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津塔:中国钢结构建筑体系样本
时间:2011-09-06   点击:
    扬帆启航的津塔(天津环球金融中心)不仅是天津新城市地标建筑,也是钢板剪力墙结构的世界第一高楼,这在世界超高层建筑史上尚属首例。

  然而,明艳的光环背后往往是艰辛的探索。当上海华东建筑设计研究院接到津塔的设计标的时,也接受了一项挑战。“这并不是一个简单的建筑设计方案,而是一次突破。”上海华东建筑设计研究院工程师黄良说。

  突破在于两点:一是在国内没有钢板剪力墙结构的建筑规范情况下设计和应用这个体系;二是用该体系打造超高层建筑。

墙厚至少减薄1米
承载力提高30%

  津塔是一座典型的纯钢结构超高层建筑,高336.9米,用钢量为6.5万吨,从地下4层至地上53层均采用核心筒钢板剪力墙体系。

  钢板剪力墙结构是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力结构体系。钢板剪力墙单元由内嵌钢板和竖向边缘构件(柱或竖向加劲肋)、水平边缘构件(梁或水平加劲肋)构成。当钢板沿结构某跨自上而下连续布置时,即形成钢板剪力墙体系。钢板剪力墙作为新型抗侧力构件,具有较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的滞回特性等。

  到目前为止,世界上采用钢板剪力墙作为抗侧力结构的建筑已达数十幢,主要分布于北美和日本等高烈度地震区。我国在《高层民用建筑钢结构技术规程》中,明确了钢板剪力墙的计算准则和方法,其设计角度是从避免钢板发生屈曲破坏切入的,即以弹性屈曲强度作为钢板剪力墙的设计极限状态,没有利用钢板弹性局部屈曲后强度,通常称之为厚钢板剪力墙。而厚钢板剪力墙用钢量大成本较高,发展受到一定限制。

  津塔整体建筑为筒中筒结构形式,由内侧核心筒与外筒组成,核心筒开间较大,钢板剪力墙的宽厚比也较大,采用厚钢板剪力墙理念进行设计,成本将大幅度上升。因此,津塔办公楼采用的是目前国际上比较流行的钢板剪力墙设计理念。

  钢板剪力墙结构具有几个突出特点,首先是可提高建筑的承载力,大约可提高30%,有效地降低了楼体的自重,抗震性能好;其次是钢板剪力墙不用承受竖向重力荷载,与混凝土剪力墙相比,在核心筒和外框筒间能为大楼省出更大的使用空间;再次是最高可承受30.5米/秒的风压和相当于2500年一遇的罕遇地震烈度。

  “如果采用混凝土剪力墙,墙厚将达到1.3米~1.5米;钢板剪力墙体系为0.3米,增加了建筑使用面积。建设时间也比常规的节省了一半。”黄良说。正是有了努力与突破,上海华东设计院在钢板剪力墙体系方面,已经申请了4个发明专利。

单体构建重达48.5吨
工程进度两天一层

  “其实,作为抗力体系,这一体系很少在国内高层建筑中应用,多是实验性项目,原因是其没有建筑规范。”黄良表示,国外比如日本的建筑应用到最高也只有200多米,而津塔是336.9米。

  为了使建筑安全可靠,上海华东设计院参照了美国以及欧洲的标准规范,对各个技术环节进行了反复比对。“这种体系在国内是首创,不是简单照搬国外的设计,还需要满足国内的相关要求与条件。”黄良指出。

  这种条件首指国内的施工条件:津塔的柱、梁、薄型钢板剪力墙、外部装饰件、钢楼梯等钢构件多达2.7万余件。其中,钢柱直径一般为1.6~1.7米,约20~30吨,最重的则达60吨,最重的单体构建(核心筒立柱)达48.5吨;桁架斜撑板厚为60~90毫米;标准层钢板剪力墙高3.6米,宽3.3~7米,也就是说,单片标准层钢板剪力墙的焊缝长度将达20.8米。如此“大块头”的钢构件,无论是加工、运输,还是安装、焊接都需要很高的技术。

