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对“吉隆坡双子星塔”工程结构体系选型的分析

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对“吉隆坡双子星塔”工程结构体系选型的分析

一、吉隆坡双子星塔工程案例概况
建设地点：吉隆坡市中市KLCC计划区的西北角
开工时间：1993年12月27日
竣工时间：1996年2月13日
占地面积：40公顷
建筑面积：28.95万平方米
建筑高度：452米
建筑层数：88层
结构形式：高轧制钢梁支托的金属板，钢筋混凝土
建筑造价：20亿马币
投资单位：马来西亚石油公司
设计单位：西萨佩里建筑事务所·西萨.佩里
建设用途：办公
英文名称：The Petronas Twin Towers.
别称：佩重纳斯大厦、马来西亚国家石油大厦、国家石油双塔、双子塔

总平面图

二、建筑特色及材料应用

（a）透视图一 （b）透视图二 (c) 透视图四-双子星塔的天桥
（d）透视图三
图1 吉隆坡双子星塔透视图
1. 吉隆坡双子星塔简介
吉隆坡石油双塔（如图1所示）巍峨壮观，气势雄壮，是马来西亚的骄傲。一座是马来西亚国家石油公司办公用，另一座是出租的写字楼。从吉隆坡市内各处都很容易见到这座大厦。大厦非常壮观，就像两座高高的尖塔刺破长空。曾经是世界最高的摩天大楼，直到2003年10月17日被台北101超越，但仍是目前世界最高的双塔楼，也是世界第四高的大楼。
这两座88层塔楼包含800万平方英尺（74.32万㎡）以上办公面积，150万平方英尺（13．935万㎡）购物与娱乐设施，4500辆车位的地下停车场，一个石油博物馆，一个音乐厅，以及一个多媒体会议中心。塔楼的一个值得一提的特色是在第42层处的天桥（如图1（d）所示）。连接双子塔的空中走廊是目前世界上最高的过街天桥，它长58．4m，连接了双子星塔位于41楼和42楼的会议中心。天桥是由南韩制造的，将近五百个构件于工地现场装配完成，再用起重机吊到最后的定位上。支撑天桥的两条修长支架，则连接到29楼。这是整体设计中的一个重要元素，一方面可以当作火灾时，从一座塔楼到另外一座的逃生口，同时也是一个令人赞叹的路标。如建筑师所称，这座有人字形支架的桥似乎像一座登天门。双塔的楼面构成以及其优雅的剪影给它们带来了独特的轮廓。站在这里，可以俯瞰马来西亚最繁华的景象。
2.吉隆坡双子塔的平面设计
在建筑意象方面，建筑师在羸得了一九九一年的国际建筑竞图之后，奉命要创造出一座能让马来西亚人产共鸣的特殊建筑。设计者巧妙的将伊斯兰图案（如图2所示）运用到双子塔中。其平面是两个扭转并重叠的正方形，用较小的圆形填补空缺；这种造型可以理解为来自伊斯兰的灵感，而同时又明显是现代的和西方的。
刚开始的设计是用一个有着十二尖角的星星作为平面图的基础，后来在总理穆罕默德的建议下，改成了凋塑气息，玻璃和不具有回教象徵意义的八角星星（如图3所示）。扇贝状的幕墙表面充满锈钢闪闪发光，明显可见星星的形状。

图2 伊斯兰图案 图3 双子塔平面图

三、吉隆坡双子星塔结构受力特点分析
采用钢筋混凝土框架（核心筒）伸臂结构体系，是以钢筋混凝土结构为主的混合结构，用钢量：7500吨。每个主体结构旁边的附属圆形框架结构与主体相连，可增大主体结构的抗侧能力。
双塔的外檐为152英尺（46．36m）直径的混凝土外筒，中心部位是74．8英尺×75．4英尺高强钢筋混凝土内筒，18英寸高轧制钢梁支托的金属板与混凝土复合楼板将内外筒连系在一起。4架钢筋混凝土空腹格梁在第38层内筒四角处与外筒结合。塔楼由一个筏式基础和长达340英尺但达不到基岩层之4英尺×9尺截面长方形摩擦桩，或称作发卡桩承托。位于圆形与正方形重送交接点位置处的16根混凝土柱子支承上部结构荷载。
主体塔楼外周边有16根钢筋混凝土圆柱，圆柱直径由底部的2.4m逐渐变化到顶部的1.2m。建筑平面有3次收进，84层以上由钢柱和钢环梁组成最后几层和尖顶，上面安装了塔桅。建筑平面的3次收进要求柱子向内移动一定位置，由57—60层、70—73层、79—82层，柱子位置的转换采用3层高的变截面柱过渡，柱子的主要受力钢筋斜向配置，符合实际的传力途径，这种方式避免了设置转换梁，且标准层高科保持不变。
马来西亚没有地震，按抗风设计，总高宽比为8.64。
主体塔楼外框架的环梁（框架梁）采用变截面梁，梁截面宽1000mm，截面高度由柱边的1150mm变化到跨中的775mm，既可以保证框架的刚度，又允许管道通过而减少层高。副塔楼外周边有12根圆柱，圆柱直径由1.4m变化到1.2m，柱间环梁也采用变截面梁，截面宽800mm，截面高度由柱边的1150mm变化到跨中的725mm。钢筋混凝土核心筒在底部为23m见方，分4次缩进到顶部尺寸为18.8m×22m。筒的外墙厚由底部750mm减至顶部350mm，筒内部分隔墙厚度为350mm，沿全高不变。有几道内部分隔墙不开洞，因此核心筒的内筒和大柱子之间设置了一道伸臂，位于38-40层，是两层高的混凝土空腹桁架，布置方向与附属筒方向相垂直，以增强抗侧刚度较弱的方向，平面布置及伸臂桁架楼盖梁是宽翼缘钢梁，间距3m，最大跨度为12.8m，截面高度457mm。（如图4所示）采用组合楼板，在53mm厚的压型钢板上现浇115mm厚混凝土。设备层的楼板混凝土厚度达到200mm。在环梁外面还布置了悬挑构件，一是方尖行的悬挑梁，二者都是钢构件，间隔布置，使立面更加华丽。（如图5所示）

