隨著超高層建筑在全球范圍內(nèi)涌現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)式建筑因其獨(dú)特外形、開(kāi)闊的視野、實(shí)用的性能，而受到建筑師的喜愛(ài)，并不斷應(yīng)用于超高層建造上。這其中，離不開(kāi)建筑師們大膽的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)突破，因正是這些建筑的存在，為都市的風(fēng)景更添一番別樣風(fēng)采。
1 扭轉(zhuǎn)式建筑的定義
世界高層建筑與都市人居學(xué)會(huì)（CTBUH）中對(duì)扭轉(zhuǎn)式建筑的定義為，建筑的樓面或者立面隨著建筑高度旋轉(zhuǎn)而變化，使得建筑立面顯得更纖細(xì)、富有更多的變化和建筑視野更為開(kāi)闊。
▲ 主要的扭轉(zhuǎn)式超高層建筑（CTBUH）
通常對(duì)建筑體型進(jìn)行一定的扭轉(zhuǎn)，可以十分有效地減少建筑所受的風(fēng)荷載，并且旋轉(zhuǎn)不同的角度對(duì)減少風(fēng)荷載的效果也不同。
▲ 扭轉(zhuǎn)體型對(duì)風(fēng)荷載的影響
從下圖中可以看到，對(duì)于矩形形狀的建筑，當(dāng)外形沿高度扭轉(zhuǎn)180時(shí)，地震作用下的加速度及變形情況相差不大，但是風(fēng)荷載下的加速度和變形可以得到有效控制。
▲ 扭轉(zhuǎn)體型對(duì)風(fēng)荷載下的加速度和位移的影響
2 常見(jiàn)的扭轉(zhuǎn)式建筑
達(dá)芬奇塔
達(dá)芬奇旋轉(zhuǎn)塔由一個(gè)中央混凝土核心用來(lái)容納重要的靜態(tài)設(shè)施，如電梯，樓梯，管道和其他設(shè)施。
▲ 達(dá)芬奇塔中的裝配式的應(yīng)用
整個(gè)建筑基本上由預(yù)制的單元組成，包括地板，水管，空調(diào)等，整體結(jié)構(gòu)合理靈活，抗震性能超高。
▲ 達(dá)芬奇塔建造示意
從宣稱要建造一座420米高，集各種世界**于一身的摩天大樓，到如今已經(jīng)過(guò)去了約十二年的時(shí)間，希望土豪迪拜這一次能夠真的兌現(xiàn)。
南京江北新金融中心
建筑設(shè)計(jì)：PCPA & ECADI結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：ECADI
▲ 南京江北新金融中心
整個(gè)建筑高300m，在平面上采用了“天圓地方”的概念，各層平面由底部的方形逐步變?yōu)轫敳康膱A形，且在立面上略有收進(jìn)；在各層平面形狀變化的同時(shí)，體型從底到頂整體逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)30°。
▲ 建筑平面隨高度變化情況
“密柱框架-核心筒”結(jié)構(gòu)體系。由于斜柱在豎向荷載作用會(huì)產(chǎn)生環(huán)向的水平分量，為提高結(jié)構(gòu)整體性，在外框中設(shè)置了一道環(huán)帶桁架。
▲ 結(jié)構(gòu)組成
與常規(guī)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)相比，水平荷載作用下，受力、變形特征相似。由于斜柱的原因，在豎向荷載作用下的受力、變形特征與常規(guī)結(jié)構(gòu)不同，是需要重點(diǎn)關(guān)注的。
臺(tái)北陶朱隱園住宅大樓
建筑設(shè)計(jì)：Vincent Callebaut Architectures SARL, LKP Design
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：King Le Chang & Associates
▲ 陶朱隱園
陶朱隱園位于臺(tái)北，是一座以垂直森林為原創(chuàng)的建筑地標(biāo)，被美國(guó)CNN評(píng)選為2016年全球九大城市地標(biāo)之一。
陶朱隱園的主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是整體的建筑設(shè)計(jì)。建筑的核心是一根主柱，然后自二樓開(kāi)始到頂樓，兩側(cè)的樓層面沿順時(shí)針?lè)较蛳蛏吓噬D(zhuǎn)4.5度，全棟旋轉(zhuǎn)90度，使之看上去像DNA螺旋體。
▲ 陶朱隱園
上部結(jié)構(gòu)為21層，標(biāo)準(zhǔn)層高為3.6ｍ，總樓高不含屋頂突出部分為78.75ｍ。頂層上方設(shè)有５ｍ高的屋頂結(jié)構(gòu)桁架及３層共9.45ｍ高的屋頂突出部分，故總高度為93.20ｍ。
▲ 陶朱隱園結(jié)構(gòu)概念圖
▲ 陶朱隱園結(jié)構(gòu)組成