  此外,钢板剪力墙与核心筒柱连接方式为安装螺栓+焊接,单块单侧安装螺栓为30颗,要求施工测量精度高,最厚钢板为100毫米,比其他钢构件的焊接难度都大。一些建筑也有用钢板剪力墙体系的,但大部分都是栓结完之后直接外包混凝土。像津塔写字楼这样的钢板剪力墙,无论是其连接方式,还是其高度,在国际超高层建筑上都是首例。

  为了解决这些难题,津塔采用桩筏基础,结构形式为钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸钢臂抗侧力体系,也称作“筒中筒结构形式”,“筒”其实也就是一根根直径在1.6~1.7米之间的钢管,地下57根,地上53根,分核心筒与外框筒两种。考虑到加工运输及施工条件的限制,基本按照每3层楼(12.5米)1节钢管进行分段安装焊接。核心筒与外框筒间以钢梁相连接成为层间地面,采用压型钢板组合楼板;核心筒钢板剪力墙由钢管(内灌混凝土)及薄型钢板剪力墙等组成。

  除了技术的挑战外,建筑的设计方案还需要满足开发商的需求。在美国,钢板剪力墙体系是在结构封顶以后进行安装的,以避免其不受竖向压力的影响。如果按照这一设计手法执行,津塔的竣工时间将推后两年。

  这一时间表被开发商否决。怎么办?这一问题摆在了华东设计院的面前。

  讨论异常激烈。最后,华东设计院提出了“给钢板剪力墙体系加热”的操作手法。这一操作手法在国际上几乎没有应用案例。华东设计院的结论是:钢板剪力墙体系在地震的作用下会摇晃,加热后,其晃动幅度会减小,其原理如同水中浮木一样,避免了竖向压力的影响。

  “通过一些创新和突破,很好地解决了技术上的难题。”黄良说。

  这一方案的实施,加上中建一局强大的施工能力,创造了两天一层的建设速度,成为国内外超高层建设速度之最。

设计师感言
在建设过程中寻求美与灵感

  远远望去,津塔就像一艘待驶的帆船。

  “这是我的设计初衷。希望在天津打造一片建筑群,突出海河美丽的滨水区域,能在天际线上标注这一城市中心。”津塔设计者SOM公司的Brian Lee指出。

  其实,在设计之初,天津市政府即向项目业主方金融街(天津)置业有限公司提出了明确的要求,津塔必须设计为标志性建筑。通过一系列设计手法的应用,津塔成为了地标性建筑。

  Brian Lee认为,是中国文化与自己所坚持的理念成就了津塔的设计。“建筑与构造方式如何丰富其为人们所创造的体验”是他坚持的理念。此前,他在接受媒体采访时也指出,很多情况下,在提出解决方案之前,尽量理解问题所在——场地、肌理、功能、建筑使用者、材质、实施方法、预算、地区精神面貌和文化,并通过处理上述问题可得出独特的解决方案。“我不喜欢强加某种风格或教条,我愿意在优雅的建设过程中寻求美与灵感。”

  因此,津塔的设计就是在追求美与灵感,借鉴中国传统折扇的艺术造型,设计出了一栋呈扬起风帆状的建筑。

  这是一个颇具灵感与实用的设计手法。外部的玻璃幕墙运用纵向多折面的折纸造型,使得形体庞大的超高层建筑看上去显得格外轻盈而秀美,从而削减了超大建筑体量的沉重感。在内部,整体建筑由内侧核心筒与外筒组成,核心筒与外筒间以钢梁相连接成为层间地面,而核心筒则由若干电梯井及薄型钢板剪力墙组成。津塔由70个标准层与4个桁架层组成,每个桁架层暗含一个设备层,每隔14层设一个加装斜向支撑的桁架层(亦称为桁架区),用以加固自身结构。

  此外,折扇三角形的窗户可以有效增加其采光面积。设计师在津塔每层都设计了64个凸出的阳角空间,巧妙地增加了平面上的周长,使室内办公室在每个凸出的玻璃幕墙位置得到超出一般办公楼所能享有的180度的视觉效果。津塔顶端的葵花形观景平台是特别设计的透光结构,拥有整个大楼最好的采光。

