越来越高的摩天楼与天空竞赛的超级结构

2019-03-28 20:22:58 来源: 仙桃信息港

注:城市是人类文明的结晶,而摩天大楼则是现代城市皇冠上的明珠。越来越多的摩天楼拔地而起,人类也在不断探求着建筑物高度的极限。但是,除了象征意义,摩天楼终的设计也要回归到美观、结构、成本等多个维度。

本文作者为唐乐,宾夕法尼亚大学建筑学硕士,美国纽约和加州注册建筑师,美国LEED绿建筑协会认证专家,旧金山ISO ideas建筑事务所合伙人和设计总监。在创立ISO idea事务所之前,唐乐曾任职于SOM旧金山和芝加哥办公室以及Jean Nouvel巴黎办公室,负责和参与了南京鱼嘴新CBD主塔楼(600m),合肥联想新城混合功能开发(塔楼高320m),美国加州蒙特利尔市市政会议中心,卡塔尔国家博物馆等一系列超高层塔楼和重要城市更新项目的设计和建设。

本文转自公众号“彼山(ID:yonderdesign)”,作者:唐乐。

导语

长期以来,摩天楼作为塑造城市天际线的重要手段,受到政府,开发商以及市民的极大关注。国内摩天楼热度蔓延至今依然不减。但是,我们深感国内的络世界对摩天楼这一话题的深度剖析依然比较浅层。它们大都要么是从结构本身角度分析的科普类文章而忽视了结构生成其实极大地受到形式决策的影响,或只从形式本身来介绍停留于这个楼设计的好看不好看式的见仁见智。

我们希望通过一篇将摩天楼的建构逻辑,形式发展脉络到未来趋势系统性结合分析的深度文章,来帮助政府,开发商,设计师,以及摩天楼迷们来判断如何鉴赏的建成作品;以及建议决策者们如何在面对纷繁复杂的塔楼方案时如何有效地避开效果图不会告诉你的各种大坑,找到一条经济性,实用性,以及地标性共赢的解决方案。

由于文章结构较长,我们将文章分为三个主题篇落,将分三篇首发于彼山公众号。

篇:和天空竞赛的超级结构

很长一段时间以来,塔楼一直被认为是建筑设计中的皇冠。作为建筑类型学中系统复杂,集成度,技术难度的一种,塔楼特别是超高层塔楼的设计代表了人类挑战地心引力的雄心壮志和建筑工程技术的峰。而塔楼建筑本身往往又以其显而易见的高度形成一个城市天际线不可或缺的组成部分,一栋具有辨识度的塔楼往往能成为城市的名片和地标。在中国城市建筑特色大同小异的今天,人们寄希望于以一栋富有特色的塔楼来展现所在城市”更新更高更强”的新气象,立竿见影地提升城市形象,成为中国城市热衷建高塔的重要原因。

注:2020年世界的20座塔楼,其中有一半在中国。其中300米以上被称为超高层塔楼,600米以上被称为巨型高层塔楼。图片来自CTBUH。

本文并无意就塔楼设计的发展史展开详尽的全篇累牍,而是选择以一个一线建筑从业者的角度,以批判的眼光梳理近10年来塔楼设计的发展和变化,以期从中归纳出对市场,城市以及建筑学本身更有价值的塔楼设计经验和趋势,为国内正在规划或即将建设的塔楼项目提供一些设计上的参考和帮助。

注:建造中的重庆来福士大厦。图片来自络

值得指出的是,相比于其他建筑类型,高层塔楼的设计相对来说变化较小,发展较慢。原因之一是塔楼的项目少,造价高且工期长,而且受经济因素影响显著,造成整个塔楼设计的迭代很慢。即使在中国,现在不少在建的或刚建成的塔楼项目,也大多是5年或者更早之前的设计。从设计到建成用上10年甚至更久时间的项目更是屡见不鲜。如此长的落地时间,也让业主往往会偏向选择比较保守的设计,以避免在建筑形式上因为一时“跟风”而造成塔楼刚落成就落伍的情况发生。

例如上图Foster在San Francisco的泛海大厦,08年之前就完成了概念设计,因为金融危机和业主转换的原因,一直到17年底才开工(图片来自Foster and Partners)。

另一方面是塔楼的造型很大程度上受到结构的影响和限制。现阶段塔楼的主要结构策略主要还是三种,一是核心筒加外围结构(边缘巨柱mega column或交叉斜撑框架 diagonal bracing),二是“一根筷子易折断,十支筷子抱成团”的多束形tube cluster体系,三是偏心核心筒 offset core。前两种体系又基本垄断了超高层塔楼的结构设计。这三种结构体系,均在年代就已经发展成熟并有代表作品面世。后来的塔楼可以说只是在这个基础上不断的优化和调整,并没有重大的创新。

