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傾斜高層建筑施工原理及實施

作者：郭彥林    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]
（清華大學土木工程系 郭彥林 董全利 林冰面 劉學武）
    （清華大學土木工程系 郭彥林 董全利 林冰面 劉學武）

    [摘 要] 隨著經濟的發展和大眾審美觀的不斷改變，新近出現了大批不同于常規理念的建筑結構。其中傾斜高層/高聳以其獨特的視覺效果得到了建筑師的青睞。目前世界上比較著名的有傾斜建筑——西班牙馬德里的”歐洲之門”姊妹塔、巴塞羅那通訊塔以及CCTV新臺址主樓等。傾斜建筑是對地球引力的公然對抗，由于施工過程中不斷增加的荷載對結構造成的附加彎矩作用引起的結構變形不可忽略，因而必須考慮結構的幾何非線性和P-Δ效應。并且，施工過程中每一步構件的定位和加工尺寸的確定，都與施工方案密不可分。對這類結構必須進行施工全過程動態跟蹤分析，才能保證最終的位形滿足設計要求。傾斜高層結構的建造及合理的施工組織方案具有較大的難度。本文針對傾斜高層結構工程的施工初始位形、分步安裝位形和加工預調值等關鍵問題進行研究，并結合單桿傾斜結構和CCTV新臺址主樓有限元簡化模型分析，提出了解決這類問題的思路及方案，對傾斜高層結構的施工有借鑒意義。
    [關鍵詞] 傾斜結構；施工方案；倒拆法；預調值

    1 概述
    始建于1173年的意大利比薩塔,最初作為教堂的鐘樓設計。在修建過程中，由于地基的不均勻沉降而發生傾斜，在此后的800多年間傾斜程度不斷發展，并因此成為聞名于世的一大建筑奇觀。比薩斜塔高約54米，塔頂偏離4.6米，于豎直平面的傾斜角約4.9度。傾斜建筑給人以強烈的視覺震撼，更容易吸引公眾的注意力。現代建筑師由此受到啟發，設計出一批具有獨特視覺效果的傾斜建筑。較為著名的有：現代第一幢傾斜建筑—西班牙馬德里的“歐洲之門”姊妹塔、巴塞羅那通訊塔，CCTV新臺址主樓等。

    圖1 馬德里“歐洲之門”姊妹塔

    圖1為西班牙馬德里的“歐洲之門”姊妹塔（Puerta de Europa），于1989～1996年興建。

    每個塔樓各有26層，高度114米。為了避開地下地鐵站和地上部分的規劃商業街區，兩塔不得不分開，這樣人為割裂了兩塔樓的密切聯系。建筑師通過把二者相對傾斜（與豎直平面的傾角達15度）呈門形隔街相望，巧妙地建立了兩座塔樓相互呼應的關系。因位于馬德里商業街的最北端，故稱歐洲之門（Gateway of Europe）。圖2為西班牙巴塞羅那通訊塔（Torre Montjuic），建于1989～1992年。主體高度約88米，天線高度136米。

    CCTV新臺址新臺址主樓呈閉合的環形，由兩座雙向6°傾斜的斜塔，連接兩座斜塔頂部的14層高的懸臂部分，以及9層裙房構成。塔樓1最高點標高234米。兩座斜塔及裙房下設三層整體地下室。兩個塔樓的平面尺寸分別為 和 。總建筑面積約40萬平方米。見圖3。

