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津塔:中國鋼結構建筑體系樣本

作者:建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)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,也是鋼板剪力墻結構的世界第一高樓,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,也是鋼板剪力墻結構的世界第一高樓,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。當上海華東建筑設計研究院接到津塔的設計標的時(shí),也接受了一項挑戰?!斑@并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的建筑設計方案,而是一次突破?!鄙虾HA東建筑設計研究院工程師黃良說(shuō)。

        突破在于兩點(diǎn):一是在國內沒(méi)有鋼板剪力墻結構的建筑規范情況下設計和應用這個(gè)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構超高層建筑,高336.9米,用鋼量為6.5萬(wàn)噸,從地下4層至地上53層均采用核心筒鋼板剪力墻體系。

        鋼板剪力墻結構是20世紀70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型抗側力結構體系。鋼板剪力墻單元由內嵌鋼板和豎向邊緣構件(柱或豎向加勁肋)、水平邊緣構件(梁或水平加勁肋)構成。當鋼板沿結構某跨自上而下連續布置時(shí),即形成鋼板剪力墻體系。鋼板剪力墻作為新型抗側力構件,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力結構的建筑已達數十幢,主要分布于北美和日本等高烈度地震區。我國在《高層民用建筑鋼結構技術(shù)規程》中,明確了鋼板剪力墻的計算準則和方法,其設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計極限狀態(tài),沒(méi)有利用鋼板彈性局部屈曲后強度,通常稱(chēng)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構形式,由內側核心筒與外筒組成,核心筒開(kāi)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(jìn)行設計,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計理念。

        鋼板剪力墻結構具有幾個(gè)突出特點(diǎn),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(fēng)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。建設時(shí)間也比常規的節省了一半?!秉S良說(shuō)。正是有了努力與突破,上海華東設計院在鋼板剪力墻體系方面,已經(jīng)申請了4個(gè)發(fā)明專(zhuān)利。

        單體構建重達48.5噸

        工程進(jìn)度兩天一層

        “其實(shí),作為抗力體系,這一體系很少在國內高層建筑中應用,多是實(shí)驗性項目,原因是其沒(méi)有建筑規范?!秉S良表示,國外比如日本的建筑應用到最高也只有200多米,而津塔是336.9米。

        為了使建筑安全可靠,上海華東設計院參照了美國以及歐洲的標準規范,對各個(gè)技術(shù)環(huán)節進(jìn)行了反復比對?!斑@種體系在國內是首創(chuàng ),不是簡(jiǎn)單照搬國外的設計,還需要滿(mǎn)足國內的相關(guān)要求與條件?!秉S良指出。

        這種條件首指國內的施工條件:津塔的柱、梁、薄型鋼板剪力墻、外部裝飾件、鋼樓梯等鋼構件多達2.7萬(wàn)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(shuō),單片標準層鋼板剪力墻的焊縫長(cháng)度將達20.8米。如此“大塊頭”的鋼構件,無(wú)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,但大部分都是栓結完之后直接外包混凝土。像津塔寫(xiě)字樓這樣的鋼板剪力墻,無(wú)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,結構形式為鋼管混凝土柱框架+核心鋼板剪力墻體系+外伸鋼臂抗側力體系,也稱(chēng)作“筒中筒結構形式”,“筒”其實(shí)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??紤]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節鋼管進(jìn)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(內灌混凝土)及薄型鋼板剪力墻等組成。

        除了技術(shù)的挑戰外,建筑的設計方案還需要滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)商的需求。在美國,鋼板剪力墻體系是在結構封頂以后進(jìn)行安裝的,以避免其不受豎向壓力的影響。如果按照這一設計手法執行,津塔的竣工時(shí)間將推后兩年。

        這一時(shí)間表被開(kāi)發(fā)商否決。怎么辦?這一問(wèn)題擺在了華東設計院的面前。

        討論異常激烈。最后,華東設計院提出了“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(méi)有應用案例。華東設計院的結論是:鋼板剪力墻體系在地震的作用下會(huì )搖晃,加熱后,其晃動(dòng)幅度會(huì )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(guò)一些創(chuàng )新和突破,很好地解決了技術(shù)上的難題?!秉S良說(shuō)。

        這一方案的實(shí)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速度,成為國內外超高層建設速度之最。

        設計師感言

        在建設過(guò)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域,能在天際線(xiàn)上標注這一城市中心?!苯蛩O計者SOM公司的BrianLee指出。