John Hancock Tower, Chicago, 1970核心筒加外部支持结构体系

WillisTower, Chicago, 1974多束形结构体系

Inland Steel Tower, Chicago, 1958偏心核心筒结构体系

以上SOM 年代在芝加哥的三栋塔楼分别代表了三种典型的塔楼结构类型,后世的塔楼发展基本脱胎于这三组结构原型。下图为2017年SOM结构组挑选出的SOM经典塔楼结构模型展览。从系统来看,直到如今塔楼结构的变化只是略有区别,但整体变化不大,导致建筑造型上能做的改变也不多(图片来自SOM)。

下图是公之于众的成都天府新区677m米超高层项目的设计方案,以“窗含西岭千秋雪”为设计意向,由KPF操刀。而其形式依然是经典的集束形Tube Cluster体系(图片来自络)。

一个原因是能提供超高层塔楼设计服务的公司相对来说比较少,且各个公司都有自己相对固定的设计风格和语言。在现代主义塔楼发展将近半个世纪之后,传统的大型商业公司的设计似乎都进入了一个高地瓶颈区,重复较多创新较少导致了各个公司的作品趋同化严重,很多方案都大同小异,似曾相识。

上图来自日本建筑大师伊东丰雄2016年在北京凤凰中心的演讲,其对世界高楼Burj Khalifa如此评价(字幕显示)。

幸运的是,随着项目经验的累积和建筑咨询(sub-consulting)产业的发展,除去一些极限高度的超高层塔楼存在一些技术壁垒(主要是结构方面),到目前阶段其他塔楼设计在工程技术上已经不再是一个难题。通过结构,幕墙,电梯,环保等专业咨询公司的技术支持,一些较为年轻,或之前不以塔楼设计作为其主要服务内容的建筑事务所也能逐渐进入这一市场。

虽然很多时候这些事务所在后期还是会和更大的商业事务所采取合作的方式来进行项目,但这也使他们更能把自己的精力集中在其擅长的方案设计上,为塔楼设计这一领域带来新的想法,创作出一些新颖的作品,这一点我们在后面的文章中还会提及。

以上我们简单的介绍了高层塔楼设计的现状。随着城市的发展,建筑技术的进步,新业态的产生和形成,塔楼的设计和建设也在进行相应的调整。下面我们会以一些案例作为辅助,分别以几个方面来捕捉这些的塔楼设计趋势。

大约在2000到2005年左右,伴随着新世纪带来的躁动和希望,人们对建筑行业普遍充满了英雄主义般的热情和乐观。当意识到BIM技术的成熟和工程技术的发展已经可以允许建筑师创造出一些有别于传统建筑类型的“超建筑”时,建筑师开始挑战一些在高层建筑上从未有过的形式。如果说这个时间段之间库哈斯设计的CCTV大楼还只是极具建筑师个人风格语言和社会主义政治特色而忽略建筑本身经济适用性的一个特例的话,在更广的实践范围内,商业设计公司们则不约而同的出现了一场对塔楼设计新形式的探索——旋转塔楼:

旋转塔楼汇总。图片来源于The Skyscraper Center。

从类型学上来讲,旋转塔楼保存了传统的核心筒加外墙建造体系,通过旋转的形体来弥补塔楼造型普遍比较单调的弊端,理论上来讲是一条很好的思路。但高层塔楼的建造往往牵涉到多个系统,牵一发而动全身,旋转的形体对建筑结构,抗震,幕墙等系统都提出了前所未有的要求。相当一部分的旋转塔楼方案“知难而退”,仅仅停留在方案阶段而没有得到真正的实施,而少数方案通过建筑师和施工方的努力终建成,然而却因为各种困难都做了不同程度的妥协,造成的完成方案在付出比一般方案多得多的成本和时间之后,依然存在不少遗憾。大家可以通过下面两个具体的完成案例来一窥端倪。

注:Cayan Tower, SOM。307m, 功能为住宅塔楼。

越来越高的摩天楼与天空竞赛的超级结构

(图片来源于SOM)

建成于2013年的Cayan大厦是SOM设计的为数不多的旋转塔楼之一。住宅塔相对于办公塔来说楼层面积较小,幕墙到核心筒的进深浅,在结构上处理旋转体量的难度要相对小一些。但为了解决这栋由下至上扭转90度的塔楼的结构问题,建筑师还是在建筑功能上为了结构做了很大的牺牲。

