远大天空城市高1314米!结构概念可行性分析!

楼市   社会   2023-08-30 21:00   上海  

项目概述

2011年,远大集团凭借15天内建造一座30层大楼登上各大媒体的头版头条。此后,远大在湖南省长沙市望城区实施建设高838米“天空城市”计划,欲超越迪拜哈里发塔(高828米)成为世界第一高楼。项目总投资52.5亿元人民币,于2013年7月20日正式开工,后因各方面原因停工。

沉静十年,远大近日发布天空城市最新方案。
据介绍,天空城市新方案是巨钢管锥塔结构,塔内设置数十幢7~26层“远大活楼”,可设住宅、公寓、酒店、写字楼、医院、学校、商店......天城用自爬吊安装(吊机永远留在塔上,便于以后增减楼房)。
虽然塔体极高,但由于是锥形力学结构,再由于是采用比传统建筑轻十倍的活楼,所以钢耗并不高:此幢1314米高塔的钢耗,折合每平米建筑不超过100公斤,适合建造300~1500米高度的任何建筑,包括保障性住房。由于建筑采用工厂预制,建造周期极短,仅2年左右。



远大表示,天空城市是高密度城市实现最高生活品质、最低成本、最低碳的解决方案。

上述概述内容引用自GA环球建筑

结合超高层建筑结构设计复盘系列,对该项目平面尺寸(高宽比)、核心筒、柱截面、基础设计等方面对该项目进行结构概念可行性分析。
超高层建筑结构设计复盘:经济性
超高层建筑结构设计复盘:基础设计
超高层建筑结构设计复盘:结构布置
超高层建筑结构设计复盘:核心筒
超高层建筑结构设计复盘:结构体系
一、底部平面尺寸偏小

底部平面尺寸反应建筑的高宽比,高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制;在结构设计满足规范规定的承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后,仅从结构安全角度讲高宽比限值不是必须满足的,主要影响结构设计的经济性。

从目前大多数高层建筑看,这一限值是各方面都可以接受的,也是比较经济合理的。高宽比超过这一限制的是极个别的。

国内典型600m级超高层建筑上海中心、深圳平安金融中心、天津117大厦、武汉绿地中心等,高宽比在7~10左右,天津117大厦高宽比偏大,外框采用了巨型斜撑,有效的提高了外框架刚度。

随着建筑高度的增加,结构需要的刚度也越大,而且呈现指数增加。

远大天空城市位于长沙市,抗震设防烈度为6度,属于低烈度、低风压区,目前底部平面尺寸89mX89m,高宽比约为14.76,高宽比偏大。经济合理的高宽比应在10左右,如按高宽比10~12控制,则平面尺寸约为110m~130m左右,平面尺寸需增加20~40m,方可提供合理的刚度贡献。

当然,也有一些极端案例,施坦威大厦(The Steinway Towe),435m,共有84层,包含60套公寓,位于美国曼哈顿,这座被称为“世界上最纤细的摩天大楼”的建筑在美国纽约市竣工,它的高宽比达到了惊人的24,看起来就像一根插在地面的羽毛。

超大的高宽比,使得结构效率非常低,不得不增加了较多的结构布置,建筑使用率也大打折扣,仅有60套公寓。

二、底部核心筒偏小

核心筒结构是超高层建筑结构的主要抗侧力结构,核心筒除承受很大的竖向荷载外,在抵抗风荷载和地震作用方面也发挥了至关重要的作用,承担了80%~95%的底部总剪力和40%~60%的底部总倾覆力矩,由此可见核心筒结构的合理设计至关重要。

由于建筑使用功能与采光等的要求,超高层建筑一般将公共建筑设施、服务用房及楼梯、电梯等集中布置在楼层平面的中央区域,形成了多个专业共用的核心筒。在核心筒的外围及中间隔墙位置布置剪力墙,同时在门洞口位置设置连梁,共同形成了具有筒体受力特点的核心筒结构。

国内典型600m级超高层建筑底部核心筒占比约25%~30%,根据规范要求:核心筒的宽度不宜小于筒体总高的1/12,本着尽量减少核心筒尺寸,助力建筑使用率,核心筒按1/22~1/20已经是比较小的核心筒。

按此考虑,核心筒平面尺寸约为60m~65m,此时核心筒占比约为25%~30%,具有较好的刚度贡献,同时核心筒也需要满足电梯、楼梯、机房、公共配套等建筑使用功能需求。

