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中国尊过关小记
前言:中国尊是世界上8度设防区第一个超过500m的建筑物,地震力是上海中心的1.7倍,难度甚至超过了哈里发塔,其设计过程也是充满了挑战、挫折、争执、妥协、喜悦,最终取得了辉煌的业绩,在结构上获得多项世界第一和国内第一,是技术、科研、工程的集成创新成果,特写此文向团队成员至以敬意。
2013 年 12 月 5 日,在中国建筑科学研究院的建筑安全与环境国家重点实验室,中国尊的缩尺模型经受了一场大考,国内最大的三维地震振动台在下午输入了 3 向 8 度大震时程波,模拟了地震加速度400gal的振动台实验(12月6日模拟了地震加速度510gal的实验),中国尊主体结构模型在大幅摆动之后,巍然耸立在基础之上,实现了“8 度大震不倒”的预定性能目标。这是世界第一个 8 度设防区超过 500m的建筑物振动台试验,也是中国尊主体结构的一次里程碑事件,标识着中国尊主体结构顺利通过了振动台的大考。中信、奥雅纳、北京院、建研院等单位的相关人员来到了试验现场,并为试验结果的成功而庆祝。
这个成功是非常不易的,是中国尊整个结构团队经过将近 3 年的讨论、计算、绘图、论证、修改实现的。作为中国尊的结构设计总监,我既是中信的一员,也是中国尊结构设计团队的一员,由于位置比较特殊,对结构设计的情况了解较其他同志可能多些,一些朋友再三建议写些东西,与大家分享经验。回想往事感慨万千,特写本文与大家分享中国尊结构设计的过程与成果。
一、棒喝
其实中国尊的结构设计是相当不顺利的,第一次超限审查预审会就迎来了专家组的当头棒喝。至今我还记得 2011 年 8 月 18 日在中信京城大厦的超限审查会议的情景,当时在合作单位的主导之下,中国尊的结构体系为下部交叉支撑上部密柱框架的巨型组合结构,结构地震总重量接近80万吨,但是位移角不足1/500,剪重比约 1.7%,上述重要指标均不能满足国家标准。该设计受到了专家的严厉质疑,徐培福主任(超限委主任,专家组组长)、容柏生院士等先后提出了质疑和反对意见,尤其是结构体系遭到了质疑,大多数专家持否定态度,部分专家明确指出:“体系太乱了”,“这个体系我觉得明显的反应出刚度突变。……(刚度)突变,特别是高烈度区,是危害性很大的。”
中国尊结构设计遇到了严重的危机,而且是最根本的结构体系遭到质疑。
二、逆转
2011 年 10 月份,中信与合作方进行工作交接,我作为结构设计总监(前期为结构副总工)开始正式全面管控本项目的结构设计工作。当时情况极其严峻:
1. 难度大
中国尊是世界上 8 度抗震设防区第一个超过 500m 的建筑物,且从下至上是一个大-小-大的亚腰形超高层建筑物,更加加剧了抗震和抗风的技术难度,结构难度空前。同时本大楼要严格控制成本和进度,如何即实现结构安全又要经济合理是一个极大的挑战。今年(2014)我在广州与容柏生院士聊到这个项目,容总认为这个项目难度超过哈里发塔。
2. 时间短
结构设计是施工、报规等的前提条件,处于关键路径上,直接制约工程进度。经过调研,国内 500m 以上的超高层超限审查时间在方案确定之后约需要 18 个月,中国尊在 2012 年 2月份才确定了建筑初步方案(方尊、圆尊),期间方案不断调整,最终在 2013-2-7 日完成所有审批工作,远少于其他项目的时间。
3. 经验少
中国在2011年之前只有天津117、上海中心、深圳平安三栋建筑物超过500m。中国尊是世界上8度区第一个超过500m的建筑物,地震基底剪力约是上海中心的1.7倍,难度空前。