技术解密

  津塔除了在建筑结构体系方面有重大突破外,在暖通系统、给排水系统、电力系统、垂直交通等方面的技术应用,也同样可圈可点。

节能舒适的暖通系统

  “冰蓄冷制冷+低温送风+变风量”组合式制冷系统,是目前建筑暖通系统中最为先进的系统技术,也是津塔经过多轮讨论后最终采用的制冷方式。

  “冰蓄冷就是利用夜间相对低廉价格的电制冰,第二天白天把冰冷量释放出来,这样可以减少白天机械运行的时间,节省了运行的费用。”上海华东设计研究院暖通设计师魏炜表示,同时,津塔项目选用的是空气变风量系统,可以根据不同区域温度需要设置调节风量,达到一个比较舒适的效果。

  然而,这一组合在津塔这样的超高层项目中应用,绝非易事。魏炜指出,津塔的特殊高度对暖通系统的水系统的分区影响很大:高度越高,系统的承压越大,这就要求在不同的部位设置分级设备。“津塔的高度有300多米,而暖通设备在地下4层,这么高的压力,设备承受不了。因此,我们在中间设置了一级冷热交换站和二级交换站,以分散系统的承压。”魏炜表示。

  另外,津塔整体封闭性非常好,也对室内环境提出了更高的要求。一般来说,室内环境包括温度、湿度及空气品质。在这方面,上海华东设计研究院也进行了有效的设计,如在湿度上,在不同楼层、区域设置终端自动检测系统,并根据建筑的朝向、使用情况,定时进行加湿处理,并净化空气。

安全高效的供电系统

  作为超高层建筑,供电的可靠性至关重要。为了稳定地将电源输送到高层,保障未来入住客户的用电量,津塔项目从天津市电力公司引来了两条35千伏的电源,在45层和60层分别设置了两个变电所,并另设了两台柴油发电机作为备用电源。

  上海华东设计研究院电力设计师韩凤明指出,他们在津塔写字楼电力系统设计上也创造了一个国内第一。一般情况下,高层建筑的电力都采用两次降压的模式,先是从35千伏降到10千伏,再从10千伏降到0.4千伏。但是,两次降压方案,会产生较大的变压系统运行能耗,并且需要两级变压器系统设备的投入。而津塔设计师们突破了常规和习惯,创造性地采用了35千伏直降到0.4千伏的一级变压系统,既有效保证了节能,也降低了设备的投入。另外,在目前国内的超高层建筑的设计中,将35千伏电力一直送到津塔这样高的楼上的这种系统,可能还算是第一个。

稳定消能的给排水系统

  津塔建筑给排水系统分两部分:一是给排水,另一个是消防水。

  排水方面,面对这么高大的建筑,排水的落差大,排水时下落的“水锤”现象会极大地损坏管道。因此,排水“消能”技术就成为津塔需要面对的新课题。“上海设计研究院做了很多超高层建筑,大多采用每100米设置一个转换站的方式进行消能。在津塔的排水设计方案中,我们首次进行了创新,采用了全新的消能装置,使津塔直立管实现了顺利排水。”上海华东设计研究院给排水设计师梁超表示。

  消防水方面,为了保障消防供水,在15层专门配备了备用柴油发电机;另一方面,在地下室的防火卷帘处做了防火卷帘自动喷水灭火保护系统,对防火卷帘进行保护。“一般情况下,很多工程直接设计防火卷帘就可以了,为了保险系数更高些,我们还给它做了防火卷帘自动喷水灭火保护系统,以保证建筑的安全。”

  做好给排水系统的同时,一个问题也随之产生,即能耗问题。为此,上海华东设计研究院从节能角度,把津塔给水系统的给水泵设计采用变频泵,并且变频泵采用大泵带小泵的方式:水量大时用大泵来运行,当水量减少后大泵就停止运行,用小泵把水送上去。这样,运行费用就会大大地减少。

便捷的垂直交通体系

  便捷,是建筑开发中一个重要的因素。津塔写字楼的特殊高度,对垂直交通和分流人群能力提出了挑战。

  上海华东设计研究院建筑设计师李林介绍道:津塔写字楼项目垂直交通系统设计了40部电梯,采用穿梭电梯和双层轿厢电梯,分别在30层和50层设计了两个空中转换大堂。这一组合设计方案,不仅大大增强了运载能力,也节省了核心筒面积,提高了建筑的使用率。如果不做这一设计,要在低区做出很多电梯井道,这些井道铺开后,核心筒所占面积将增加到80%。
(摘自 中国房地产报)
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