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津塔：中國鋼結(jié)構(gòu)建筑體系樣本

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2011-05-18 15:09:03 [收藏]
    揚帆啟航的津塔(天津環(huán)球金融中心)不僅是天津新城市地標建筑，也是鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的世界第一高樓，這在世界超高層建筑史上尚屬首例。    然而...
    關(guān)鍵詞：樣本 體系 建筑  
        揚帆啟航的津塔(天津環(huán)球金融中心)不僅是天津新城市地標建筑，也是鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的世界第一高樓，這在世界超高層建筑史上尚屬首例。

        然而，明艷的光環(huán)背后往往是艱辛的探索。當上海華東建筑設(shè)計研究院接到津塔的設(shè)計標的時，也接受了一項挑戰(zhàn)。“這并不是一個簡單的建筑設(shè)計方案，而是一次突破。”上海華東建筑設(shè)計研究院工程師黃良說。

        突破在于兩點：一是在國內(nèi)沒有鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑規(guī)范情況下設(shè)計和應(yīng)用這個體系；二是用該體系打造超高層建筑。

        墻厚至少減薄1米

        承載力提高30%

        津塔是一座典型的純鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑，高336.9米，用鋼量為6.5萬噸，從地下4層至地上53層均采用核心筒鋼板剪力墻體系。

        鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。鋼板剪力墻單元由內(nèi)嵌鋼板和豎向邊緣構(gòu)件(柱或豎向加勁肋)、水平邊緣構(gòu)件(梁或水平加勁肋)構(gòu)成。當鋼板沿結(jié)構(gòu)某跨自上而下連續(xù)布置時，即形成鋼板剪力墻體系。鋼板剪力墻作為新型抗側(cè)力構(gòu)件，具有較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩(wěn)定的滯回特性等。

        到目前為止，世界上采用鋼板剪力墻作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的建筑已達數(shù)十幢，主要分布于北美和日本等高烈度地震區(qū)。我國在《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中，明確了鋼板剪力墻的計算準則和方法，其設(shè)計角度是從避免鋼板發(fā)生屈曲破壞切入的，即以彈性屈曲強度作為鋼板剪力墻的設(shè)計極限狀態(tài)，沒有利用鋼板彈性局部屈曲后強度，通常稱之為厚鋼板剪力墻。而厚鋼板剪力墻用鋼量大成本較高，發(fā)展受到一定限制。

        津塔整體建筑為筒中筒結(jié)構(gòu)形式，由內(nèi)側(cè)核心筒與外筒組成，核心筒開間較大，鋼板剪力墻的寬厚比也較大，采用厚鋼板剪力墻理念進行設(shè)計，成本將大幅度上升。因此，津塔辦公樓采用的是目前國際上比較流行的鋼板剪力墻設(shè)計理念。

        鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)具有幾個突出特點，首先是可提高建筑的承載力，大約可提高30%，有效地降低了樓體的自重，抗震性能好；其次是鋼板剪力墻不用承受豎向重力荷載，與混凝土剪力墻相比，在核心筒和外框筒間能為大樓省出更大的使用空間；再次是最高可承受30.5米/秒的風壓和相當于2500年一遇的罕遇地震烈度。

        “如果采用混凝土剪力墻，墻厚將達到1.3米~1.5米；鋼板剪力墻體系為0.3米，增加了建筑使用面積。建設(shè)時間也比常規(guī)的節(jié)省了一半。”黃良說。正是有了努力與突破，上海華東設(shè)計院在鋼板剪力墻體系方面，已經(jīng)申請了4個發(fā)明專利。

        單體構(gòu)建重達48.5噸

        工程進度兩天一層

        “其實，作為抗力體系，這一體系很少在國內(nèi)高層建筑中應(yīng)用，多是實驗性項目，原因是其沒有建筑規(guī)范。”黃良表示，國外比如日本的建筑應(yīng)用到最高也只有200多米，而津塔是336.9米。

