新北京中心项目结构与建筑方案设计的融合
0 引言
北京通州区运河核心区Ⅳ-03号多功能用地项目，简称新北京中心项目，建筑师以中国传统建筑“佛塔”立意为出发点，同时辅以“钻石状”外轮廓折面幕墙为特点进行创作，造型新颖，结构工程师如何通过结构布置来塑造真实的建筑外部轮廓和内部空间，是结构方案设计需要考虑的重点问题。
奥雅纳于2013年开始此项目的结构方案设计，整个方案设计分为概念方案设计与100%方案设计两阶段。项目方案形成过程中，结构工程师借助参数化设计，主动介入建筑方案的创作中，在短时间内分别就“建筑立面外形收分形式”、“外框柱的布置形式”、“核心筒的布置”及“底部入口转换形式”等专题配合建筑师做出了较为详实的研究，并综合从结构布置形式、结构性能及结构造价等方面为建筑师和业主进行了多方案的比选，为建筑方案的创作及业主对项目发展方向的把控提供了详实的数据支撑。本文就以上专题中结构工程师配合业主及建筑师的设计研究过程进行详细介绍。
1 工程概况
新北京中心项目(图1)地处通州核心区西北，东临水乡区，远眺大运河，南临通惠河，北侧为京燕高速。场地南侧为预留地铁R1线深埋隧道，东、西、北三侧环绕的地下交通隧道均已完成结构施工并大部分回填;场地东侧位置为M6,R1两条地铁线路的交汇点，以及通州北关地铁站。此项目位置平面图见图2。
图1 建筑效果图
图2 项目位置平面图
地块总用地面积16.1万m2，地上建筑面积15.7万m2，地下6.3万m2，其中塔楼地上建筑面积约15万m2，裙房地上面积约0.7万m2。塔楼为超高层写字楼，建筑檐口高度为274.7m，主要屋面结构高度为249.75m，为超B级高度的高层建筑，结构高宽比约为4.28。塔楼地下4层，地上61层(含机电层)，1～3层层高为5m，标准层层高主要为4.3m;商业裙房地下4层，地上3层。工程抗震设防烈度8度，设计地震分组第二组，场地类别Ⅲ类，场地特征周期0.55s。50年重现期基本风压为0.45kN/m2，承载力设计时按此基本风压的1.1倍采用;地面粗糙度类别为B类。
2 建筑设计理念
为符合建筑设计概念，建筑师在沿高度方向的控制楼层(首层、26层、45层、61层)平面上采用了四个八边形，并控制八边形之间的楼层平面采用十六边形。从下至上控制八边形顺时针旋转三次到顶部，每次旋转22.5°。
建筑平面上控制八边形以同一中心对称，从底到顶建筑平面逐渐减小，如图3所示。“钻石状”的折面幕墙面沿立面剖分如图4所示。
图3 建筑控制平面
3 建筑立面收分研究(概念方案设计)
建筑师根据四个八边形大小沿高度是否变化，提出了三种立面的收分方式(图5)，各收分方式如下:
(1)立面不收分:沿立面在四个八边形旋转过程中控制八边形轮廓线不变。
(2)立面中点收分:从下至上相邻上一区控制八边形旋转后八边形的角点落在下一区八边形边轮廓线的中点。
(3)立面各点收分:接近方案二的收分方式，但是控制八边形旋转后顶点落在下部八边形轮廓线区域内。
对应于三种立面收分方式，结构材料用量统计见表1。
表1 不同立面收分形式的结构比较
业主与建筑师从建筑空间使用功能的最优及结构材料节省的角度，将立面中点收分方式作为后续设计的主要方向。
4 外框柱布置研究(概念方案设计)
在超高层建筑设计中，外框结构体系不仅对超高层建筑结构的安全性与经济性有较大的影响，而且对开拓建筑空间形式和使用功能也有很大的帮助，是超高层建筑结构设计及建造中的最关键、最核心的技术体现。本项目在结构方案设计阶段，根据建筑的外轮廓特点，结构工程师提供了如下外框布置形式供建筑师选择:1)随形斜柱外框;2)折线斜柱外框;3)斜直柱外框;4)斜交网格外框。
4.1 随形斜柱外框
假定结构面为建筑外轮廓面(幕墙面)内退300mm位置，外框柱均落在控制八边形边上，柱平面定位落在八边形角点与边长三等分点位置，柱立面随幕墙外表皮形式而变化，典型柱位平面布置详见图6柱位1、柱位2，对应的柱空间布置形态详见图7。
随形斜柱外框具有如下特点:外框柱紧贴建筑表皮，楼层面积没有损失;柱线1、柱线2不同折线段代表不同的倾斜角度，柱线1沿立面分三段，由下到上倾角分别为87.8°，88.5°，86.6°;柱线2沿立面分六段，由下到上倾角为90°，87.8°，88.4°，85.7°，91°，86.5°;柱相对于幕墙面是单向偏离的斜柱。