尽管中国尊结构设计团队有着arup、北京院、武汉院、华东院等国际、国内一流的队伍,然而做过500m以上结构实际设计的人员却只有刘鹏、姚攀峰等少数几人。相对住宅等普通项目而言,具备相关经验的专业人员很少。
有将近百年开发经验的合作方已经在第一次超限预审会中铩羽而归,同样由国际一流团队设计的平安中心被迫在过程中修改了结构体系。中国尊能行吗?当时我的压力很大。
作为中国尊结构设计团队,有条件要上;没有条件,创造条件也要上。2011-10月,建筑方案是方尊还是圆尊的大方向还没有确定,结构团队已经开始了工作,对剪重比、剪力分配比、刚度、时程波、风洞试验参数等进行了一系列的研究和讨论,并同时开展了多方案的探索和桩基设计的相关工作,采取了一系列的措施,例如:降低核心筒的自重;增加斜撑从4 区到细腰处 5 区,减少刚度突变;不同结构耗能机制的分析等。
丘吉尔首相在二战期间有一段名言:“若问我们的政策是什么?我的回答是:在陆上作战,在海上作战,在空中作战……”这一段话非常合适用于中国尊结构团队。当时我们在北京作战、在上海作战、在武汉作战、在纽约作战;我们在白天作战,在晚上作战,在工作日作战、在周六周日作战。正式和非正式的研讨会举行了几十场,邮件和电话交流更是难以准确计量。
2012-4-17 日,召开了第二次超限预审会,这是一个令我印象极其深刻的日子,同一个结构体系,中国尊的结构设计得到了超限委专家的认可,实现了大逆转。
三、追击
第二次超限审查得到了专家认可之后,结构团队没有松懈,继续努力,乘胜追击。第三次超限审查期间,中信经过多方面权衡,取消了中国尊顶部的公寓和酒店,作为一个纯高端写字楼。这对结构而言是一个利好消息,结构团队当即决定,根据新的业态调整结构设计,交叉斜撑一直延伸到顶部第七区,并采用了多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱等新技术。在短短的一个多月,完成了修改后的结构设计。本次振动台试验表明,细腰处明显较柔,顶部的斜撑有效地提高了结构的安全性,倘若仍然按照老设计,也可能存在难以预料的风险。
在 2012-8-18 日,举行了第三次超限审查预审会,多位专家非常认同修改后的结构设计,给予了高度评价,部分专家甚至认为可以直接举行正式审查。
四、三折
也许中国尊关注度太高、也许中国尊难度太大、也许前面的工作太顺利,中国尊注定要经受更加严格的考验。第四次超限审查原计划 11 月中举行,后来推迟到11 月底,再后来推迟到 12-19 日。
为了慎重起见,我们按照原定计划,把这次会议开成了预审会。预审会上一度比较紧张,部分计算数据、节点构造遭到了质疑。尽管专家认为修改补充后可举行正式超限审查会议,满足了预定目标,这次会议效果不好,也是我主管以来较为严重的一次挫折。
未完待续,参见:中国尊过关小记(2)
参见:中国尊过关小记-后记
中国尊简介:
是位于北京市朝阳区CBD核心区Z15地块的一幢超高层建筑。建成后将是北京市最高的地标建筑。该项目西侧与北京目前最高的建筑国贸三期对望,建筑总高528米,未来将被规划为中信集团总部大楼。
尊,古之礼器。意为敬奉,起时双手捧至顶,行顶天立地之势。所以设计者以“中国尊”为北京第一高度建筑的寓意:建筑高耸直入云端,表现出顶天立地之势,与“尊”的表现不谋而合。而且以尊为建筑形态,也有别于北京超高层建筑常见的直线形态,使这一建筑林立在CBD核心区的摩天楼群中也能明显体现出庄重的东方神韵。
由于时间仓促,可能存在遗漏或者错误,烦请指正,也欢迎结构设计团队成员补充更加精彩的故事。
应李治(中信总院)等人要求,未在文中列出其名字。
姚攀峰2014-10-28改
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