        為了使建筑安全可靠，上海華東設(shè)計院參照了美國以及歐洲的標準規(guī)范，對各個技術(shù)環(huán)節(jié)進行了反復(fù)比對。“這種體系在國內(nèi)是首創(chuàng)，不是簡單照搬國外的設(shè)計，還需要滿足國內(nèi)的相關(guān)要求與條件。”黃良指出。

        這種條件首指國內(nèi)的施工條件：津塔的柱、梁、薄型鋼板剪力墻、外部裝飾件、鋼樓梯等鋼構(gòu)件多達2.7萬余件。其中，鋼柱直徑一般為1.6~1.7米，約20~30噸，最重的則達60噸，最重的單體構(gòu)建(核心筒立柱)達48.5噸；桁架斜撐板厚為60~90毫米；標準層鋼板剪力墻高3.6米，寬3.3~7米，也就是說，單片標準層鋼板剪力墻的焊縫長度將達20.8米。如此“大塊頭”的鋼構(gòu)件，無論是加工、運輸，還是安裝、焊接都需要很高的技術(shù)。

        此外，鋼板剪力墻與核心筒柱連接方式為安裝螺栓+焊接，單塊單側(cè)安裝螺栓為30顆，要求施工測量精度高，最厚鋼板為100毫米，比其他鋼構(gòu)件的焊接難度都大。一些建筑也有用鋼板剪力墻體系的，但大部分都是栓結(jié)完之后直接外包混凝土。像津塔寫字樓這樣的鋼板剪力墻，無論是其連接方式，還是其高度，在國際超高層建筑上都是首例。

        為了解決這些難題，津塔采用樁筏基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土柱框架+核心鋼板剪力墻體系+外伸鋼臂抗側(cè)力體系，也稱作“筒中筒結(jié)構(gòu)形式”，“筒”其實也就是一根根直徑在1.6~1.7米之間的鋼管，地下57根，地上53根，分核心筒與外框筒兩種。考慮到加工運輸及施工條件的限制，基本按照每3層樓(12.5米)1節(jié)鋼管進行分段安裝焊接。核心筒與外框筒間以鋼梁相連接成為層間地面，采用壓型鋼板組合樓板；核心筒鋼板剪力墻由鋼管(內(nèi)灌混凝土)及薄型鋼板剪力墻等組成。

        除了技術(shù)的挑戰(zhàn)外，建筑的設(shè)計方案還需要滿足開發(fā)商的需求。在美國，鋼板剪力墻體系是在結(jié)構(gòu)封頂以后進行安裝的，以避免其不受豎向壓力的影響。如果按照這一設(shè)計手法執(zhí)行，津塔的竣工時間將推后兩年。

        這一時間表被開發(fā)商否決。怎么辦？這一問題擺在了華東設(shè)計院的面前。

        討論異常激烈。最后，華東設(shè)計院提出了“給鋼板剪力墻體系加熱”的操作手法。這一操作手法在國際上幾乎沒有應(yīng)用案例。華東設(shè)計院的結(jié)論是：鋼板剪力墻體系在地震的作用下會搖晃，加熱后，其晃動幅度會減小，其原理如同水中浮木一樣，避免了豎向壓力的影響。

        “通過一些創(chuàng)新和突破，很好地解決了技術(shù)上的難題。”黃良說。

        這一方案的實施，加上中建一局強大的施工能力，創(chuàng)造了兩天一層的建設(shè)速度，成為國內(nèi)外超高層建設(shè)速度之最。

        設(shè)計師感言

        在建設(shè)過程中尋求美與靈感

        遠遠望去，津塔就像一艘待駛的帆船。

        “這是我的設(shè)計初衷。希望在天津打造一片建筑群，突出海河美麗的濱水區(qū)域，能在天際線上標注這一城市中心。”津塔設(shè)計者SOM公司的BrianLee指出。

        其實，在設(shè)計之初，天津市政府即向項目業(yè)主方金融街(天津)置業(yè)有限公司提出了明確的要求，津塔必須設(shè)計為標志性建筑。通過一系列設(shè)計手法的應(yīng)用，津塔成為了地標性建筑。