4.2 折线斜柱外框
外框柱平面定位以沿建筑立面高度分布的四个八边形的内接圆和四个旋转十六边形的内接圆为基准(保证所有外框柱均落在幕墙面内)，典型柱位平面布置详见图8柱位1、柱位2。柱倾角均为锐角，没有柱外倾(柱倾角大于90°)。相对于随形斜柱外框方案，外框柱平面定位在建筑室内空间，建筑平面外轮廓存在沿柱边线悬挑的情况，详见图8中平面典型柱位填充区域外部分，悬挑部位的空间一般不利于建筑功能的使用，柱空间布置形态详见图9。
对折线斜柱外框柱线外轮廓悬挑梁长度及悬挑面积进行统计，如图10,11所示。
折线斜柱外框具有如下特点:外框定位由四个八边形和四个十六边形内接圆控制，外框柱平面定位线外存在悬挑，悬挑长度在0.5～1.5m，悬挑全楼总面积11 430m2，外框柱立面倾角均为小于90°的内倾角，没有外倾大于90°这种对结构力学性能不利的区域;柱线1,2不同折线段代表不同的倾斜角度，柱线1沿立面分六段，由下到上倾角分别为89.2°，88.8°，88.4°，85.9°，88.9°，88.7°;柱线2沿立面分六段，由下到上倾角为89.2°，88.8°，88.4°，85.9°，88.9°，88.7°;柱相对于幕墙面是单向偏离的斜柱。
图4 建筑外立面幕墙面划分
图5 建筑立面收分形式
图6 随形斜柱外框柱定位图7随形斜柱外框空间柱线
图8 折线斜柱外框柱定位图9折线斜柱外框空间柱线
图1 0 梁悬挑长度统计
图1 1 悬挑面积统计
4.3 斜直柱外框
外框柱平面定位以底部和顶部两个旋转八边形的内接圆为基准(保证所有外框柱均落在幕墙面内)，柱立面为统一倾角的斜直线，相对于前两种外框方案，建筑平面外轮廓沿柱边线悬挑的长度较大，对室内空间有较大影响。典型柱位平面布置详见图12柱位1与柱位2，对应的柱空间布置形态详见图13。
对折线斜柱外框柱线外轮廓悬挑梁长度及悬挑面积进行统计，如图14,15所示。
斜直柱外框具有如下特点:外框定位由底部和顶部两个八边形控制，外框柱平面定位线外存在悬挑(内部圆形平面为柱平面定位，建筑外轮廓面为八边形，两者之间的空隙即为悬挑区域)，悬挑长度在0.5～2.8m，悬挑全楼总面积19 060m2，外框柱角度87.6°;柱相对于幕墙面是单向偏离的斜柱。
图1 2 斜直柱外框柱定位
图1 3 斜直柱外框空间柱线
图1 4 梁悬挑长度统计
图1 5 悬挑面积统计
4.4 斜交网格外框
斜交网格外框架体系与建筑立面的生成逻辑以及幕墙的折面单元的风格相吻合，同时也具有较好的抗侧刚度。方案阶段考虑在建筑外立面大斜交网格轮廓线(图3)的基础上再细分小网格，典型柱位平面布置详见图16柱位1与柱位2，柱空间布置形态详见图17。
斜交网格外框具有如下特点:外框柱紧贴建筑表皮，楼层面积没有损失;外框柱双向倾斜，斜交网格的倾角如下:柱线1由下到上倾角分别为84.1°，82.5°，78.6°;柱线2由下到上倾角分别为83.3°，84.6°，83.1°，82.1°，78.6°，78.6°;斜交网格倾角约为84°;斜交网格外框在有效地支持竖向荷载的同时水平抗侧刚度较大。
图1 6 斜交网格外框柱定位
图1 7 斜交网格外框空间柱线
4.5 外框形式对室内空间布局的分析
超高层办公建筑设计中，办公布局是至关重要的内容，特别对于这种框架-核心筒结构形式的深进建筑。结构构件应尽可能保证办公布局的灵活性及不影响交通流线。表2总结了不同的外框形式对办公布局及交通流线的影响(实心圆点代表柱在办公空间的定位)。
表2 不同外框形式对室内办公布局比较
由表2分析可知，斜交网格外框与随形斜柱外框由于紧贴建筑外表面，室内办公空间得到最大的利用，是最有利于建筑办公布局的外框形式，而斜直柱外框柱落在办公室内空间，对建筑办公布局会有较大的影响，与业主及建筑师协商，以斜交网格外框与随形斜柱外框两种外框形式作为后续研究方向。
5 斜交网格外框与随形斜柱外框比选(概念方案设计)
对于选定方向的斜交网格外框与随形斜柱外框结构形式的选择，结构工程师从结构效率、材料用量、施工周期等方面给出了专业的评估意见。
5.1 经济性比选