上图为Cayan Tower施工照片,如此密集的边缘混凝土结构使这栋住宅塔楼看起来更像一个碉堡(图片来源于SOM)。

上图为Cayan Tower标准层平面。(图片来源于SOM)

从图中可以看到,Cayan Tower采用了全混凝土结构建造。为了处理因旋转带来的结构位置偏移,结构工程师很耿直地在塔楼外围设置了一系列的混凝土立柱,并通过增大立柱截面积的方法使得上下柱体之间有一部分的重叠,以此来完成力的传导。

除此之外,在立柱交接错层的位置还配有一圈加强横梁以克服横向剪力,这进一步的减小了塔楼立面能够开窗的面积。在现代塔楼” 一寸风景一寸金”的设计原则影响下,建筑师都在想方设法削弱周围结构的存在感以获得更好的开敞空间和更多的进光量。在这个例子中,因为结构的原因,Cayan Tower的平面看起来实在有些繁冗和”复古”。

注:Cayan Tower近看拥挤的窗洞(图片来源于络)

如果说Cayan Tower的结构缺陷因为其住宅的功能还能通过平面布局来弥补的话,那上海中心的设计和建造则为了扭转的造型付出了相当大的代价。

注:上海中心。(图片来源于Gensler)

上海中心建成于2013年,塔楼高度632米,为办公和酒店功能混合,是目前中国建成的高楼。建筑设计来自于Gensler,结构由Thornton Tomasetti负责。塔楼单从设计来讲非常精彩,以中国传统的“龙”作为概念出发点,自下而上盘旋120度,形态飘逸舒展,旋转的体量也使得塔楼有了一种腾空而起的气势,当之无愧成为浦东的新地标。

但另一方面,600米高度的塔楼已经属于超高层的范畴,尤其在外滩这样的冲积层地质下,这个高度对建筑结构和抗震有非常严格的要求。要在这个基础上再实现幕墙的扭转,无疑给整个工程更增加了巨大的难度。在这个项目中,建筑师和结构工程师其实采取了一个不得已的折中方式,即在保障塔楼基本结构稳定的情况下,用第二套单独的次结构体系完成了旋转玻璃幕墙的造型。

注:上海中心标准层平面(图片来源于络)

从上海中心的标准层平面可以看到,塔楼的可使用楼面部分其实是一个规整的圆形,自下而上逐渐缩小。一般来说,圆形的楼面会选择圆形的核心筒,这样可以保证四周的楼面进深大致一致,使塔楼平面的利用率更高。但上海中心为了解决大量电梯排布的效率问题,核心筒选择了比较传统的方形到十字形递减,这就不可避免的在下部办公楼层中核心筒的四个角落处出现面积逼窄的pinch point,这对整个楼面的二次家具布置是很不利的。另一方面,在圆形的可用平面之外,我们也能看到大楼独立于主体的第二层旋转表皮,和起支撑作用的大量外伸桁架(平面中未着色部分)。

注:上海中心双层幕墙结构示意图。图片来源于Gensler

上海中心外立面采用的是在超高层塔楼中罕见的双层幕墙设计。如上图所示,内层的幕墙沿着圆形楼板的边缘排布,封闭楼层可用面积。在大楼总共七个避难层的区域,结构楼板伸出至外层旋转表皮,将整个大楼的外表皮分割为竖直的七个区域,每个区域的幕墙相对独立,以减少幕墙抗震设计难度。两层幕墙之间的空间是建筑师所设想的空中庭院,可以看到上图示意图中还有Gensler建筑师贴心地p上去的草坪和一棵树。然而实际体验是否真能如图纸所示如此绿意盎然呢?

注:上海中心双层幕墙内部效果图过滤掉了桁架与空间尺度负面影响。图片来源于络

首先,双层幕墙设计固然解决了塔楼旋转造型和超高结构之间的矛盾,但带来的结果却是建筑造价的巨大提升。按塔楼600米的高度来计算,覆盖外表皮的幕墙面积大约在120000平方米左右,如此巨大的幕墙悬挂面积,现在还要将它再翻一倍,着实令人感叹中国甲方的魄力。

另外由于外层幕墙的不规则性,Gensler采用了竖直平面玻璃的幕墙分割方法,这样的代价是玻璃上下交接处的铝合金幕墙框会变深,相当于每一面玻璃要多做一道边框,使幕墙造价进一步提升。再加上连接外幕墙所用的结构部件,笔者估计上海中心的幕墙造价至少应该在传统塔楼的三倍以上。这也是上海中心造价高企的重要原因之一(比较世界高楼迪拜塔Burj Khalifa 828米造价约15亿美元, 上海中心632米造价达148亿人民币),可谓用钱堆砌的房子。