    傾斜建筑是對地球引力的公然對抗，由于施工過程中不斷增加的荷載對結構造成的附加彎矩作用引起的結構變形不可忽略，因而必須考慮結構的幾何非線性和 效應。并且，施工過程中每一步構件的定位和加工尺寸的確定，都與施工方案密不可分。對這類結構必須進行施工全過程動態分析，才能保證最終的位形滿足設計要求。傾斜高層結構的建造及合理的施工組織方案具有較大的難度。本文針對傾斜高層結構工程的施工初始位形、分步安裝位形、加工預調值等等關鍵問題進行研究，并結合單斜桿傾斜結構模型和CCTV新臺址主樓簡化模型的方案制定及施工過程分析，提出了解決這類問題的思路及實施方法。
    2 傾斜結構的施工關鍵問題及對策
    2.1 施工各階段位形及加工預調值概念
    一個建筑從設計、施工到最終交付使用，經歷多個不同的階段，每個階段都對應著不同的位形。包括設計位形、施工初始位形、分步安裝位形以及加工預調值等：
    設計位形是由施工圖給出的業主所期望的建筑結構終了形式，即已經考慮了內外裝修、機電設備和照明、給排水管道等荷載，但尚未入住時的狀態，是建筑竣工驗收所要求達到的結構幾何位置。
    施工初始位形是安裝第一步構件時結構的初始位置，由設計位形經加載反復疊代計算得到。為了滿足設計要求，承建方必須考慮施工過程中結構的累積變形對整體結構的影響以及每一施工荷載步構件的安裝位置和加工尺寸。具體來說，就是先找出建筑結構的施工初始位形，然后嚴格按照施工次序模擬計算，求出每一施工荷載步對應的結構位形，如此才能使完成的建筑滿足業主和設計要求。在此基礎上按照擬定的施工次序進行操作，才能保證施工終了狀態的位形滿足設計位形容差要求。確定施工初始位形是整個模擬計算分析的關鍵，也是計算下面分步安裝位形和加工預調值的基礎。
    分步安裝位形是在完成每一步構件的施工時，已完成部分結構達到的位形，以及安裝下一步構件的定位坐標。通過動態跟蹤模擬計算，可得到施工每一分步的安裝位形，確保最終位形與設計位形吻合。
    加工預調值：由于施工過程的荷載累計效應與設計采用的一次加載不同，而使構件的實際加工尺寸與設計尺寸有所差異，構件加工尺度與設計尺度之差，即為加工預調值。嚴格地說，任何結構豎向承力構件的實際加工長度與結構最終成形的長度都是不同的，而且結構越高、位置越靠近底部，差異越明顯。對于傾斜結構，由于附加彎矩的作用，這種差異表現得更加突出：如結構傾向一側的柱受到重力荷載和附加彎矩產生軸向壓力的共同作用，會產生很大的壓縮變形，因而要求柱子的加工長度必須大于設計長度，才能保證結構完工時的位形滿足使用要求；相反，傾斜結構背側柱受到重力荷載作用和附加彎矩產生的拉力作用有一部分會相互抵消，故而底部柱的壓縮變形相對較小，并且接近頂部時，有可能在柱中出現拉力而使構件的完成長度大于構件加工長度，此時柱的預調值為負。
    對傾斜結構而言，準確預測每一階段結構的變形及內力狀況，尤為重要。這是因為體系的位形及內力由于二階效應的影響而隨施工的進程不斷改變，具有明顯的時變力學特征，只有依照擬定的施工方案，對其進行全過程跟蹤模擬分析，才能準確確定結構在各施工階段的位形和內力，保證結構最終成形狀態符合業主需求。



    采用大型分析軟件ANSYS的坐標更新功能，可以準確地實現施工初始位形的算法。圖6為施工初始位形的疊代過程示意圖，縱軸為斜桿的平均斜率，橫軸為疊代次數。可見，該算法具有較好的收斂性。為驗證其穩定性，進行了大量的變參數分析，主要變量為桿件的剛度和集中荷載的大小，分析結果表明除剛度極小（如斜桿的彈模取到正常值的1/20以下）和荷載極大等極端情況，結構變形過多導致算法不收斂外，對通常意義下的建筑結構，具有廣泛的通用性。

    分步安裝位形的確定：在得到正確的施工初始位形后，施加所有荷載后即得到設計位形。然后按照與施工過程完全相反的順序，依次去掉每層的集中荷載和桿件，計算新的結構位形和構件內力，即為結構施工到該位置時的分步安裝位形和內力。這種方法稱為倒拆法，它通過從成形狀態倒拆構件（荷載）的方式逐步進行結構分析得到每一施工階段結構的位形和內力狀況。在橋梁的施工計算中有廣泛的應用。隨著荷載的清除和桿件的拆除，桿件將從設計位置逐步“回彈”，直至完全卸載，與施工初始位形重合。圖7為“倒拆法”過程示意：圖形的上、下包絡線分別表示施工初始位形和設計位形，中間曲線分別為各分步的位形，其中腳標b表示刪除集中荷載后相應步的位形，腳標a表示拆除該步構件后的位形。如Step5b為拆掉頂部集中荷載P5時結構的位形，Step5a為拆除第五層構件L5時結構的位形，節點4~5對應的位置就是施工到該處時第五層柱的分步安裝位形。同理可以找到第2到第4步的分步安裝位形Step2a~Step4a；最后得到的第一步分步安裝位形就是施工初始位形。
    利用ANSYS單元生死命令EKILL、EALIVE，可以很方便地實現施工過程的模擬。方法是在施工初始位形基礎上，先殺死所有單元，然后再按施工次序逐步激活每層桿件并施加樓層集中力（也稱“正裝法”），就可以得到與倒拆法完全相同的結果。在后面的分析中，均采用正裝法實現。
    加工預調值的確定：在得到分步安裝位形的同時，其實也找到了構件的加工預調值，或構件的實際加工長度。如圖7，Step 5a 為第五層柱的分步安裝位形，而節點4~5對應的分步安裝位形曲線上的桿件尺寸就是該柱的實際加工尺寸（加工預調值）。同樣可以求得每層柱的加工預調值。

