【钢结构·技术】入围世界结构大奖的"中国尊"是如何诞生的?

作者姚攀峰授权转载

世界结构大奖(The Structural Awards)自1968年开始由英国?#22987;?#32467;构工程师学会(The Institution of Structural Engineers)发起,旨在表彰出色的、有创造力的结构建筑师以及展示当今世界上最前沿的工程成就,到今年已经是第51届。此次,“中国尊”进入了2019世界结构大奖“高耸或细长结构奖”的入围名单,让我们为该项目的结构工程师们点赞,祝愿他?#20146;?#32456;能够有所斩获!

评委点评:

“"中国尊"因其高难度的外形设计(顶部渐宽)、处于地震多发带和高达528米的高度,给该项目的结构工程师们带来了多重挑?#20581;?#20182;们巧妙地将多种结构体系融入设计中,提出了一套具有创新性施工方法的设?#21697;?#26696;。”

“中国尊”项目的结构设计总监姚攀峰曾撰文《中国尊过关小记》,回忆了该项目的结构设计过程,在此与大家分享。

姚攀峰

教授级高级工程师;

国家一级注册结构工程师、国家注册岩土工程师;

提出了“广义郎肯土压力理论”、“巨震,(避难单元)不倒”、“多

腔钢管钢筋混凝土结构”等新理论新技术,设计了天津117、“中国

尊”等项目,已经获得发明专利10 多项。

曾经为“中国尊”抗震做出贡献的戴国莹研究员与程懋坤大师已先后离世,我也从两位前辈那里受益匪浅( )。仅以此文献给两位前辈大师及所有为“中国尊”做出奉献的专家、设计、施工、监理、顾问、实验人员,也献给在项目一线辛勤工作的农民工朋?#36873;?/p>

——姚攀峰 2018-12-25

图1 中国尊(摄影:姚攀峰,2018)

2013 年 12 月 5 日,在中国建筑科学研究院的建筑安全与环境国家重点实验室,“中国尊”的缩尺模型经受了一场大考:国内最大的三维地震振动台在下午输入了 3 向 8 度大震时程波,模拟了地震加速度400gal的振动台实验(12月6日模拟了地震加速度510gal的实验),“中国尊”主体结构模型在大幅摆动之后,巍然耸立在基础之上,实现了“8 度大震不倒”的预定性能目标。这是世界第一个 8 度设防区超过 500m的建筑物振动台试验,也是“中国尊”主体结构的一次里程碑事件,标识着“中国尊”主体结构顺利通过了振动台的大考。中信、奥雅纳、北京院、建?#24615;?#31561;单位的相关人员来到了试验现场,并为试验结果的成功而庆祝。

图2 中国尊振动台试验

(中间为作者,左1束伟农,左2杨?#24403;耄?#24038;3齐明,右1张相勇,右2殷超,右3王建)

这个成功是?#27973;?#19981;易的,是”中国尊“整个结构团队经过将近3年的讨论、计算、绘图、论证、修改实现的。作为”中国尊“的结构设计总监,我既是中信的一员,也是”中国尊“结构设计团队的一员,由于位置比较特殊,对结构设计的情况了解较其他同?#31350;?#33021;多些,一些朋友再三建议写些东西,与大家分享经验。回想往事感慨万千,特写本文与大家分享中国尊结构设计的过程与成果(可参见拙着从117到中国尊)。

一、棒喝

其实,“中国尊”的结构设计是相当不顺利的,第一次超限审查预审会就迎来了专家组的当头棒喝。至今我还记得 2011 年 8 月 18 日在中信京城大厦的超限审查会议的情景,当时在合作单位的主导之下,”中国尊“的结构体系为下部交叉支撑上部密柱框架的巨型组合结构,结构地震总重量接近80万吨,但是位移角不足1/500,剪重比约 1.7%,上述重要指标均不能满足国家标准。该设计受到了专家的严厉?#23460;桑?#24464;培福主任(超限委主任,专家组组长)、容柏生院?#24247;?#20808;后提出了?#23460;?#21644;反对意见,尤其是结构体系遭到了?#23460;桑?#22823;多数专家持否定态度,部分专家明?#20998;?#20986;:“体系太乱了?#20445;?#36825;个体系我觉得明显的?#20174;?#20986;?#26025;?#31361;变。……(?#26025;齲?#31361;变,特别是高烈度区,是危害性很大的。”