三、核心筒收进难实现

根据方案要求,在23~20级,核心筒已大幅减小,进行了角筒收进,减去一半面积,而从19级开始,核心筒基本取消,仅为电梯功能使用,活楼内电梯可自行解决,但上下级之间活楼未对齐,如无核心筒,上部活楼无法电梯达到

第20级高度约为623m,如从19级开始取消核心筒,采用10柱框架结构(9外柱,1内柱),框架结构上部仍有约690m,大大超出框架结构适用高度,整体结构刚度将严重不足

为减轻结构自重,可考虑在上部200-250m左右采用纯钢结构。

参考天津117采用巨型支撑外框筒,如需满足刚度要求,至少需设置众多巨型支撑,方有可能满足整体刚度要求。

综上,就算不考虑电梯、楼梯疏散、设备用房等核心筒面积需求,从结构设计角度分析,19级以上取消核心筒将极为困难,较难实现。

四、整体刚度不足

由于需要设置“活楼”,结构主要受力为外框柱及核心筒,框架柱的层高就是每一级的高度,如底部28级,层高为95m,在28及顶部设置转换层,转换层承担4栋20F(60m)的“活楼”,在95m高度范围内,核心筒内部可设置侧向约束增加剪力墙稳定性,但外框柱无侧向约束,仅通过转换加强层约束。

底部典型分级高度为95m、84m、72m、60m、48m、36m、24m等,常规超高层加强层分区约为50m,且常规超高层普通楼层高度处,梁板也会为外框柱提供一定的侧向支撑,该项目底部大部分分级高度,较常规超高层高度要大,整体刚度比常规超高层弱

效率较高的增加刚度的方法是增加外框架支撑,为尽量减小对“活楼”的影响,可在如下部位增设支撑,类似大伸臂效果,对整体结构刚度贡献应该较好,支撑形式可根据刚度需求采用单斜杆或交叉斜杆等形式。

加强层预计采用厚板转换,或者转换桁架+厚板,对于转换60~80m超高层建筑,厚板预计约3m~5m左右。
五、柱截面偏小

国内600m+典型超高层柱截面如下:

上海中心底部总柱截面:156.88m2;

深圳平安金融中心底部总柱截面:154mm2;

天津117大厦底部总柱截面:180m2;

上海中心底部总柱截面:158.4m2;

该项目1314m,比上述600m超高层建筑高2.19倍,随着建筑高度的增加,由于重量累计,使得底部需要柱截面会更加增加,初略估算,该项目总柱截面约为520m2(158.4X2.19X1.5=520,考虑1.5倍放大),外框架采用12柱体系,按此估算,圆柱截面尺寸需达到直径7500mm~8000mm,如采用方柱,则约为6500mm~7000mm。

上海中心、武汉绿地中心等600m级超高层建筑,柱底内力约为50万~55万KN,对于1000m级超高层建筑,柱底内力将达到150万~200万KN,柱截面比普通超高层建筑,大大增加,因此减轻自重,采用高强度材料是必然选择。

“活楼”采用特殊轻质材料,将会使自重较常规超高层减轻不少,从而使得柱截面可以减小,但也需要考虑刚度和分级高度计算长度稳定性要求,预计圆柱尺寸3900mm偏小。

六、基础承载力可能不足

目前湖南长沙最高的大楼是长沙国际金融中心(又称九龙仓),总高度452米,副楼高315米,主楼95层,次楼63层。据当地人说,这里的建筑要比岳麓山高出一二百多米,是长沙第一高楼,也是湖南第一高楼。

根据拟建建筑物地下室底板设计标高与工程地质剖面图比对,其基底已进入11层中风化泥质粉砂岩中,综合分析场地岩土工程条件及拟建建筑物结构荷载特点,拟建建筑物的基础型式采用筏板基础,天然地基承载力特征值为2500kpa。

目前湖南长沙第二高楼是长沙世茂广场,总高度345米。

采用天然地基,局部进行换填、灌浆处理。

参考上述两个超高层项目,基底均已达到岩层,该项目基底也应该达到基岩,主要看基岩承载力高低,在基岩内打桩明显不合适,故而应考虑天然地基承重。

长沙国际金融中心基底为中风化泥质粉砂岩(承载力2500kPa),按25kN/m2自重考虑,可承担约100层超高层自重,约可承载建筑高度约500m左右

长沙世茂广场基底为中风化砾岩、微风化灰岩、中风化泥灰岩等(承载力2000~6000kPa),按25kN/m2自重考虑,可承担约100~200层超高层自重,约可承载建筑高度约500~1000m左右