        其實(shí),在設計之初,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,津塔必須設計為標志性建筑。通過(guò)一系列設計手法的應用,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計?!敖ㄖc構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(fǎng)時(shí)也指出,很多情況下,在提出解決方案之前,盡量理解問(wèn)題所在??場(chǎng)地、肌理、功能、建筑使用者、材質(zhì)、實(shí)施方法、預算、地區精神面貌和文化,并通過(guò)處理上述問(wèn)題可得出獨特的解決方案?!拔也幌矚g強加某種風(fēng)格或教條,我愿意在優(yōu)雅的建設過(guò)程中尋求美與靈感?!?br>
        因此,津塔的設計就是在追求美與靈感,借鑒中國傳統折扇的藝術(shù)造型,設計出了一棟呈揚起風(fēng)帆狀的建筑。

        這是一個(gè)頗具靈感與實(shí)用的設計手法。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。在內部,整體建筑由內側核心筒與外筒組成,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(gè)標準層與4個(gè)桁架層組成,每個(gè)桁架層暗含一個(gè)設備層,每隔14層設一個(gè)加裝斜向支撐的桁架層(亦稱(chēng)為桁架區),用以加固自身結構。

        此外,折扇三角形的窗戶(hù)可以有效增加其采光面積。設計師在津塔每層都設計了64個(gè)凸出的陽(yáng)角空間,巧妙地增加了平面上的周長(cháng),使室內辦公室在每個(gè)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(jué)效果。津塔頂端的葵花形觀(guān)景平臺是特別設計的透光結構,擁有整個(gè)大樓最好的采光。

        技術(shù)解密

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

        節能舒適的暖通系統

        “冰蓄冷制冷+低溫送風(fēng)+變風(fēng)量”組合式制冷系統,是目前建筑暖通系統中最為先進(jìn)的系統技術(shù),也是津塔經(jīng)過(guò)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(jià)格的電制冰,第二天白天把冰冷量釋放出來(lái),這樣可以減少白天機械運行的時(shí)間,節省了運行的費用?!鄙虾HA東設計研究院暖通設計師魏煒表示,同時(shí),津塔項目選用的是空氣變風(fēng)量系統,可以根據不同區域溫度需要設置調節風(fēng)量,達到一個(gè)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用,絕非易事。魏煒指出,津塔的特殊高度對暖通系統的水系統的分區影響很大:高度越高,系統的承壓越大,這就要求在不同的部位設置分級設備?!敖蛩母叨扔?00多米,而暖通設備在地下4層,這么高的壓力,設備承受不了。因此,我們在中間設置了一級冷熱交換站和二級交換站,以分散系統的承壓?!蔽簾槺硎?。

        另外,津塔整體封閉性非常好,也對室內環(huán)境提出了更高的要求。一般來(lái)說(shuō),室內環(huán)境包括溫度、濕度及空氣品質(zhì)。在這方面,上海華東設計研究院也進(jìn)行了有效的設計,如在濕度上,在不同樓層、區域設置終端自動(dòng)檢測系統,并根據建筑的朝向、使用情況,定時(shí)進(jìn)行加濕處理,并凈化空氣。

        安全高效的供電系統

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

        上海華東設計研究院電力設計師韓鳳明指出,他們在津塔寫(xiě)字樓電力系統設計上也創(chuàng )造了一個(gè)國內第一。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(huì )產(chǎn)生較大的變壓系統運行能耗,并且需要兩級變壓器系統設備的投入。而津塔設計師們突破了常規和習慣,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,既有效保證了節能,也降低了設備的投入。另外,在目前國內的超高層建筑的設計中,將35千伏電力一直送到津塔這樣高的樓上的這種系統,可能還算是第一個(gè)。

        穩定消能的給排水系統

        津塔建筑給排水系統分兩部分:一是給排水,另一個(gè)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(shí)下落的“水錘”現象會(huì )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?!吧虾TO計研究院做了很多超高層建筑,大多采用每100米設置一個(gè)轉換站的方式進(jìn)行消能。在津塔的排水設計方案中,我們首次進(jìn)行了創(chuàng )新,采用了全新的消能裝置,使津塔直立管實(shí)現了順利排水?!鄙虾HA東設計研究院給排水設計師梁超表示。

        消防水方面,為了保障消防供水,在15層專(zhuān)門(mén)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(dòng)噴水滅火保護系統,對防火卷簾進(jìn)行保護?!耙话闱闆r下,很多工程直接設計防火卷簾就可以了,為了保險系數更高些,我們還給它做了防火卷簾自動(dòng)噴水滅火保護系統,以保證建筑的安全?!?br>
        做好給排水系統的同時(shí),一個(gè)問(wèn)題也隨之產(chǎn)生,即能耗問(wèn)題。為此,上海華東設計研究院從節能角度,把津塔給水系統的給水泵設計采用變頻泵,并且變頻泵采用大泵帶小泵的方式:水量大時(shí)用大泵來(lái)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(huì )大大地減少。

        便捷的垂直交通體系

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

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