Arup奥雅纳丨探秘天安千树结构设计
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#FRAME构架 来自上海的报道
本案项目是年前在上海开业的天安·千树一期商场。该项目凭借丰富业态和艺术氛围，提供崭新的一站式零售休闲体验，成为苏州河畔生活新地标。
天安·千树位于上海普陀区莫干山路，北邻苏州河，东近M50艺术产业园。这里曾是民族工业遗迹 —— 荣氏阜丰面粉厂旧址。整体开发分为东西两个地块，总建筑面积约30万平方米，由著名英国设计师Thomas Heatherwick打造。
近期开放的一期商场位于项目西区，营造了一个集自然、人文、艺术、创新商业为一体，提供沉浸式体验的生活休闲空间。奥雅纳自2012年起参与项目设计，提供结构方案和初步设计咨询及施工图阶段审查服务。
© Kingkay Architectural Photography
独特地标的结构逻辑
这一大型商业综合体建筑高约60米，设有地上9层及地下3层。约1,000根清水混凝土“花盆柱”拔地而起，从地面一直延伸至建筑顶端，打造出独特的建筑风貌。建筑围护结构逐层后退，在视觉上创造了两座覆盖着绿色植被的山脉，宛如交融于周边环境的城市“绿岛”。
© 天安千树
相较于大多数混合用途建筑采用的方正布局、玻璃立面以及钢和钢混结构，天安·千树打造出了一种独特的新型拓扑结构。
▲基地平面© Heatherwick Studio
在项目伊始，Thomas Heatherwick设想采用9米 x 9米的标准柱网，以相同逻辑和近似的结构体系实现建筑造型。此举可最大限度地降低结构造价，为建筑施工和绿植铺设留出更多预算。
然而，该建筑形态的复杂性给结构设计和项目施工带来许多挑战。例如，商场室内布局包含一系列譬如动线、中庭、活动空间和大小店铺等不规则的元素，这意味着并非所有结构柱均可采用 9米柱网。
▲大悬挑–结构体系© Arup
通过精细设计及充分沟通，奥雅纳结构团队提出将部分结构柱移出9米网格，通过设置斜柱、转换柱、大跨和悬挑框架，以及吊柱等，来满足空间要求的解决方案。我们曾考虑采用少墙结构，但由于项目本身造型及墙体位置限制，最终团队选择了混凝土框架结构实现设计。
© Kingkay Architectural Photography
超长结构的无缝设计
本项目平面呈狭长状，最长处达260m，而宽度仅为60m。在最窄的第8层，长、宽仅为153米和12米，平面长宽比达到12:1。按照常规的处理方法，将通过设置至少一条伸缩缝来解决楼面的收缩问题。
然而，综合使用功能和需求等各方面因素，我们细化分析薄弱位置，采用有针对性的局部加强措施，实现了无伸缩缝结构，以此减少对建筑立面的影响。
▲8层转换构件示意图© Arup
由于建筑退台的需求，结构框架在不同楼层的几处位置形成局部单跨框架，缺少结构冗余度，对结构抗震不利。为此，我们针对单跨桁架进行局部加强，采用非线性时程分析方法对不利单跨框架进行细致的地震响应分析模拟，使其强度和性能得到验证。
创新构件优化抗震设计
狭长的场地、高低错落的阶梯式立面均加大了调整位移和相对转动刚度等抗震设计要素的难度。层层后退的建筑边缘形成45°倾斜的波纹式露台，外露柱室内外排水、饰面差分，以及45°旋转结构，对楼面框架和最大净空空间设计构成了巨大挑战。
作为全球最具创意的建筑事务所之一，Heatherwick Studio十分注重对建筑功能和构件的研究和创新。天安·千树项目包含许多大小各异的构件，这对结构工程来说既是挑战也是激励。
© Kingkay Architectural Photography
结构柱的特殊建筑表达也推动了结构设计的创新。建筑师希望，将所有周边外凸处的框架柱和中庭洞口边的框架柱暴露在外，使其从地面一直延伸到顶端，形成山峰树状露台的建筑效果。
▲典型外露柱与框架梁的连接 © Arup
