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坊塔以9个“方盒”叠加成钢铁大楼，极不规则的造型、独特的外框设计，别具特色。并呈现出“舞动”的优美姿态，形同“舞动魔方”。坊塔建成后将成为佛山新地标，它具有如广州“小蛮腰”一般的城市观光功能。已通过超限审查并将在2015年竣工的坊塔将成为国内最具特色的钢结构建筑。在工程设计之初，中国工程院院士容柏生就曾说：“坊塔结构设计难度远超广州西塔，与中央电视台大楼难度相当。” 1 工程概况 坊塔项目(图1)坐落在佛山新城世纪莲体育中心旁，为佛山市公共文化综合体项目中的标志性建筑，该建筑地上17层，地下2层，总建筑面积为2.59万m2，塔楼建筑高度为153.6m。 图1 建筑效果图 33.6m以下由4个较大方体组成，其中西侧两个方体平面尺寸为28.8m×28.8m，主要建筑功能为展厅和餐厅。东侧两个方体平面尺寸为48m×48m和28.8m×28.8m，主要建筑功能为剧院和多功能厅。在33.6m标高以上各方体平面尺寸与其高度一致，各楼层主要功能为空调机房、会议室、观光平台等。结构立面图如图2所示，33.6m标高以下和以上典型楼层结构平面布置见图3，4。 图2 结构立面图/m 图3 33.6m标高以下典型楼层结构平面图 图4 33.6m标高以上典型楼层结构平面图 各个方体交界处平面关系示意如图5所示。方体外框由斜柱和为实现建筑造型所需要的肌理两部分组成，如图6所示。 图5方体交界处平面示意图 图6 外框构成示意 坊塔与两侧的城市规划建设展馆以及后台部分和行政办公部分（之间以250mm宽防震缝从±0.000m以上分开，形成各自独立的抗震单元（图7）。 图7防震缝示意 坊塔项目采用钢斜交外围网格-核心筒的结构体系,该体系近年来在国内外项目中屡有采用，如广州西塔、东京Kokun Tower及北京CCTV总部等。与上述项目不同，坊塔的斜交网格上下并不连续，设计时对其传力途径、受力特点及抗侧抗扭刚度进行重点研究，并提出相应的解决方案。
2 外立面结构布置 根据建筑的立面效果要求，分别考虑了四种不同的外框立面结构布置方案：1）方案一把外框斜交网格和肌理全部作为结构构件；2）方案二把除肌理以外的外框斜交网格均作为结构构件，肌理按幕墙构件设计；3）方案三在方案二的基础上，把作为主体结构设计的外框斜交网格的间距加大一倍，除把肌理作为幕墙构件设计以外，还把部分外框斜交网格也按幕墙构件设计；4）方案四在方案三的基础上，进一步减少了作为主体结构构件设计的外框斜交网格，仅把主对角线的斜杆作为主体结构构件设计，其余杆件均按幕墙构件设计。如图8所示，其中粗实线为结构构件，细虚线为幕墙构件。 通过对各方案的综合分析比较，采用方案二作为立面结构布置最终实施方案。 图8 外框立面结构布置 3 结构体系研究过程 从建筑外形看，坊塔由上部5个方盒搭建在下部4个方盒上而成，每个方盒按建筑要求的一定模数大小不等、相互错开，中部相互间重叠区域沿高度方向贯通，形成落地的核心筒，坊塔33.6m以上除方体顶部及底部存在楼层外，仅在33.6，67.2，91.2，115.2，134.4m存在少量楼层。 在结构体系选择过程中，考虑了混凝土核心筒+大悬挑结构系统（图9）和核心筒+斜交钢外围框架结构体系（图10）。经分析比较，最终确定采用钢核心筒+斜交钢外围框架结构体系。 图9 模型、核心筒示意 图10 核心筒示意 对于核心筒+斜交钢外围框架结构体系，对于外围结构引入的程度也作了相应研究，模型1为斜交钢外围框架全部引入结构体系，模型2为外围延伸至67.2m，如图11所示，其中顶部方盒（134.4～153.6m）并非主体结构，未算进层间位移角。