图4 几种典型的钢板墙抗侧力体系
图5 双子塔施工平面图

两个主塔楼间由一个人字形天桥相连，天桥位于40-43层，跨度58m，有两层通道，经过比较采用了三铰拱方案，一个铰在天桥跨中，下面的两个铰支座在29层，三铰拱方案使天桥与主体结构连接处的受力最简单，但必须处理好构造，保证当风引起相对位移时的安全。基础为钢管桩，直径3ft（0.91m），管壁厚7/8in（2.22cm），一般间距9ft（2.75m），打入地下近84m，承力层为密实沙土。桩顶有4m厚的钢筋混凝土承台板。地下室埋深大，地下水位高，在施工时除做了1m厚、30m高的钢筋混凝土连续护壁墙外，还做了水平面的钢筋混凝土内撑。
自振特性：主轴方向的自振周期为9s，扭转周期为6s。
吉隆坡地区的设计风速为35.1m/s。本设计考虑的一个重要因素是在风速作用下人的舒适感，顶部位移加速度必须小于20mm/s2，该加速度与房屋质量成正比，由于钢结构的重量轻而舒适感不能满足要求，进行了多种方案比较，最后选用了钢筋混凝土结构，以其大质量和大刚度满足了舒适度设计要求，这是该高层建筑采用钢筋混凝土结构的主要原因。
四、对该工程结构体系的优缺点的分析评价
优点：
1.选用了合理的建筑结构体系
当时的建筑物普遍应用管式结构，希尔斯摩天大楼就是采取这种作法，但是由于进口钢材到马来西亚的费用极高，于是决定双子星塔应采用混凝土结构，以及使用金属薄板和钢填充梁所构成的组合模板。如此一来，势必要发明能够缩短支柱直径的高强混凝土，好完成建筑师打造修长塔楼的心愿，这也是马来西亚最早的高强混凝土。每座塔楼周边各有16根支柱，直径达2．4公尺，在每层楼用托梁连接起来。支柱之间8或10公尺的宽敞间隔，创造出开阔的空间感。而且每根柱子在立面上只能看到薄薄的一片，使双子星塔更显修长。横向荷载由支柱和结构核心来支撑。两座塔楼的顶端各装了一个协调减震阻尼器，把大楼在风中摇晃的程度降到最低 。
2.考虑了当地环境与气候
这栋建筑对当地的气候也有适当的敏锐：吉隆坡距离赤道只有两度，双子星塔的立面纳入了不锈钢的遮阳篷，以配合这个城市的热带气候。
缺点：
1.不利于防火疏散
超级摩天大楼的通病就是防火疏散困难，虽然吉隆坡双子星塔通过设天桥和使用耐火材料等措施改善防火疏散和耐火强度，但是相对其他普通建筑来说一旦着火仍然危险性很大。
2.造价昂贵
大量使用优质钢材的超高层建筑难免需要很高的造价，不过作为地标和世界级建筑也值得。
五、学习心得
1.结构对建筑的作用
通过对吉隆坡双子星塔结构设计与建筑设计的研究，对超高层建筑结构和摩天大楼设计有了更深入的了解。对于一个建筑，结构起着至关重要的作用，结构不仅能满足建筑的受力承重功能，如利用得好更能展现结构造型的魅力。尤其是超高层建筑，将结构美体现得淋漓尽致。从某种意义上来说，结构承担了一座摩天大楼的整幅骨骼。结构设计一点不亚于建筑设计的作用，两者须完美结合才能成就一座优秀的建筑。
2.建筑设计要注重人文
吉隆坡双子星塔是马来西亚的标志，为一个国家设计一个象征不是一件容易的事情。建筑设计不能离开人文，不然就不能融入人。设计者要设计一座独特的马来西亚式建筑，压力巨大。佩里起初的许多设计方案都被驳回，因为缺少马来西亚风格，换而言之就是缺少伊斯兰风格。双子塔的设计中思考了很久，对在地的宗教和文化议题特别用心。最终双子塔不仅在设计本身传承了伊斯兰风格，更是在内装、环境上将伊斯兰的文化运用的淋漓尽致。这种设计思想对未来的建筑设计有着深远的指导意义。

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