概念方案设计阶段，对比选方案构件截面尺寸假定如下:核心筒墙厚一致，斜交网格外框采用钢管混凝土柱，随形斜柱外框采用型钢混凝土柱。两方案构件截面尺寸、材料用量分别如表3、表4所示。
表3 两种外框形式外框柱截面尺寸/mm
表4 两种外框形式材料用量
注:钢筋5 000元/t，型钢10 000元/t，混凝土450元/m3。
5.2 结构工期对比
对于斜交网格外框和随形斜柱外框最大不同之处在于外框构件的施工，斜交网格外框由于采用倾斜圆管斜柱(采用顶升法浇注混凝土)相交等原因，整体结构施工工期会长于随形斜柱外框，根据类似项目的施工经验，大概需要5.5d/标准层;而随形斜柱外框约4.5d/标准层;同时考虑核心筒施工领先楼板5层，斜交网格外框、倾斜直柱外框两种外框形式的理论建设工期分别为341,279d。
5.3 斜交网格外框与随形斜柱外框综合比较
由上述比较可知，两种外框形式都有其优点，也有其不足之处，为综合评价以上外框方案，按照结构效率、结构造价、建筑效果实现、施工难度及速度5个指标对以上两种外框形式进行综合评价，具体见表5。
根据上述初步比较，两方案经济性差别不大，但考虑到本项目斜交网格角度较陡，重合区节点范围大，钢柱吊装与焊接难度较大，且对双向倾斜的斜柱，在施工过程中需采取额外措施保证结构稳定性，因此，业主从施工难易程度考量将随形斜柱外框作为后续方案研究的主要方向。
表5 两种外框形式综合比较
6 随形斜柱外框柱距的研究(100%方案设计)
对于随形斜柱外框，结构工程师根据不同的柱距，为建筑师主要提供了三种外框形式的选择:1)周边24个柱外框;2)周边16个柱外框;3)巨柱结构。
6.1 24个柱外框
24个柱外框结构布置如图18所示，外框柱距由低到高逐渐变小，低区约为7.2m，高区约为4.8m;典型楼面梁跨度低区约为12～14m，高区约为4.5～6m。
图1 8 24个柱外框结构布置
24个柱外框柱线空间形式如图19所示。柱线1分为三段，柱线2分为6段，柱线1、柱线2空间倾角同4.1节描述。建筑师结合结构的柱距，绘制了24根柱外框室内人视效果图，如图20所示。
6.2 16个柱外框
16个柱外框结构布置如图21所示。外框柱距由低到高逐渐变小，低区约为11.5m，高区约为8.4m;典型楼面梁跨度低区约为12～14m，高区约为4.5～6m。16个柱外框柱线如图22所示。
八边形顶点柱线1沿立面分为三段，由下到上倾角分别为88.96°，90°，82.32°;八边形边中点柱线2沿立面分为3段，由下到上角度分别为91.04°，87°，86.32°。16个柱外框室内人视效果图见图23。
图1 9 24个柱外框空间柱线
图2 0 24个柱外框室内人视效果
6.3 巨柱结构
随形巨柱结构布置如图24所示。由于外框刚度较弱，巨柱结构需考虑设置腰桁架和伸臂桁架;外框柱距:重力柱间距，低区约为7.2m，高区约为4.8m;巨柱:低区约为11.5m，高区约为7.2m;典型楼面梁的跨度4.5～14m;巨柱结构外框柱线与16根柱外框形式类似。室内人视效果图如图25所示。
6.4 随形斜柱三种外框形式结构材料用量比较
方案设计阶段，对上述三种外框形式的构件截面尺寸假定如下:核心筒墙厚一致，24个柱外框与16个柱外框柱采用圆形钢管混凝土柱，巨柱结构中巨柱采用型钢混凝土柱，重力柱采用箱形截面钢柱。三种外框形式中柱截面尺寸如表6所示。三种外框形式的材料用量如表7所示。
图2 1 16个柱外框结构布置
图2 2 16个柱外框空间柱线
图2 3 16根柱外框室内人视效果
图2 4 16巨柱外框结构布置
图2 5 巨柱外框室内人视效果
表6 三种外框方案中柱截面尺寸
表7 三种外框形式结构造价
注:钢筋5 000元/t，型钢10 000元/t，混凝土450元/m3。
对以上三种随形斜柱外框形式进行综合比较:
(1)从造价角度看，巨柱结构造价是三种外框形式中最高的，且结构效率不高，不适用于本项目，因此不作为后续方案的考虑方向。
(2)16个柱外框比24个柱外框的柱距更大，窗户的景观受结构构件遮挡面较少。
(3)从与外幕墙结合的角度看，16个柱外框定位在八边形的角点和八边形边长的中点，相对于24个柱外框定位在八边形角点和八边形边长的三等分点，16个柱外框与幕墙风格能更好的协调。