框架梁柱偏心和剪切连接件的设置无疑增加了建筑抗震性能的设计难度。奥雅纳团队通过计算分析，模拟了外露框架柱的屈曲模态，以确定外露柱沿东西向的计算长度系数，并优化了剪力连接件尺寸。
此外，外露柱与正交的弯矩梁网格成45°角，这使得梁柱接头处的钢筋特别密集。团队采用圆形结构柱，简单而有效地解决了这一设计难点。同时，我们通过特殊的“外饰”帮助形成45°的视觉效果。
▲与外露柱相连的框架梁验算 © Arup
精细设计打造垂直绿化
整个项目最引人注目之处，无疑是其布满开放式露台的近1,000棵绿植。这些郁郁葱葱的花盆虽不属于结构抗侧体系，但其体积和重量约占建筑总量的4%，这使其成为建筑设计和细部设计的重要组成部分。
▲垂直绿化对结构影响 © Arup
在设计过程中，奥雅纳团队充分分析和研究了项目大体量垂直绿化对结构的影响，确保结构的安全性并满足抗震要求。
▲清水混凝土“花盆柱”© Kingkay Architectural Photography
根据建筑设计方案，项目共包含5种不同大小的花盆。其中，最大的独立花盆为边长3.6米的正方形，内含土壤深度达2米。而最大的非独立花盆（部分由梁支撑）尺寸可达到6米 x 6米。
▲花盆种类（三维示意图）© Arup
与任何其他结构构件相比，团队花费大量时间对花盆进行设计。奥雅纳结构团队研究和分析了包括普通钢材、铸件、GFRC等多种不同材料。我们综合考量柱材的相容性、耐用性、建造和造价等因素，最终选定由钢筋混凝土作为主要结构材料。
▲花盆与结构关系（剖面图）© Arup
从模块化设计和施工便利性角度出发，我们将花盆分为不同的原型。同时，将其模板设计为可重复使用。模板最多可重复使用 8 个铸件，有效地控制了施工时间与成本。
天安·千树东区目前正在建设中。相比一期，建成后的东区将涵盖商业、酒店及办公楼，规模更大，设计也将更加多元化。其结构设计亦更加复杂、更具有挑战性。
东区建筑立面采用相似的退台设计，室内挑空大空间可满足不同功能需求。其50米大跨玻璃屋顶将围合原址上的历史保护建筑，地下室的设计和施工也将避开历史建筑。同时，西区和东区两个地块将通过一座跨度为50米的双层钢结构人行桥连接。
▲项目整体效果图 © Heatherwick Studio
我们期待建成后的天安·千树二期将继续闪耀苏州河畔，与千树一期交融碰撞，释放绿色生机与活力。
项目信息
建设单位：
上海凯旋门企业发展有限公司
建筑设计：
Heatherwick Studio/马梁建筑设计顾问（上海）有限公司
结构顾问：
奥雅纳工程顾问（上海）有限公司
机电顾问：
巴马丹拿建筑设计咨询（上海）有限公司
设计院：
上海建筑设计研究院有限公司
项目团队
项目负责人：
梁金桐 Andrew Luong
团队成员：
Francis ARCHER
Dan BIRCH
Charlotte BRIGGS
Robin CHING
Ed CLARKE
Peter COOPER
DAI Dan
Gary DODDS
DONG Shao
Double FENG
Cindy GUO
HU Shu-Hui
HUANG Yan-Mei
Paul JEFFRIES
Cherry LAM
WaiKong LAM
Francois LANCELOT
LI Jin
LI Qing-Ping
LI Zhi-Cai
Benjamin LIU
LIU Di
LIU Tian-Yi
LU Ling
Andrew ROBERTSON
Eric STUREL
SUN Lu
Joseph SWAN
Tracy TAO
WANG Ying
WANG Ze-Xing
WU Chang-Song
WU Shi-Chao
WU Shuang-Lan
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编辑 | Daisy
校对 | Miki
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