        BrianLee認為，是中國文化與自己所堅持的理念成就了津塔的設(shè)計。“建筑與構(gòu)造方式如何豐富其為人們所創(chuàng)造的體驗”是他堅持的理念。此前，他在接受媒體采訪時也指出，很多情況下，在提出解決方案之前，盡量理解問題所在??場地、肌理、功能、建筑使用者、材質(zhì)、實施方法、預(yù)算、地區(qū)精神面貌和文化，并通過處理上述問題可得出獨特的解決方案。“我不喜歡強加某種風格或教條，我愿意在優(yōu)雅的建設(shè)過程中尋求美與靈感。”

        因此，津塔的設(shè)計就是在追求美與靈感，借鑒中國傳統(tǒng)折扇的藝術(shù)造型，設(shè)計出了一棟呈揚起風帆狀的建筑。

        這是一個頗具靈感與實用的設(shè)計手法。外部的玻璃幕墻運用縱向多折面的折紙造型，使得形體龐大的超高層建筑看上去顯得格外輕盈而秀美，從而削減了超大建筑體量的沉重感。在內(nèi)部，整體建筑由內(nèi)側(cè)核心筒與外筒組成，核心筒與外筒間以鋼梁相連接成為層間地面，而核心筒則由若干電梯井及薄型鋼板剪力墻組成。津塔由70個標準層與4個桁架層組成，每個桁架層暗含一個設(shè)備層，每隔14層設(shè)一個加裝斜向支撐的桁架層(亦稱為桁架區(qū))，用以加固自身結(jié)構(gòu)。

        此外，折扇三角形的窗戶可以有效增加其采光面積。設(shè)計師在津塔每層都設(shè)計了64個凸出的陽角空間，巧妙地增加了平面上的周長，使室內(nèi)辦公室在每個凸出的玻璃幕墻位置得到超出一般辦公樓所能享有的180度的視覺效果。津塔頂端的葵花形觀景平臺是特別設(shè)計的透光結(jié)構(gòu)，擁有整個大樓最好的采光。

        技術(shù)解密

        津塔除了在建筑結(jié)構(gòu)體系方面有重大突破外，在暖通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、垂直交通等方面的技術(shù)應(yīng)用，也同樣可圈可點。

        節(jié)能舒適的暖通系統(tǒng)

        “冰蓄冷制冷+低溫送風+變風量”組合式制冷系統(tǒng)，是目前建筑暖通系統(tǒng)中最為先進的系統(tǒng)技術(shù)，也是津塔經(jīng)過多輪討論后最終采用的制冷方式。

        “冰蓄冷就是利用夜間相對低廉價格的電制冰，第二天白天把冰冷量釋放出來，這樣可以減少白天機械運行的時間，節(jié)省了運行的費用。”上海華東設(shè)計研究院暖通設(shè)計師魏煒表示，同時，津塔項目選用的是空氣變風量系統(tǒng)，可以根據(jù)不同區(qū)域溫度需要設(shè)置調(diào)節(jié)風量，達到一個比較舒適的效果。

        然而，這一組合在津塔這樣的超高層項目中應(yīng)用，絕非易事。魏煒指出，津塔的特殊高度對暖通系統(tǒng)的水系統(tǒng)的分區(qū)影響很大：高度越高，系統(tǒng)的承壓越大，這就要求在不同的部位設(shè)置分級設(shè)備。“津塔的高度有300多米，而暖通設(shè)備在地下4層，這么高的壓力，設(shè)備承受不了。因此，我們在中間設(shè)置了一級冷熱交換站和二級交換站，以分散系統(tǒng)的承壓。”魏煒表示。

        另外，津塔整體封閉性非常好，也對室內(nèi)環(huán)境提出了更高的要求。一般來說，室內(nèi)環(huán)境包括溫度、濕度及空氣品質(zhì)。在這方面，上海華東設(shè)計研究院也進行了有效的設(shè)計，如在濕度上，在不同樓層、區(qū)域設(shè)置終端自動檢測系統(tǒng)，并根據(jù)建筑的朝向、使用情況，定時進行加濕處理，并凈化空氣。