(4)16个柱外框结构造价略高于24个柱外框，但综合建筑使用及与幕墙风格相协调角度来看，16个柱外框是更适合的一种结构方案，可作为后期研究的主要方向。
7 核心筒结构布置
核心筒是结构主要抗侧力体系构件之一，承担了结构大部分重力荷载、基底剪力和倾覆力矩，因此其抗侧刚度和结构效率是框架-核心筒结构设计的关键点。
核心筒设计必须考虑布置选型、结构造价以及结构质量等问题，同时，也必须考虑不同专业的设计要求，例如垂直交通、火灾疏散、设备层管道布置、加强层设备房间布置等。
7.1 核心筒结构墙体布置原则
(1)核心筒墙体宜对称、均匀、连续贯通布置，以使地震或风力可以连续传递。
(2)电梯门洞边的短墙不宜选为结构墙体，原因为由于墙体开洞口较多，对结构整体抗侧刚度提高帮助不大。若将电梯门洞边的短墙改为填充墙，墙体变薄，可方便乘梯人的视觉判断(图26);且不管电梯选用的是何种型号、信号箱是何种样式，填充墙都能适应;选用填充墙，对于低区电梯不用担心结构墙体不能连续的问题，且低区电梯的上空可以加以利用。
图2 6 电梯间人视分析图
(3)核心筒开洞不宜过大，对于外墙洞口宽度建议不宜大于3m。
(4)核心筒立面开洞宜上下对齐，避免墙体开洞上下错位。
7.2 核心筒平面形状
本项目核心筒底面宽度约为30m，核心筒高宽比约为8.3，由于建筑外轮廓为八边形，为保证办公的使用空间，核心筒可考虑八边形或圆形，相同宽度B、不同形状的平面抗弯刚度I比较如图27所示。
图2 7 核心筒不同平面形状抗弯刚度比较
图2 8 方案设计阶段核心筒结构布置图
综合考虑建筑平面的形状及结构平面抗弯刚度，核心筒选用了与外轮廓一致的八边形。
核心筒结构布置如图28所示，核心筒内墙采用“井字形”九宫格布置;核心筒外墙在高区单面收进，结构刚度减小，在高区收进处，内墙变为外墙，通过增加图28中右侧内墙的厚度(与核心筒外墙相同)来提高结构的整体刚度。
8 底部大堂空间结构转换方案研究
为了满足建筑在首层两个主要入口大空间的处理，结构外框柱的布置也需要做相应改变，方案阶段研究了两种斜柱转换方案。斜柱转换方案一(图29):八边形主入口处边中间柱不落地，采用“人字形”支撑柱转换，底部大堂入口处柱距21.6m，“人字形”支撑柱在首层会产生较大的拉力，“人字形”支撑柱之间的梁截面尺寸需要加大。斜柱转换方案二(图30):保证底部大堂入口处柱距为10m，在2～3层处设置两层高转换桁架;首层增加两个柱。
图2 9 斜柱转换方案一
两种斜柱转换方案的优缺点总结如表8所示，可见，斜柱转换方案一优于斜柱转换方案二，后续方案研究采用斜柱转换方案一。
9 最终结构方案
经过上述各方案比选，业主和建筑师在方案设计前期，根据“贴合建筑要求，结构安全、经济并且易于施工”的原则最终选择了16个柱随形斜柱外框、建筑立面中点收分、底部设置“人字撑”，同时外框设置三道腰桁架的结构方案(图31)。方案阶段竖向构件截面尺寸如表9～11所示。
图3 0 斜柱转换方案二
表8 两种斜柱转换方案综合比较
结构前3阶模态如表11所示，地震作用下最大层间位移角X向1/2 259,Y向1/2 263;规范风荷载作用下最大层间位移角X向1/616,Y向1/585。
表9 核心筒墙体厚度
表1 0 外框柱截面外径
表1 1 结构前3阶模态
图3 1 结构方案布置图
1 0 结语
本文主要描述了新北京中心项目在方案设计阶段，结构工程师配合建筑师进行方案研究的主要工作过程，从概念方案设计到100%方案设计，结构工程师利用参数化设计工具结合结构分析软件，从结构工程师的角度，给建筑师提供了4种外框布置形式、3种核心筒布置方式、2种底部斜柱转换方式等诸多方案的详细比选，主动融入到建筑师与业主方案创作过程中。本项目方案设计过程中，每种方案在设计初期均可以满足相关结构规范
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3-2010[S]．北京:中国建筑工业出版社,2011．
[3]型钢混凝土组合结构技术规程:JGJ 138-2001[S]．北京:中国建筑工业出版社,2001.