线)，该层以上楼层柱的布置同斜柱方案。

　　 直柱方案对结构受力较为有利，有效摒除了多数楼层设置斜柱带来的水平分力的不利影响，可降低结构设计难度;不足之处是较多楼层的外框柱与幕墙的距离较大(最大的约为2.3m)，不利于办公区的功能布置，降低了楼层的使用效率。斜柱方案最贴近建筑的外轮廓形式，利于建筑功能的布置，在很大程度上提高了办公区的建筑品质，更加符合超甲级写字楼的定位，虽然在一定程度上增加了结构设计难度和施工难度，材料用量也会稍高，但仍然是业主和建筑师首选。

　　 在300m以上的超高层建筑中，用于外框柱的截面形式主要为钢管混凝土柱(CFT柱)和型钢混凝土柱(SRC柱)，两者在材料用量、节点构造、施工速度、防火考虑等方面各有千秋，比对数据也很多，本文不再赘述。本项目中，53层及以下的外框柱均采用了圆形钢管混凝土柱，53层以上的柱为矩形钢管混凝土柱或矩形空心钢管柱。主要考虑是:1)普通办公区的圆形外框柱与塔楼的平面形状吻合紧密，尤其是在角部，可使柱更加贴近幕墙内表面，增加进深;2)精品办公和酒店区的矩形柱更有利于房间布置，尽量减少柱突出房间隔墙;3)塔楼中低区段的外框柱截面尺寸和配钢率受到刚度和承载力的双重控制，圆形CFT柱可考虑并较好发挥出钢管的套箍效应，有效提高柱承载力，减少钢材用量;4)CFT柱和空心钢管柱利于施工过程中对柱进行准确定位，方便钢梁以不同角度与柱连接，无需支模和绑扎钢筋，施工速度快。

　　 对于带伸臂的框架-核心筒结构，伸臂是非常关键的抗侧构件，其立面形式、杆件截面尺寸、设置数量和所在楼层位置等均会显著影响塔楼的抗侧刚度和最大层间位移角、刚重比、剪重比、含钢率等主要设计指标，需在方案和初步设计阶段详加研究并予以优化。在本项目主塔楼的设计过程中，伸臂的布置方案也是在经过多轮方案调整并经过系统对比分析之后才最终确定下来的，共有3道V形伸臂，分别设置在31层、52/53层和68层。其中，在31层和68层，伸臂仅在X向(东西向)上布置，Y向无伸臂;在52/53层，X,Y向上均布置了伸臂，其平面布置示意图见图6。

　　 早在方案设计和初步设计中期阶段，在31层Y向上其实也是设置了伸臂的，主要用于减小塔楼的第二自振周期和控制墙肢在地震作用下的拉应力。随着优化分析和设计的深入开展，逐渐认识到该道伸臂的作用比较有限，即使将其去掉，自振周期也能在合理范围内，且墙肢的拉应力不致过大，通过增设部分型钢便可有效控制。综合权衡各种利弊，为减少设置伸臂带来的楼层刚度突变、施工难度大和周期较长等不利影响，在进行正式抗震专项审查之前取消了该向伸臂。

　　 本工程塔楼外轮廓和核心筒的平面形状较为特别，并没有常规项目中方正的筒体，另外还在南北两侧筒体的最外侧布置有2排电梯井(图1)，外墙曲折且厚薄不一，这给伸臂与核心筒的连接设计提出很大挑战。结构设计过程中，对伸臂是沿外墙还是沿内墙贯穿核心筒的问题进行了反复讨论和细致研究，针对伸臂与墙肢连接的两种方式(内嵌式和外包式)调研了类似工程案例，也汇总了两种方式的优缺点^[2]，决定所有3道伸臂均以外包内墙的方式贯通核心筒，这也是国内首例全部伸臂采用外包式连接节点做法的超高层项目，伸臂立面展开图和外包节点形式如图7和图8所示。伸臂的弦杆和腹杆均采用了箱形截面，腹板的最大厚度为100mm，起主要传力作用，翼缘板厚40mm，仅用于保证腹板的稳定性。

　　 作为连接核心筒和外框架的关键构件，伸臂通过本身所具有的强大抗弯刚度来协调两者的受力和变形，使其形成有效的抗侧体系，共同抵御风和地震等外部作用。虽然都是提高结构的抗侧刚度，但究竟为了抵抗风荷载还是为控制地震作用下的结构响应而设置伸臂，对伸臂抗震性能的要求是不一样的。分析并绘制本项目中在设与不设伸臂时塔楼的最大层间位移角曲线见图9，图中两种情况下均设置了环桁架。由图可明显看出，伸臂能有效减小风荷载作用下的层间位移角，没有伸臂，该指标将超出规范许多;但地震作用下表现大不一样，即使在没有伸臂的情况下，地震作用下的最大层间位移角也能很好地满足规范要求。这说明，该工程中的伸臂以抗风为主，抗震为辅，在中震和大震作用下的重要性有所降低，可采用稍低的抗震性能目标，换言之，即可采用较小的截面尺寸。伸臂截面的减小利于弱化加强层的刚度突变带来的不利影响，也有利于提升结构在中、大震作用下的耗能能力，抗震专项审查时，该抗震思想得到了专家团队的肯定和认可。