因此,需严格控制超高层重量,采用轻质材料,能大大减轻自重,同时,基底应为微风化灰岩等,天然地基承载力特征值达到6000kpa及以上,方有可能满足该项目基础承载力需求

七、其他
“活楼”在加强层嵌固问题,如何让“活楼”稳固扎根在加强层?
加强层为满足转换承重“活楼”,应该具有一定高度,通过厚板或转换桁架+厚板,活楼下插加强层,满足基本埋深要求,加强层厚度类似地下室嵌固,具有一定可行性。

“活楼”间多塔效应,对主楼的影响怎么评估?
每个加强层之间的多个“活楼”,均具有多塔特性,不同加强层之间的“活楼”,也具有多塔效应,数量众多的不同特性“活楼”,地震耦合,复杂“多塔”考虑,增加了计算复杂性,现有计算软件是否能真实考虑,有待研究。
1000m级超高层含钢量指标可以不超过100kg?
常规200-300m级超高层建筑,含钢量都很难控制在100kg以内,何况该项目各种不利条件下,建造1000m级摩天大楼,已不能按常规材料强度去判断和使用,更强、更轻的材料具有迫切需求。该项目超高,自重累计效应极其明显,而且面积使用率低,换算到建筑单方含钢量,将是普通项目的数倍。
电梯、楼梯等垂直交通研究,如何实现1000m级超高层上下运输?
该项目目前基本没考虑“活楼”上下运输问题,人员疏散问题等,这些是极其重要的,不亚于结构设计可行性,竖向交通空间,可以为结构所用,作为核心筒提供重要结构刚度贡献,满足人员输送是前置条件。
八、总结
我国的超高层建筑发展始于上世纪90年代,经过二十多年的发展建设,我国的超高层建筑也获得了迅猛发展。我国已经形成了比较完善的超高层建筑结构设计、施工的规范和标准体系,对保证工程质量起了巨大的作用,我国已有大量400m~600m左右超高层建筑建成投入使用。
我国有多少已建成的超高层?排名前十的超高层是如何设计的?

在超高层建筑迅猛发展的同时,其在建筑空置率、建筑物理环境、建设运维成本等方面的问题也开始逐渐显露。

 超高层建筑“一味攀高”的发展模式。忽视城市现状规模、城市经济发展水平,而“一味攀高”,大量建设超高层建筑,与城市高质量发展(如生态健康、精致宜居)的趋势不相符合。

超高层建筑建设、运维成本“双高”。超高层建筑通常在城市中心区等核心地段进行建设,并由于其复杂特征需要采用特殊的设计、施工和运维技术,其全生命周期成本投入远高于普通建筑。特别指出,超高层建筑高度高且体量大,其内部系统(如空调通风、给排水、垂直升降等)消耗大量的能源,并产生大量的碳排放

 超高层建筑对城市环境的负面影响。超高层建筑对于城市空间微气候环境有一定的负面效应,如玻璃幕墙反射产生的光热污染,热量集中排放产生的强热岛效应等,城市空气污染等。

 人们对超高层建筑美学观赏态度转变。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高,人们更加看重城市所具有的、能够反映当地独特人文景观特色的风貌独特性和特征可识别性,而非一味攀比新高度的超高层建筑。

另外,时代背景下城市内部工作和生产方式的变化(如线上工作),也使得超高层建筑在时代转型下面临着重大挑战。

建设1000m级超高层建筑,不仅仅是上述所述问题,尚有其他待解决的问题。虽然目前方案问题很多,但基于目前的理论研究成果,还是有条件去客服实现,完成1314m超高层建筑结构设计、施工及建造是有理论可行性的,但是否真有必要性?
制约1000m级摩天大楼建设的主要问题:
1、材料的问题,需要探索强度更高、延性更好、质量更轻的材料;
2、基础的问题,足够强度的地基承载,满足摩天大楼承载力及变形要求;
3、施工的问题,如此庞然大物施工难度及建设难度完全超乎想象;
4、环境的问题,1000m级摩天大楼,已不是单纯一栋大楼,而是一座城,一座楼代表一座城,环境、火灾、用水、用电,甚至内部空气质量,流通,都是巨大的挑战,如何解决适宜人居。
建筑应该是社会、人文、自然、技术的完美结合,满足社会发展的需求,与当地人文理念相融合,与自然环境相协调,是设计与施工等技术的完美呈现。

以上未经计算分析论证,仅凭个人经验判断,难免有失偏颇,欢迎批评指正。


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