    3 CCTV簡化模型分析

    a 合攏后整體模型 b 合攏前整體模型

    c 合攏后簡化模型 d 合攏前簡化模型
    圖8 CCTV主樓FEM完整模型及簡化模型

    如前所述，CCTV新臺址主樓底部兩塔樓不但沿兩個方向呈6°傾斜，并且在163米標高處各自伸出懸挑長度達75米、高度14層、重量1.4萬余噸的巨大懸挑并連為一體，其有限元完整模型及簡化模型見圖8，簡化模型選結構最外側兩榀外框架，略去中間跨的柱和支撐，按 比例縮尺而成。這里選擇簡化模型目的在于更方便地闡述分析原理和過程。這種傾斜及閉合的門架結構與單純的傾斜結構有很大不同。CCTV主樓施工初始位形和分步安裝位形的確定具有更大的難度，主要表現在：
    （1）兩個塔樓在平面兩個方向上雙向傾斜，且傾斜角度較大。按照230米高度計算，頂層平面偏離底層距離達24米，超過塔樓在該方向邊長的40%；
    （2）施工過程中結構的變形趨勢不一致。與單一的傾斜建筑自始至終沿一個方向變形的情形不同，CCTV新臺址主樓在頂部懸挑段連接前后，結構的變形趨勢發生突變：在懸挑段合攏前，兩個塔樓分別在各自的傾斜方向上變形，互不影響；但當懸臂部分合攏后，兩個雙向傾斜的塔樓通過懸臂段互相起側向支撐作用，限制了二者變形的進一步發展，此后兩塔樓連同懸臂部分開始作為一個整體，主要在懸臂部分荷載作用下協同變形。同時，懸挑段的巨大彎矩作用，使塔樓頂部產生背離傾斜方向的變形。采用單斜桿模型一次找形的方式不能真實反映結構的實際變形形態，當然也就不能準確地找到初始施工位形及分布安裝位形。
    基于上述原因，初始施工位形及分布安裝位形的確定采用兩階段方法確定。合攏后階段和即將合攏階段。分別見圖7a、7c和圖7b、7d。
    首先，計算竣工狀態下結構的整體初始位形A，算法與斜桿模型相同。合攏后后續安裝的懸臂段構件即以此值為其初始位形。然后，以位形A作為合攏前兩塔樓的目標位形，再計算每個塔樓的初始位形B，對塔樓而言，初始位形B是兩次預調值之和，也是整個建筑的施工初始位形；圖9是由設計位形得到的整體初始位形A，以及由整體初始位形A得到的塔樓初始位形B，三者的位置關系。


    在求得初始位形B、A后，按照上述與計算單斜桿同樣的方法“正裝法”，逐步激活每部分桿件，得到結構的分步安裝位形和構件實際加工尺寸。圖10為模擬施工過程。圖9a~9f分別表示塔樓底部、頂部、懸臂段施工以及懸臂段合攏、懸挑段上部樓層安裝和竣工狀態等六個階段。虛線為施工到該步時構件的分步安裝位形。


    4 結論
    隨著經濟水平的提高和建筑師審美觀的不斷創新，類似CCTV新臺址主樓這樣傾斜、非常規的建筑不斷涌現，其設計和實施備受世人關注。對這類結構必須進行施工全過動態分析，才能保證最終的位形滿足設計要求。傾斜高層結構的建造及合理的施工組織方案具有較大的難度。本文通過對幾個簡單的有限元模型的分析，論述了解決這類傾斜高層鋼結構施工難題的思路和方法，得到了一些有益的結論，主要有下面幾點：

    （1）給出了施工初始位形找形原理和疊代算法，該算法具有較好的收斂性，普遍適用于各類復雜結構的初始位形求解。
    （2）應該注意的是，采用“倒拆法”或“正裝法”得到的分步安裝位形和加工預調值，是在假定的設計參數和施工方案的前提下得出的。計算時由于采用的諸如材料彈模、密度、本構關系；構件的尺寸、荷載條件等與實際工程中不可能完全一致，所以，必須根據施工過程中所檢測到的實際數據對原假設參數進行調整，以最大限度消除參數誤差的影響。

    （3）對CCTV新臺址主樓這樣復雜的高層結構，對基礎沉降和溫度應力的影響也相當敏感。在施工跟蹤計算時，應根據施工監測到的地基沉降、不均勻溫度場的影響等結果，及時對設計參數和相應位形進行調整，以確保施工進程的安全和成形的準確。

    參考文獻：
    [1] Ove Arup & Partners Hongkong Ltd, 中央電視臺新臺址結構擴初設計報告，2003
    [2] ANSYS, Inc. Theory Reference
    [3] ANSYS, Inc. ANSYS Guide to User Programmable Features
    [4] Leslie E. Robertson, (Leslie E. Robertson Associates), Leaning high-rise buildings, Modern Steel Construction, , May, 1991 v 31, n 5, p 25-28

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