        安全高效的供電系統(tǒng)

        作為超高層建筑，供電的可靠性至關(guān)重要。為了穩(wěn)定地將電源輸送到高層，保障未來入住客戶的用電量，津塔項目從天津市電力公司引來了兩條35千伏的電源，在45層和60層分別設(shè)置了兩個變電所，并另設(shè)了兩臺柴油發(fā)電機作為備用電源。

        上海華東設(shè)計研究院電力設(shè)計師韓鳳明指出，他們在津塔寫字樓電力系統(tǒng)設(shè)計上也創(chuàng)造了一個國內(nèi)第一。一般情況下，高層建筑的電力都采用兩次降壓的模式，先是從35千伏降到10千伏，再從10千伏降到0.4千伏。但是，兩次降壓方案，會產(chǎn)生較大的變壓系統(tǒng)運行能耗，并且需要兩級變壓器系統(tǒng)設(shè)備的投入。而津塔設(shè)計師們突破了常規(guī)和習慣，創(chuàng)造性地采用了35千伏直降到0.4千伏的一級變壓系統(tǒng)，既有效保證了節(jié)能，也降低了設(shè)備的投入。另外，在目前國內(nèi)的超高層建筑的設(shè)計中，將35千伏電力一直送到津塔這樣高的樓上的這種系統(tǒng)，可能還算是第一個。

        穩(wěn)定消能的給排水系統(tǒng)

        津塔建筑給排水系統(tǒng)分兩部分：一是給排水，另一個是消防水。

        排水方面，面對這么高大的建筑，排水的落差大，排水時下落的“水錘”現(xiàn)象會極大地損壞管道。因此，排水“消能”技術(shù)就成為津塔需要面對的新課題。“上海設(shè)計研究院做了很多超高層建筑，大多采用每100米設(shè)置一個轉(zhuǎn)換站的方式進行消能。在津塔的排水設(shè)計方案中，我們首次進行了創(chuàng)新，采用了全新的消能裝置，使津塔直立管實現(xiàn)了順利排水。”上海華東設(shè)計研究院給排水設(shè)計師梁超表示。

        消防水方面，為了保障消防供水，在15層專門配備了備用柴油發(fā)電機；另一方面，在地下室的防火卷簾處做了防火卷簾自動噴水滅火保護系統(tǒng)，對防火卷簾進行保護。“一般情況下，很多工程直接設(shè)計防火卷簾就可以了，為了保險系數(shù)更高些，我們還給它做了防火卷簾自動噴水滅火保護系統(tǒng)，以保證建筑的安全。”

        做好給排水系統(tǒng)的同時，一個問題也隨之產(chǎn)生，即能耗問題。為此，上海華東設(shè)計研究院從節(jié)能角度，把津塔給水系統(tǒng)的給水泵設(shè)計采用變頻泵，并且變頻泵采用大泵帶小泵的方式：水量大時用大泵來運行，當水量減少后大泵就停止運行，用小泵把水送上去。這樣，運行費用就會大大地減少。

        便捷的垂直交通體系

        便捷，是建筑開發(fā)中一個重要的因素。津塔寫字樓的特殊高度，對垂直交通和分流人群能力提出了挑戰(zhàn)。

        上海華東設(shè)計研究院建筑設(shè)計師李林介紹道：津塔寫字樓項目垂直交通系統(tǒng)設(shè)計了40部電梯，采用穿梭電梯和雙層轎廂電梯，分別在30層和50層設(shè)計了兩個空中轉(zhuǎn)換大堂。這一組合設(shè)計方案，不僅大大增強了運載能力，也節(jié)省了核心筒面積，提高了建筑的使用率。如果不做這一設(shè)計，要在低區(qū)做出很多電梯井道，這些井道鋪開后，核心筒所占面積將增加到80%。
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