另一方面,从建成照片来看,上海中心的空中庭院空间比例高而狭窄,尺度并不宜人,再加上结构杆件众多,终的空间效果并不理想。也浪费了宝贵的潜在楼板使用面积。

上图为上海中心空中庭院建成照片,密密麻麻的结构杆件大大降低了空间品质

项目建成之后,可以看到业主为了利用好这个灰空间所做出的的尝试于努力。但是现实效果则往往令人男默女泪。

注:巨型桁架下的中式小亭(图片来自络)

一般来讲,当塔楼高度超过300米之后,因为呈指数上升的高昂建造成本,仅仅通过塔楼建筑本身提供的楼层面积已经难以完成投资上的返还了。换句话说,大部分300米以上的塔楼在建筑本身的投资上都是亏损的,开发商一般通过修建超高层地标所带动的周边地块开发升值来平衡整个项目的收益。在这个基础上如果进一步增加塔楼的建造费用,开发商方面的压力会变得非常大。也只有在浦东上海中心这样的重要地标建筑项目,甲方和政府可以不惜成本的来投入一栋单体建筑。而在大多数普通塔楼项目的设计和开发中,更多的建筑师还是会选择避开因为旋转造型带来的种种弊端,回归更为理性的结构布局和建筑造型。

大部分的开发商和建筑师还是更青睐这样有些小趣味的玻璃盒子塔楼。图片来源于Webcor

因此现在看来, 2005年左右兴起的这批旋转塔楼设计热潮退却之后,仅留下个别大费周折的项目建成,而并没有形成普遍的影响力,在塔楼形式的探索中可以算是一条有趣的支路。

注:MAD设计并建成的加拿大梦露双塔(图片来自络)

所以说,建造塔楼,尤其是超高层塔楼,很大程度上就是建造塔楼的结构体系。主观的为了造型而使用一套不合理的结构,必然会使整个工程事倍功半,造成资金,材料,时间上的浪费。在这样的反思和总结下,当前的塔楼设计回归理性,尊重物理原则。建筑师往往会从一套成熟结构系统出发,进行合适的改进和更新,从而产生新的建筑形式元素。这样一方面便于控制项目落地,工程质量可预期有保障,另一方面设计上也有小创新,可以把新项目和市场上的其他玻璃方盒子们区别开来,有益于营造塔楼“地标”的独特气质。

在SOM近完成的两个比较出彩的塔楼项目中,这样的趋势就很明显。深圳中信金融中心大楼采用了一套经过改良的外立面结构交叉支撑系统。这套系统经过工程师的优化,在结构上比传统的X型交叉支撑更有效率,可以大大减少用钢量和结构部件尺寸。在这个项目中,即使在塔楼的层,边缘结构支撑柱(混泥土灌浆钢柱)截面也能做到仅1.7x1.7米,而上部结构尺寸则在0..6m左右,从而给建筑留出更大的开窗面积。

注:渐次收分的平面与结构截面设置(图片来自SOM)

这样的结构系统在一栋300多米高的高层塔楼上实在难能可贵。在立面上来看,交叠的结构支撑作为主要建筑元素层叠而上,形成了一种像喷泉一般的优美的韵律,使得整个塔楼有了一种向上的生长感。这套结构体系也成为SOM目前主推的体系之一,大家可以在很多的SOM塔楼方案中看到类似的结构和立面。

312米深圳中信金融中心方案效果图,塔楼外部结构明显要比一般塔楼细很多。图片来源于SOM

从严谨的受力分析与结构优化终达到结构,功能与视觉效果完美统一。图片来源于SOM

而在贵阳文化广场大厦的设计中,建筑师利用塔楼四个角上的超级框架(superframe)来取代传统的巨型支撑柱。这样一方面在塔楼的四个面上可以实现无柱的连续玻璃幕墙,另一方面在角上的结构也得以化整为零。如下图所示,结构支撑构建完全集中塔楼四个角部,其余立面则完全开敞。

这样的转变除了缓解塔楼风压,还能让建筑使用者的视线可以穿过结构框架之间看出去,算是一个360度的全景塔楼。

521米贵阳文化广场大厦方案效果图。角部结构视觉上是穿透的。图片来源于SOM

正如笔者在文章开头所述,塔楼建筑设计的迭代是一个相对缓慢的过程,在结构,技术和资金的制约下,这种以局部结构改进和优化而产生的新塔楼形式,相信会成为很长时间上市场上塔楼设计的一种趋势。在下一个篇章中,我们将为您介绍另一组正在发生的塔楼设计演进长河中的重要趋势,敬请期待。我们也欢迎读者留言说说对于自己生活的城市中摩天楼的看法。

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