”中国尊“结构设计遇到?#25628;?#37325;的危机,而且是最根本的结构体系遭到?#23460;傘?/p>

二、逆转

2011 年 10 月份,中信与合作方进行工作交接,我作为结构设计总监(前期为结构副总工)开始正式全面管控本项目的结构设计工作。当时情况极其严峻:

1. 难度大

“中国尊”是世界上 8 度抗震设防区第一个超过 500m 的建筑物,且从下至上是一个大-小-大的亚腰形超高层建筑物,更加剧了抗震和抗风的技术难度,结构难度空前。同时大楼要?#32454;?#25511;制成本和进度,如何既实现结构安全又要经济合理是一个极大的挑?#20581;?014年,我在广州与容柏生院士聊到这个项目时,容院士认为这个项目难度超过哈里发塔。

2. 时间短

结构设计是施工、报规等的前提条件,处于关键路径上,直接制约工程进度。经过调研,国内 500m 以上的超高层超限审查时间在方案确定之后约需要 18 个月,”中国尊“在 2012 年 2月份才确定了建筑初步方案(方尊、圆尊),期间方案不?#31995;?#25972;,最终在2013年2月7日完成所有审批工作,远少于其他项目的时间。

3. 经验少

中国在2011年之前只有天津117、上海中心、深圳平安三栋建筑物超过500m。”中国尊“是世界上8度区第一个超过500m的建筑物,地震基底剪力约是上海中心的1.7倍,难度空前。

尽管”中国尊“结构设计团队有着arup、北京院、武汉院、华东院等国际、国内一流的队伍,然而做过500m以上结构实际设计的人员却只有刘鹏、姚攀峰等少数几人。相对住宅等普通项目而言,具备相关经验的专业人员很少。  

有将近百年开发经验的合作方已经在第一次超限预审会中铩羽而归,同样由国际一流团?#30001;?#35745;的平安中心被迫在过程中修改了结构体系。”中国尊“能行吗?#24247;?#26102;我的压力很大。

作为”中国尊“结构设计团队,有条件要上;没有条件,创造条件也要上。2011-10月,建筑方案是方尊还是圆尊的大方向还没有确定,结构团队已经开始了工作,对剪重比、剪力分配比、?#26025;取?#26102;程波、风洞试验?#38382;?#31561;进行了一系列的研究和讨论,并同时开展了多方案的探索和桩基设计的相关工作,采取了一系列的措施,例如:降低核心筒的自重;增加斜撑从4 区到细腰处 5 区,减少?#26025;?#31361;变;不同结构耗能机制的分析等。

丘吉尔首相在二战期间有一段名言:“若问我们的政策是什么?我的回答是:在陆上作战,在海上作战,在空中作?#20581;?#36825;一?#20301;胺浅?#21512;适用于”中国尊“结构团队。当时我们在北京作?#20581;?#22312;上海作?#20581;?#22312;武汉作?#20581;?#22312;纽约作战;我们在白天作战,在晚上作战,在工作日作?#20581;?#22312;周六周日作?#20581;?#27491;式和非正式的研讨会举行了几十场,?#22987;?#21644;电话交流更是难以?#26082;?#35745;量。

2012年4月17日,召开了第二次超限预审会,这是一个令我印象极其深刻的日子,同一个结构体系,”中国尊“的结构设?#39057;?#21040;了超限委专家的认可,实现了大逆转。

三、追击

第二次超限审查得到了专家认可之后,结构团队没有?#23578;福?#32487;续努力,?#32824;?#36861;击。第三次超限审查期间,中信经过多方面权衡,取消了”中国尊“顶部的公寓和?#39057;輳?#20316;为一个纯高端写字楼。这对结构而言是一个利好消息,结构团队当即决定,根据新的业态调整结构设计,交叉斜撑一直?#30001;?#21040;顶?#24247;?#19971;区,并采用了多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱等新技术。在短短的一个多月,完成了修改后的结构设计。本次振动台试验表明,细腰处明显?#20808;幔?#39030;部的斜撑?#34892;?#22320;提高了结构的安全性,倘若仍然按照老设计,?#37096;?#33021;存在难以预料的风险。