图11 斜交钢外围框架不同高度模型示意 从图12可以看出，对于模型1，整体分析指标满足框架-核心筒规范1/800的要求。而对模型2，上部核心筒位移角超出规范1/800及1/1 000（剪力墙结构）的限值。 考虑到建筑对斜交钢外围框架尺寸上有严格的要求，而上部24m高幕墙支撑构件尺寸将与结构构件尺寸接近。综合考虑体系的完整性、结构安全、多道防线概念需要及幕墙需要，斜交钢外围框架全部引入与核心筒一起组成结构抗侧体系。
图12 风荷载作用下外围结构层间位移角 4 超限抗震性能化设计要求 坊塔性能目标选用B级，性能目标与结构在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准对应见表1。 抗震性能目标 表1
5 整体弹性分析结果 5.1 周期 用特征向量法计算结构动力特性，前3阶周期如表2所示，两种软件的分析结果比较吻合。
5.2 水平荷载作用 水平荷载作用下，结构底部（-4.8m处）剪力、倾覆力矩如表3所示。
5.3 结构层间位移角 在水平和竖向力作用下，结构顶点的最大位移如表4所示，结构层间位移角见表5。
6 结构优化设计方面的考虑 结构优化设计方面主要考虑了：1）区分受力关键杆件和普通构件；2）屈曲后强度利用；3）按新抗规放松对多、高层钢结构位移角要求的精神，在施工图阶段全面考察结构受力特点和性能要求，优化构件尺寸；4）在施工图阶段结合建筑、机电专业的要求，对核心筒内钢支撑进行屈曲支撑的研究和优化布置，节省核心筒材料用量。 7 整体稳定性分析 整体稳定性分析包括：1）屈曲模态分析（图13）；2）杆件承载力校核（图14）;3) 几何非线性稳定性分析校核（图15）；4) 材料及几何双非线性稳定分析校核。计算结果表明，结构具有足够的整体稳定承载力，不会发生整理失稳破坏。
图13 第1阶整体屈曲失稳模态示意
图14 杆件承载力校核
图15 荷载系数-位移曲线 8 罕遇地震弹塑性分析 采用LS-DYNA建立三维非线性结构整体分析模型，使之与弹性分析的SAP2000模型一一对应。大震时阻尼按新抗规第8.2.2条建议的阻尼比值取为5%，并在满足质量参与系数达到90％的频域范围内不变。 斜交钢外框及核心筒竖向构件在大震下只有少部分出现塑性铰，且在IO范围内(可运行的破坏程度)，斜交钢外框及核心筒竖向构件在大震作用下，轴向应变在弹性范围内，结构基本安全。 9 施工顺序及施工重点 9.1 施工顺序 按工程施工安排，塔楼地下层2及地下层1混凝土结构会先行施工，并将地下层1（-4.8m）作为上部钢结构的施工平台。钢核心筒施工快于斜交钢外框及楼层。塔楼结构施工的基本顺序如下：1）塔楼基础施工；2）进行钢核心筒的安装；3）现场将工厂制作好的杆件拼接成分块的钢斜交外框；4）依次吊装焊接斜交钢外框，并采取有效措施保证其侧向稳定性；5）安装楼面主、次梁；6）继续上部钢结构安装，撤除下部不必要的临时支撑体系；7）绑扎楼板钢筋，浇筑楼层组合楼板。 9.2 施工重点 坊塔施工的重点和难点是钢结构工程施工。钢结构施工面临四大挑战：挑战1——高空悬挑“空盒子”；挑战2——钢斜交外框柱安装；挑战3——舞台屋面逆作法施工；挑战4——剧院屋面高空单元拼装。整个项目的用钢量超过了1万吨。
图16 现场施工图 更多内容详见《建筑结构》杂志： 2012年第6期文章，题目：《佛山坊塔斜柱外框结构设计》；作者：雷磊1，赵松林1，周定1，徐刚1，雷强2；单位：1广州市设计院，2奥雅纳工程咨询（上海）有限公司深圳分公司。 2012年第10期文章，题目：《佛山公共文化综合体坊塔项目结构体系研究与超限设计》；作者：雷强，程辉，廖伟，马晖，林奉军，汪洋；单位：奥雅纳工程咨询（上海）有限公司深圳分公司。 |
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