從上圖可以看出，為使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能與建筑理念相呼應(yīng)，并解決在旋轉(zhuǎn)幾何條件下室內(nèi)無(wú)柱的難題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)梁柱結(jié)構(gòu)的思維，以三維框架的概念來(lái)思考。項(xiàng)目的上部結(jié)構(gòu)由數(shù)個(gè)單元所組成，包含中央鋼核心筒、屋頂伸臂桁架、兩側(cè)旋轉(zhuǎn)而上的巨型柱以及兩層樓一組的空腹桁架，各個(gè)結(jié)構(gòu)單元相互配合。
▲ 陶朱隱園的巨柱布置
▲ 陶朱隱園空腹桁架布置
▲ 陶朱隱園結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
▲ 施工進(jìn)度
▲ 陶朱隱園
夢(mèng)露大廈
建筑設(shè)計(jì)：Burka Architects; MAD Architect結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：Sigmund Soudack & Associates Inc
▲ 夢(mèng)露大廈(@CTBUH)
Absolute Tower有56層，每一層平面都是一摸一樣的橢圓，但隨著樓層升高，他們?cè)谛D(zhuǎn)著不同的角度。二維不變的56個(gè)橢圓平面到性感的、變化的三維曲面就這樣形成了。從一層到十層，每層旋轉(zhuǎn)一度，11層到24層每層旋轉(zhuǎn)8度，26層到40層，每層旋轉(zhuǎn)8度，第41層到50層，每層以3度旋轉(zhuǎn)，最后6層以1度旋轉(zhuǎn)。
▲ 夢(mèng)露大廈平面圖(@CTBUH)
三維結(jié)構(gòu)布置如下圖所示，除了利用了中間的豎向交通核布置核心筒外，還利用了房間的分隔墻布置了剪力墻，形成這種網(wǎng)格式的剪力墻布置形式。外圍布置的剪力墻隨著樓板邊界的變化向外延伸或者后退。同時(shí)，為了使得建筑更加輕薄，外圍樓板均采用懸臂板的形式。
▲ 夢(mèng)露大廈結(jié)構(gòu)示意圖(@CTBUH)
▲ 夢(mèng)露大廈結(jié)構(gòu)示意圖(@CTBUH)
▲ 夢(mèng)露大廈施工過(guò)程圖
▲ 夢(mèng)露大廈(@CTBUH)
深圳世茂前海中心
▲ 深圳世茂前海金融中心
作為全球首例45°旋轉(zhuǎn)藝術(shù)建筑，世茂前海中心，由“全球十大旋轉(zhuǎn)建筑”之首的上海中心大廈設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)Genlser原班人馬打造，突破工程限制與技術(shù)壁壘，以全球首創(chuàng)的45°雙旋轉(zhuǎn)藝術(shù)建筑，完美呈現(xiàn)“God Curve”筑造建筑美學(xué)與視覺(jué)呈現(xiàn)達(dá)到**美觀與藝術(shù)化，革新城市封面。
▲ 深圳世茂前海金融中心
塔樓地下3 層，地上67 層，建筑高度324. 5m，結(jié)構(gòu)主屋面高度303. 9m。塔樓從首層( 52.5mx52.5m)至屋面(42.8mx42.8m) 每層繞中心點(diǎn)相對(duì)于下層旋轉(zhuǎn)大約0. 68°，共旋轉(zhuǎn)45°。
▲ 結(jié)構(gòu)選型
在概念設(shè)計(jì)階段，建筑師提出塔樓采用旋轉(zhuǎn)內(nèi)收外形，從最初的旋轉(zhuǎn)60°，再到22.5°，30°， 45°。初步研究表明，風(fēng)致荷載在建筑旋轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，無(wú)明顯改變。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度超過(guò)30° 時(shí)，風(fēng)致荷載減小較明顯。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，塔樓旋轉(zhuǎn)45°時(shí)，風(fēng)致荷載減小約10%。同時(shí)，結(jié)構(gòu)初步分析結(jié)果表明，當(dāng)樓層剪力分布接近情況下，塔樓在不旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)30°、旋轉(zhuǎn)45°、旋轉(zhuǎn)60°時(shí)，除豎向荷載作用下的外框架轉(zhuǎn)角不同外，結(jié)構(gòu)周期、位移角、內(nèi)外筒剪力、彎矩分配比例相差很小。綜合建筑造型及結(jié)構(gòu)荷載和受力特點(diǎn)，實(shí)施方案采用建筑旋轉(zhuǎn)45°。
▲ 結(jié)構(gòu)體系
