中交國際中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管控實(shí)踐

賀叢越

(中交天府成都實(shí)業(yè)有限公司，四川成都 610021)

1 工程概況

中交國際中心位于成都市天府新區(qū)中央商務(wù)區(qū)漢州路東側(cè)，距中心城區(qū)天府廣場(chǎng)約30 km，交通便利，配套完善。結(jié)構(gòu)總高213.1 m，其中混凝土主體高170.3 m，以上為40 m高的鋼結(jié)構(gòu)塔冠。項(xiàng)目用地為商務(wù)設(shè)施用地，凈用地18 469.67 m2，總建筑面積為159 971.88 m2，規(guī)劃地上為：商業(yè)部分1～4層；辦公部分4～39層(其中第12/23/34層為避難層)；酒店部分4～11層。地下三層，主要的設(shè)備房、酒店后勤和自行車庫布置在負(fù)一層，地下室其余區(qū)域?yàn)槠噹?。建筑效果圖及模型見圖1。

圖1 建筑效果圖及模型

本工程設(shè)計(jì)使用年限50 a，抗震設(shè)防烈度7度(0.10g)，設(shè)計(jì)地震分組第三組；抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，安全等級(jí)二級(jí)；場(chǎng)地土類別為Ⅱ類。

2 方案階段設(shè)計(jì)大原則的確立

一般而言，對(duì)200 m左右的超高層，結(jié)構(gòu)造價(jià)約占建筑總成本的30 %，因此在滿足安全適用的前提下，提高效率選擇合適的結(jié)構(gòu)體系對(duì)控制成本尤為重要。本項(xiàng)目主塔樓方案設(shè)計(jì)啟動(dòng)初期，在確保建筑設(shè)計(jì)有足夠發(fā)揮空間的前期下，項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)根據(jù)過往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，為各設(shè)計(jì)顧問制定了以下幾個(gè)大原則。

2.1 塔樓高寬比

塔樓高寬比不大于7。塔樓高寬比是超高層影響造價(jià)的關(guān)鍵因素，超過規(guī)范適宜高寬比，需要較高的結(jié)構(gòu)代價(jià)來滿足剛度需求。建筑師根據(jù)明確的高寬比要求，完成了多個(gè)立面設(shè)計(jì)，設(shè)定樓層高度，層數(shù)及厘定各層面積等，有效提升了設(shè)計(jì)效率。

2.2 內(nèi)筒高寬比

內(nèi)筒高寬比不大于15。JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定核心筒宜貫通建筑物全高。核心筒的寬度不宜小于筒體總高的1/12，當(dāng)筒體結(jié)構(gòu)設(shè)置角筒、剪力墻或增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度的構(gòu)件時(shí)，核心筒的寬度可適當(dāng)減小。與高寬比類似，對(duì)內(nèi)筒高寬比的控制實(shí)際為從宏觀角度控制結(jié)構(gòu)體系的剛度，當(dāng)有可靠措施或者通過分析，結(jié)構(gòu)指標(biāo)滿足規(guī)范要求時(shí)，允許突破。200 m左右的框架核心筒超高層結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟，內(nèi)筒高寬比在1/12～1/15之間已非常常見。

2.3 結(jié)構(gòu)長寬比

結(jié)構(gòu)長寬比按規(guī)范要求控制在6以內(nèi)。

2.4 核心筒平面面積與建筑平面面積之比

根據(jù)大量工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，取15%～25%。

這個(gè)比值不宜太大亦不能太小，核心筒所占面積較大時(shí)，減少了建筑的使用面積，尤其對(duì)于辦公樓這類商業(yè)建筑，顯得不夠經(jīng)濟(jì)且商業(yè)價(jià)值不大; 核心筒所占面積較小時(shí)，其抗側(cè)剛度不夠。

2.5 其他

(1)核心筒墻體面積占核心筒平面面積之比取0.14～0.19。

(2)外框架柱面積與核心筒外墻面積之比取1.0左右。

通過對(duì)類似項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)的梳理總結(jié)，在方案設(shè)計(jì)初期通過對(duì)影響結(jié)構(gòu)性能與成本的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行控制，有效地從源頭上保證了設(shè)計(jì)的合理性與經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管控和比選的重點(diǎn)

在設(shè)計(jì)中，對(duì)若干專題進(jìn)行了研究和比選，通過深入的分析和比較為業(yè)主方的決策提供了強(qiáng)有力的支撐。

3.1 結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)選

高度在200 m左右的超高層辦公樓在超高層中占比最大，通常根據(jù)建筑的平面布局均為框架核心筒結(jié)構(gòu)。從抗側(cè)力構(gòu)件的角度，一般需要設(shè)置兩道防線，常用的組合是框架與筒體或者支撐進(jìn)行組合。從對(duì)建筑功能的適應(yīng)性出發(fā)，可供選擇的結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)(中下部采用型鋼柱和鋼管柱)和混合結(jié)構(gòu)，兩種體系各有優(yōu)缺點(diǎn)。

鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)：技術(shù)成熟，應(yīng)用普遍，具有剛度大，阻尼比大(0.05)，造價(jià)相對(duì)低廉等特點(diǎn)，在8度以下的低烈度區(qū)優(yōu)勢(shì)明顯。即便超過300 m，采用混凝土材料仍有優(yōu)秀的應(yīng)用。例如深圳的漢國大廈，高312 m，75層，核心筒距離外框架柱跨度相對(duì)小(9 m)，樓蓋采用混凝土體系仍然比較經(jīng)濟(jì)，施工圖統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)造價(jià)約2 700 元/m2。

混合結(jié)構(gòu)：框架的梁柱為鋼梁，鋼管混凝土柱或型鋼混凝土柱，筒體采用鋼筋混凝土核心筒。此種體系重量相對(duì)輕，抗震性能好，剛度大，阻尼比0.035～0.04，施工快捷。造價(jià)介于混凝土和全鋼結(jié)構(gòu)之間。

從結(jié)構(gòu)造價(jià)的角度，同條件下混合結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成本提高約20%～30%。從耐久性的角度，混凝土的耐久性不低于結(jié)構(gòu)使用年限，不存在防銹防腐防火的問題，后期維護(hù)成本低。

從成都地區(qū)的自然條件，結(jié)構(gòu)主體的高度，對(duì)建筑功能的適應(yīng)性，施工便利度，結(jié)構(gòu)成本等角度分析，經(jīng)過綜合的測(cè)算與比較，本項(xiàng)目采用鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)。

3.2 核心筒豎向收進(jìn)研究

為了提高平效，探討了超高層核心筒豎向收進(jìn)的可行性。一般而言，核心筒基于下列原因在豎向會(huì)有變化：隨著電梯分區(qū)的變化而變化；隨著豎向空間形態(tài)的變化而變化；隨著體型的變化而變化。由于體型的變化，有些建筑物越往上越小，電梯井道在高區(qū)越往上越少，或者核心筒按分區(qū)逐區(qū)消減。

對(duì)于本項(xiàng)目，在討論分區(qū)的適用性時(shí)需要關(guān)注下面三個(gè)問題：首先，核心筒內(nèi)設(shè)備豎向管井不能對(duì)齊，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。其次，收進(jìn)容易造成核心筒剛度的突變和不均衡，引起偏心，若收進(jìn)，最好兩端同時(shí)內(nèi)縮。再次，外輪廓不變的情況下，筒體收進(jìn)后框架柱距離筒體的距離顯著增大。需要設(shè)置從邊緣的剪力墻上設(shè)置轉(zhuǎn)換內(nèi)柱，否則跨度太大影響凈高或經(jīng)濟(jì)性。

經(jīng)過通盤考慮，本項(xiàng)目核心筒不內(nèi)收，通高設(shè)置。

3.3 框架柱選型

為了提高底部框架柱的抗震性能，減小截面尺度，底部框架柱可采用型鋼柱，鋼管柱，鋼管疊合柱等形式(圖2)，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)框架柱的選型方案進(jìn)行比選。

圖2 框架柱選型示意

鋼管柱因防火防腐費(fèi)用高且需后期維護(hù)，本項(xiàng)目不采納，經(jīng)過測(cè)算，同樣的含鋼率下，鋼管混凝土疊合柱承載力/型鋼柱承載力=130 %。因鋼管疊合柱考慮了鋼管的套箍約束效應(yīng)，承載力高，在成本上比型鋼柱有較大的優(yōu)勢(shì)，是本項(xiàng)目的首選。

型鋼柱和疊合柱都要同時(shí)考慮鋼筋和鋼板的連接和避讓，節(jié)點(diǎn)的施工難度比普通鋼筋混凝土柱復(fù)雜。本項(xiàng)目摒棄規(guī)程中的常規(guī)較復(fù)雜的做法，疊合柱的節(jié)點(diǎn)直接采用鋼管上開矩形洞口，讓鋼筋穿進(jìn)的方式，此方案大幅度減少了施工的復(fù)雜性和難度。設(shè)計(jì)時(shí)采取實(shí)體有限元分析來評(píng)估穿洞方案的可行性，有限元分析表明(圖3)，本節(jié)點(diǎn)方案滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

圖3 疊合柱開洞節(jié)點(diǎn)實(shí)體有限元分析

3.4 塔冠采用屈曲約束支撐(BRB)可行性研究

鋼結(jié)構(gòu)塔冠為鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系，在設(shè)計(jì)初期對(duì)比了普通鋼支撐和屈曲約束支撐(BRB)的兩種方案?？蚣?防屈曲支撐(BRB)具有如下優(yōu)點(diǎn)(圖4)：