　　 刚重比作为一项重要的设计指标，是高层和超高层建筑结构中用于判断P-Δ效应大小的主要依据，对于其取值，《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)^[3]第5.4.4条给出了明确的要求，对于剪力墙结构、框架-剪力墙结构和筒体结构，刚重比的最小值不应小于1.4。该限值主要适用于体型和荷载分布均匀的常规高层和超高层结构，当应用于本项目时，应计及楼层质量沿高度不均匀分布的影响，适当考虑质量修正系数^[4]。经计算，该修正系数约为1.193，将其与修正前的刚重比1.32(X向)和1.33(Y向)相乘，得到塔楼在两个方向上的实际刚重比1.58和1.59^[1]，均能满足规范要求。

　　 在初步设计过程中，与抗震专家沟通最多、花费大量时间研究和优化的另一个设计指标是外框剪力分担比。该指标可用于衡量外框发挥二道防线作用的能力，依据《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)^[5]第十一条，外框部分计算分配的楼层地震剪力，除底部个别楼层、加强层及其相邻上下层外，最小值不宜低于5%。由于该塔楼的外轮廓为鼓形，且22层以下的外框柱为外倾柱，在水平地震作用下，外框柱的轴力在水平向上的分量与外荷载引起的剪力同向，这显著减小了外框计算分配的楼层地震剪力^[1]，甚至会使外框剪力分担比例为负值，很难得到抗震专家的认可。为改善该指标，设计中提出并研究了多种方案，包括局部增设斜撑/剪力墙、5层设置环桁架、减短底部若干个楼层核心筒剪力墙的长度、减小核心筒连梁的截面高度、外框梁端部增设隅撑等，通过比选，最后采用了以下3种加强措施:

　　 (1)适当减小外框柱的斜率。原有建筑方案中，1～22层的外框柱是分成2段布置的，在12层外框柱更加靠近外幕墙，这有利于增大中间楼层(2～21层)的进深，进一步提高客户的满意度。为减小底部若干楼层斜柱水平分力的绝对数值，将此两段合并成一段，如此，总的水平分力可减小30%左右，效果较好。

　　 (2)在1～4层，塔楼西侧与裙房相连的3根斜柱改为直柱，即通过减少产生不利水平分力的柱数量来减小楼层负剪力，这可使外框总的水平分力进一步下降20%左右;

　　 (3)分段加大外框梁的截面高度，具体来讲，是在11～22层，结合建筑对楼层净高的要求，增大外框梁的截面高度至1 100mm;在6～10层，除增大外框梁截面高度至1 100mm外，进一步加厚钢梁翼缘和腹板的厚度;在1～5层，外框梁截面高度加大至1 400～1 800mm。该措施有效提高了外框的框架作用和抗侧刚度，使其分担的楼层剪力迅速增大，避免了外框剪力分担比例为负值情况的出现，最终满足了抗震专家的严格要求。

　　 作为宁波市乃至浙江省的在建第一高楼，宁波东部新城C3-4#地块主塔楼的建筑和结构设计自始至终都得到了开发单位和相关政府部门的高度重视。为达到其独特而优雅的外形，同时又能较好地满足建筑使用功能需求，结构设计过程中进行了大量的方案比选和优化设计工作，在保证结构安全、可靠的条件下又确保了塔楼良好的经济性能。这些对比方案和优化成果主要有:

　　 (1)重点比选塔楼的抗侧结构体系，比选中详细考虑了结构体系对建筑外形、建筑功能、其他专业需求、结构受力和主要设计指标的影响，初步确定采用带伸臂的框架-核心筒结构。

　　 (2)针对核心筒的平面内收方案进行比对，尽可能采用减少墙体的方式收进筒体，即使需要采用斜墙，也应尽量减少斜墙的数量，以减小其水平分力带来的不利影响。

　　 (3)内嵌钢板混凝土组合墙适用于配钢率较大的墙肢，型钢混凝土墙体用于配钢率稍小的情况更好，配钢率的界限在4%左右较为合适。

　　 (4)外框柱的平面、立面布置和截面形式选取是方案设计比选的一个重点，对于外轮廓倾斜的高层建筑，可适当多些考虑建筑体型和功能布置的需求，采用多个斜柱段的立面布置方案。为减小柱施工难度，可考虑采用钢管混凝土外框柱。

　　 (5)提供在高层塔楼中根据结构受力需要选用1道双向布置和2道单向布置伸臂的案例，由于核心筒的平面形状较为特别，全部3道伸臂与核心筒墙体的连接节点均采用外包的形式，且是沿内墙贯穿核心筒的。本项目中的伸臂主要用于抗风，可适当降低其抗震性能目标。

　　 (6)对于体型和荷载分布不均匀的高层建筑，在计算刚重比时应考虑质量修正系数。

　　 (7)对于底部若干层外框柱外倾的高层塔楼，为提高外框剪力分担比，可采用局部增设斜撑/墙体、外框梁端部增设隅撑、适当减小外框柱的斜率、加大外框梁截面高度和减少斜柱数量等多种加强措施。

　　 目前，塔楼正处于施工图设计收尾阶段，2019年7月初，塔楼开展并顺利通过了模拟地震振动台试验，并经受住了8度大震的考验。