在 2012年8月18日,举行了第三次超限审查预审会,多位专家?#27973;?#35748;同修改后的结构设计,给予了高度评价,部分专家甚至认为可以直接举行正式审查。

四、三折

也许”中国尊“关注度太高、也许”中国尊“难度太大、也许前面的工作太顺利,”中国尊“注定要经受更加?#32454;?#30340;考验。第四次超限审查原计划 11 月中举行,后来推迟到11 月?#31069;?#20877;后来推迟到 12月19 日。

为了慎重起见,我?#21069;?#29031;原定计划,把这次会议开成了预审会。预审会上一度比较紧张,部分计算数据、节点构造遭到了?#23460;傘?#23613;管专家认为修改补充后可举行正式超限审查会议,满足了预定目标,这次会议效果不好,也是我主管以来较为严重的一次挫折。

五、盒饭

痛定思痛,只有用更扎实的分析、设计、构造等才能真正获?#31859;?#23478;的认可,才能真正提高大楼的安全性和经济性。结构团队在各方的支持下,我们加快了与专家和顾问单位的沟通。2013年2月5日,不到 1个半月,中间还有元旦的法定节假日,我们又来了,充满信心地举行了正式超限审查会(第五次超限审查会),建委的领导、各顾问单位结构老总都到了现场,汇报顺利进行,答辩顺利进行。当本项目审查组组长徐培福主任宣布“通过”的时候,全场响起了热烈的掌声。

图3 超限审查会现场1

(图中为徐培福、容柏生等审查专家)

图4 超限审查会现场2

(左侧为容柏生院士,?#20063;?#20026;作者)

没有鲜花、没有美酒,结构团?#24433;?#29031;国家的管理规定,以盒饭、茶水庆祝了正式超限审查的顺利通过。

2012年2月7日,仅?#25945;?#26102;间,建委正式审批通过了本工程超限审查,在第?#30343;?#38388;,我把这个喜讯作为新?#27721;?#31036;通告给了相关人员,大家过了一个愉快的春节。

六、成果

”中国尊“结构设计从 2012年2月建筑方案确定,到2013年2月结构超限审查正式通过,整个超限审查时间仅为一年,较同类项目减少了约6个月以上的时间。结构超限审查绝不仅仅是2月15日的一次专家审查会,更是”中国尊“结构设计从雏形到初步设计基?#23601;?#25104;的复杂过程,较第一次结构预审会,最终的结构初步设计成果有了质的飞跃:1) 安全性有了质的提高,结构体系合理,位移角、剪重比等均可满足国家标准,不但能够抗大震,而且能够抗巨震(峰值加速度510gal);2) 成本大幅度下降,保守估计创造综合经济效益高达10亿元;3) 超限审查的周期创造了国内同类项目的记录。"中国尊"结构设计取得了辉煌的战果!

七、奉献

根据相关合约规定,"中国尊"结构设计的知识产权属于中信集团,但是我认为荣誉属于整个结构设计团队。在"中国尊"项目中,所有参与结构设计、咨询、审核的人员做了相关工作和努力,是他们的奉?#33258;?#25104;了这座丰碑。他们是结构设计团队的一员,是"中国尊"的英雄,鲜花属于他们!

看到振动台试验验证了当时设计的理念,想起了当年的?#39038;?#22996;屈、争?#30784;?#24555;乐,感慨万千,也为之自豪!在此再次?#34892;?#32467;构设计团队的无私奉献和努力。

(本文成文于2014年,局?#24247;?#25972;)

八、建造

图5 实验桩现场(2011年)

图6 风洞试验

(前排右2是作者,其他为项目组同事)

图7  中国尊施工(摄影:姚攀峰 2013年)

图8  中国尊施工(摄影:姚攀峰 2013年)

图9 中国尊施工(摄影:姚攀峰 2014年)

图10 中国尊施工(摄影:姚攀峰 2015年)

图11 中国尊施工(摄影:姚攀峰 2017年)

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