圖4 防屈曲支撐布置

(1)由于防屈曲支撐不存在平面外失穩(wěn)的問題，和普通鋼支撐相比具有更高的承載力，用鋼量較普通支撐更小；

(2)防屈曲支撐在小震下為結(jié)構(gòu)提供剛度，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)平面和豎向剛度；

(3)在設(shè)防烈度地震作用和罕遇地震作用下，防屈曲支撐結(jié)構(gòu)體系具有耗能能力好、充分發(fā)揮鋼材性能的優(yōu)點(diǎn)。

兩種方案對(duì)比的結(jié)論為：

(1)采用BRB支撐可滿足結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)要求；

(2)采用BRB后，鋼結(jié)構(gòu)截面有所減小，節(jié)約鋼構(gòu)件造價(jià)120萬；

(3)共采用BRB構(gòu)件114根，每根BRB構(gòu)件造價(jià)1～1.5萬元，其本身的造價(jià)與節(jié)約鋼材的造價(jià)基本相當(dāng)，在本項(xiàng)目上無明顯優(yōu)勢(shì)。

因此，后續(xù)方案采用普通鋼支撐方案。

3.5 塔冠轉(zhuǎn)換桁架的優(yōu)化

頂部鋼框架通過轉(zhuǎn)換桁架與下部的混凝土結(jié)構(gòu)相連，初期將鋼柱下插至屋面下一層形成整體桁架。經(jīng)過優(yōu)化，改進(jìn)為在屋面標(biāo)高以上形成整體的轉(zhuǎn)換桁架，避免了室內(nèi)形成下插鋼柱影響使用功能的不利影響(圖5)。

圖5 鋼框架轉(zhuǎn)換體系示意

3.6 塔樓基礎(chǔ)方案的比選

塔樓采用大直徑人工挖孔嵌巖灌注樁，框架柱下一柱一樁，核心筒區(qū)域布設(shè)群樁，根據(jù)核心筒內(nèi)外墻的荷載分布比例，樁的布置兼顧局部平衡(圖6)。

圖6 塔樓基礎(chǔ)平面布置

樁端持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為7.0 MPa。

對(duì)于內(nèi)筒的樁基布置，考慮了三種方案(圖7)。

方案一 方案二 方案三圖7 核心筒下樁基布置方案

方案一：均勻布樁，樁徑1.5 m，共55根。外圈墻下的樁幾乎都不與豎向構(gòu)件重合。傳力不直接，筏板應(yīng)考慮樁的沖切厚度和配筋均較大。

方案二：調(diào)整內(nèi)部樁為梅花布設(shè)，外圈為橢圓樁。橢圓樁有效保證了樁距，但施工風(fēng)險(xiǎn)較圓樁大，護(hù)壁需特殊考慮，同等條件下受力效率不如圓樁。

方案三：核心筒采用直徑接近的樁，核心筒外墻與樁完全重合，內(nèi)筒多數(shù)樁與剪力墻重合。樁徑2.2～2.4 m，共36根。此方案兼顧了局部平衡，傳力直接簡(jiǎn)單，筏板配筋小，為最終方案。

4 結(jié)構(gòu)體系的確立

根據(jù)方案階段的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)條件，經(jīng)過全方位的設(shè)計(jì)比選，最終呈現(xiàn)的方案為鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)和頂部鋼結(jié)構(gòu)支撐框架豎向混合結(jié)構(gòu)。塔樓為切角矩形，核心筒為矩形，長寬比為1.52，高寬比為4.76，內(nèi)筒高寬比為13.3，核心筒面積占平面面積約22 %，核心筒墻體面積與核心筒平面面積之比為0.16，外框架柱面積與核心筒外墻面積之比為0.7。體系的宏觀尺度與指標(biāo)符合前述的設(shè)計(jì)原則。

塔樓角部有八根向內(nèi)傾斜的斜柱，傾角約3°。斜柱在重力荷載下產(chǎn)生附加彎矩，但提高了整體穩(wěn)定性和剛度。

鋼結(jié)構(gòu)塔冠位于頂部，有較大的鞭梢效應(yīng)，門型體型為風(fēng)荷載作用下有利體型。塔冠局部鋼柱通過轉(zhuǎn)換桁架與下部混凝土主體相連，有局部轉(zhuǎn)換。

本塔樓為辦公樓，根據(jù)建筑布局的高度較大之特點(diǎn)，主體結(jié)構(gòu)采用較為成熟的鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔冠為鋼框架支撐體系，局部鋼管柱通過40F～41F空腹鋼桁架轉(zhuǎn)換。標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見圖8。