塔樓采用的是典型的框架-核心筒形式，外框?yàn)殇摴芑炷练侄坞p向斜直柱+ 鋼梁，核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
▲ 典型結(jié)構(gòu)平面
塔樓在水平荷載作用下與常規(guī)框架-核心筒的受力、變形特征接近，但在豎向荷載作用下則有較大不同。豎向荷載傳遞路徑研究顯示，每一層的豎向荷載按常規(guī)方式分別傳遞至外框架與核心筒之后，外框架部分的荷載繼續(xù)向下傳遞時(shí)，一部分轉(zhuǎn)化為沿柱軸向的斜向軸力，另一部分則轉(zhuǎn)化為水平力并在外框架處形成水平力環(huán)流，對(duì)核心筒產(chǎn)生扭矩。
▲ 豎向荷載傳力路徑
典型外框架柱的水平力與軸力的比值：在47 層以下約為0.3%~1.5% ，水平力不超過(guò)555kN；在48~57 層，約為3%~8% ，水平力不超過(guò)502kN；在58~66 層，約為9%～ 28% ，水平力不超過(guò)523kN。
▲ 樓板中的拉力、壓力及剪力分布
這些水平力通過(guò)梁柱節(jié)點(diǎn)又重新回到了外框架環(huán)向梁和樓面徑向梁中，并通過(guò)梁與樓板的連接構(gòu)造傳遞至樓板中，在樓板內(nèi)形成與核心筒墻約成10°~30°環(huán)繞核心筒四周分布的拉力、垂直核心筒分布的壓力和平行于核心筒分布的剪力。其中的剪力和壓力，通過(guò)樓板與核心筒的連接構(gòu)造傳遞至核心筒外墻，形成核心筒外墻剪力流。
▲ 豎向荷載傳力路徑示意圖
樓層豎向荷載傳力過(guò)程中形成的水平力特征：（1）每層梁柱節(jié)點(diǎn)處的水平力大小僅與本層豎向荷載有關(guān)，即每層外框架處對(duì)核心筒的扭矩大小僅與本層豎向荷載有關(guān)，不逐層累積；（2）每層核心筒的扭矩均為本層外框架處傳來(lái)的扭矩與上層核心筒傳來(lái)的扭矩之和，即核心筒扭矩逐層累積。核心筒扭矩以核心筒剪力墻中的剪力環(huán)流形式存在。
▲ 豎向荷載下的扭矩分布示意圖
不同于常規(guī)框架-核心筒結(jié)構(gòu)，這里的樓板除了起到聯(lián)系外框架與核心筒，以及傳遞水平荷載之外，還要傳遞豎向荷載產(chǎn)生的水平力。樓板的傳力性能，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全起著決定性的作用。
▲ 閉合剪力墻剪力環(huán)流
在重力荷載作用下，樓板傳遞至核心筒的扭矩轉(zhuǎn)化為核心筒剪力墻的剪力，在墻上產(chǎn)生斜方向的主拉力。因此，樓板與梁柱及核心筒的連接至關(guān)重要。
▲ 梁柱與樓板的連接示意
柱、梁與板連接構(gòu)造: 從柱邊向外一倍柱直徑范圍內(nèi)，設(shè)置環(huán)向鋼筋以加強(qiáng)柱與板的連接。同時(shí)，梁上設(shè)栓釘，并在外框架梁寬范圍的板帶內(nèi)提高鋼筋配筋率。板、核心筒連接: 樓板傳遞的剪力不超過(guò)抗剪截面限值，樓板與核心筒之間的分布鋼筋按抗剪切滑移校核。
重慶高科太陽(yáng)座大樓
建筑外觀整體扭轉(zhuǎn)，東西兩側(cè)外立面隨高度實(shí)現(xiàn)了90°扭曲旋轉(zhuǎn)，這一獨(dú)特的扭轉(zhuǎn)造型形成了扭曲極大的雙曲面，**單層扭擰角度達(dá)到8.8度/層，將成為世界**扭的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)者。
▲ 重慶高科振動(dòng)臺(tái)模型
結(jié)構(gòu)采用鋼管( 型鋼) 混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，其中框架是由鋼管混凝土( CFST) 柱與型鋼混凝土( SRC) 梁組成。豎向構(gòu)件與建筑立面相協(xié)調(diào)，外框架中形成空間扭曲斜柱。結(jié)構(gòu)在中部樓層形成細(xì)腰型，為了增強(qiáng)框架的整體性和斜柱之間的聯(lián)系，在每側(cè)斜柱間設(shè)置3 道鋼管混凝土斜撐，用于分擔(dān)上部荷載所產(chǎn)生的豎向力，形成了空間扭曲的斜交柱網(wǎng)。
▲ 重慶高科施工照片(@CTBUH)
扭轉(zhuǎn)式的超高層建筑還有很多，限于篇幅，不再一一詳細(xì)介紹。下面主要介紹一些知名的扭轉(zhuǎn)式建筑案例。
▲ 上海中心
▲ Revolution Tower(@CTBUH)
▲ Infinity Tower (@CTBUH)
▲ AI Tijaria Tower (@CTBUH)
▲ Mode Gakuen Spiral Towers (@CTBUH)
▲ Diamond Tower (@CTBUH)
▲ 舊金山米拉大廈 (@CTBUH)
▲Lakhta Center(@CTBUH)
▲ The Point(@CTBUH)