核心筒采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，混凝土剛度大，耐火性能好，初始造價(jià)和后期維護(hù)費(fèi)用均較低。核心筒厚度基于設(shè)計(jì)強(qiáng)度和抗側(cè)力剛度并考慮樓層上下剛度比而定，外墻自低區(qū)的900 mm變化為高區(qū)的400 mm，筒內(nèi)橫墻厚度為300 mm，對(duì)于兩電梯廳間長墻，為滿足墻體穩(wěn)定性要求，在滿足建筑的電梯設(shè)計(jì)條件下，增設(shè)250 mm混凝土隔墻，減少內(nèi)橫長墻的無支長度。連接轉(zhuǎn)換鋼骨梁的頂層外墻筒內(nèi)暗埋鋼骨并往下延伸一層。核心筒四大角和短墻肢內(nèi)埋鋼骨。

考慮建筑立面的漸變效果，同時(shí)為保證豎向結(jié)構(gòu)連續(xù)性，平面四個(gè)角部的8根框架柱隨外立面采用斜柱形式，其中四根斜至16F變?yōu)橹敝母敝另敯?，最大的斜角度?°。

15F樓面以下采用鋼管混凝土疊合柱，以提供足夠的剛度和強(qiáng)度，改善抗震延性要求，又使框架柱截面相對(duì)較小，疊合柱內(nèi)含鋼率分別為3.5 %、4.18 %，疊合柱以上設(shè)兩層過渡層，8根斜柱鋼管上延到16F，其余設(shè)芯柱。17F以上為鋼筋混凝土柱。高區(qū)對(duì)應(yīng)于塔冠鋼柱的八根框架柱內(nèi)，鋼柱下延2F，變?yōu)殇摴腔炷林?/p>

圖8 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

樓面采用單向布置的鋼筋混凝土樓面梁，外框柱距內(nèi)筒距離為11.40～11.9 m，梁截面除滿足強(qiáng)度、剛度及裂縫控制

要求外，同時(shí)應(yīng)滿足建筑凈高和機(jī)電走管要求。40F大屋面層支撐鋼結(jié)構(gòu)塔冠的梁為型鋼混凝土梁。

核心筒內(nèi)板厚120 mm；設(shè)備避難層板厚為：120 mm。核心筒外板厚為100～130 mm；地下室頂板板厚180 mm，斜柱直柱轉(zhuǎn)換樓層16F板厚為150 mm，混凝土大屋面板厚200 mm。2F、3F樓板板厚120 mm。其余板厚120 mm。

塔冠功能上為觀光廊橋和設(shè)備平臺(tái)，從標(biāo)高170.20至標(biāo)高213.00，塔冠為門型造型，門型桁架跨度為47.6 m，平面長向兩側(cè)的豎向構(gòu)架的厚度均為5.5 m。

5 結(jié) 論

本工程結(jié)構(gòu)屬于超B級(jí)高度的超限高層建筑，建成后將重塑天府新區(qū)的城市天際線。針對(duì)項(xiàng)目的特殊性及復(fù)雜性，在充分總結(jié)類似復(fù)雜項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，連同各專業(yè)設(shè)計(jì)顧問，從項(xiàng)目最初就積極探討各種可行方案，和相關(guān)運(yùn)營單位協(xié)調(diào)磋商，為項(xiàng)目的積極推進(jìn)，成本控制等提供了有力的支撐。

(1)在方案設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)大量工程經(jīng)驗(yàn)的梳理總結(jié)，通過控制高寬比，內(nèi)筒高寬比，筒體面積比等若干關(guān)鍵指標(biāo)，為結(jié)構(gòu)的可行性和經(jīng)濟(jì)性提供了保障。

(2)對(duì)結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)方案、框架柱選型等若干專題進(jìn)行研究，對(duì)設(shè)計(jì)的合理性提供決策支撐。

(3)超高層項(xiàng)目通用為地標(biāo)項(xiàng)目，功能復(fù)雜建造成本高，無論其使用功能包括辦公酒店還是商業(yè)，業(yè)主方及潛在的客戶群均對(duì)景觀、舒適度、可持續(xù)發(fā)展等方面有很高的要求。作為業(yè)主，還格外關(guān)注項(xiàng)目的成本控制，因此業(yè)主方要充分協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)各專業(yè)及運(yùn)營團(tuán)隊(duì)，在盡量滿足建筑功能的前期下，不斷探索不同的解決方案。這種全方位全流程的介入，強(qiáng)有力的把控了項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵點(diǎn)，為類似項(xiàng)目的管理提供經(jīng)驗(yàn)參考。

[1] JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 趙攀宇，張莎，曾靖皓, 等. 中交國際中心超高層塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，46(S1):11-17.