【鋼結構·技術】入圍世界結構大獎的"中國尊"是如何誕生的?

作者姚攀峰授權轉載

世界結構大獎(The Structural Awards)自1968年開始由英國皇家結構工程師學會(The Institution of Structural Engineers)發起,旨在表彰出色的、有創造力的結構建筑師以及展示當今世界上最前沿的工程成就,到今年已經是第51屆。此次,“中國尊”進入了2019世界結構大獎“高聳或細長結構獎”的入圍名單,讓我們為該項目的結構工程師們點贊,祝愿他們最終能夠有所斬獲!

評委點評:

“"中國尊"因其高難度的外形設計(頂部漸寬)、處于地震多發帶和高達528米的高度,給該項目的結構工程師們帶來了多重挑戰。他們巧妙地將多種結構體系融入設計中,提出了一套具有創新性施工方法的設計方案。”

“中國尊”項目的結構設計總監姚攀峰曾撰文《中國尊過關小記》,回憶了該項目的結構設計過程,在此與大家分享。

姚攀峰

教授級高級工程師;

國家一級注冊結構工程師、國家注冊巖土工程師;

提出了“廣義郎肯土壓力理論”、“巨震,(避難單元)不倒”、“多

腔鋼管鋼筋混凝土結構”等新理論新技術,設計了天津117、“中國

尊”等項目,已經獲得發明專利10 多項。

曾經為“中國尊”抗震做出貢獻的戴國瑩研究員與程懋坤大師已先后離世,我也從兩位前輩那里受益匪淺( )。僅以此文獻給兩位前輩大師及所有為“中國尊”做出奉獻的專家、設計、施工、監理、顧問、實驗人員,也獻給在項目一線辛勤工作的農民工朋友。

——姚攀峰 2018-12-25

圖1 中國尊(攝影:姚攀峰,2018)

2013 年 12 月 5 日,在中國建筑科學研究院的建筑安全與環境國家重點實驗室,“中國尊”的縮尺模型經受了一場大考:國內最大的三維地震振動臺在下午輸入了 3 向 8 度大震時程波,模擬了地震加速度400gal的振動臺實驗(12月6日模擬了地震加速度510gal的實驗),“中國尊”主體結構模型在大幅擺動之后,巍然聳立在基礎之上,實現了“8 度大震不倒”的預定性能目標。這是世界第一個 8 度設防區超過 500m的建筑物振動臺試驗,也是“中國尊”主體結構的一次里程碑事件,標識著“中國尊”主體結構順利通過了振動臺的大考。中信、奧雅納、北京院、建研院等單位的相關人員來到了試驗現場,并為試驗結果的成功而慶祝。

圖2 中國尊振動臺試驗

(中間為作者,左1束偉農,左2楊蔚彪,左3齊明,右1張相勇,右2殷超,右3王建)

這個成功是非常不易的,是”中國尊“整個結構團隊經過將近3年的討論、計算、繪圖、論證、修改實現的。作為”中國尊“的結構設計總監,我既是中信的一員,也是”中國尊“結構設計團隊的一員,由于位置比較特殊,對結構設計的情況了解較其他同志可能多些,一些朋友再三建議寫些東西,與大家分享經驗。回想往事感慨萬千,特寫本文與大家分享中國尊結構設計的過程與成果(可參見拙著從117到中國尊)。

一、棒喝

其實,“中國尊”的結構設計是相當不順利的,第一次超限審查預審會就迎來了專家組的當頭棒喝。至今我還記得 2011 年 8 月 18 日在中信京城大廈的超限審查會議的情景,當時在合作單位的主導之下,”中國尊“的結構體系為下部交叉支撐上部密柱框架的巨型組合結構,結構地震總重量接近80萬噸,但是位移角不足1/500,剪重比約 1.7%,上述重要指標均不能滿足國家標準。該設計受到了專家的嚴厲質疑,徐培福主任(超限委主任,專家組組長)、容柏生院士等先后提出了質疑和反對意見,尤其是結構體系遭到了質疑,大多數專家持否定態度,部分專家明確指出:“體系太亂了”,“這個體系我覺得明顯的反應出剛度突變。……(剛度)突變,特別是高烈度區,是危害性很大的。”

”中國尊“結構設計遇到了嚴重的危機,而且是最根本的結構體系遭到質疑。

二、逆轉

2011 年 10 月份,中信與合作方進行工作交接,我作為結構設計總監(前期為結構副總工)開始正式全面管控本項目的結構設計工作。當時情況極其嚴峻:

1. 難度大

“中國尊”是世界上 8 度抗震設防區第一個超過 500m 的建筑物,且從下至上是一個大-小-大的亞腰形超高層建筑物,更加劇了抗震和抗風的技術難度,結構難度空前。同時大樓要嚴格控制成本和進度,如何既實現結構安全又要經濟合理是一個極大的挑戰。2014年,我在廣州與容柏生院士聊到這個項目時,容院士認為這個項目難度超過哈里發塔。

2. 時間短

結構設計是施工、報規等的前提條件,處于關鍵路徑上,直接制約工程進度。經過調研,國內 500m 以上的超高層超限審查時間在方案確定之后約需要 18 個月,”中國尊“在 2012 年 2月份才確定了建筑初步方案(方尊、圓尊),期間方案不斷調整,最終在2013年2月7日完成所有審批工作,遠少于其他項目的時間。

3. 經驗少

中國在2011年之前只有天津117、上海中心、深圳平安三棟建筑物超過500m。”中國尊“是世界上8度區第一個超過500m的建筑物,地震基底剪力約是上海中心的1.7倍,難度空前。

盡管”中國尊“結構設計團隊有著arup、北京院、武漢院、華東院等國際、國內一流的隊伍,然而做過500m以上結構實際設計的人員卻只有劉鵬、姚攀峰等少數幾人。相對住宅等普通項目而言,具備相關經驗的專業人員很少。  

有將近百年開發經驗的合作方已經在第一次超限預審會中鎩羽而歸,同樣由國際一流團隊設計的平安中心被迫在過程中修改了結構體系。”中國尊“能行嗎?當時我的壓力很大。

作為”中國尊“結構設計團隊,有條件要上;沒有條件,創造條件也要上。2011-10月,建筑方案是方尊還是圓尊的大方向還沒有確定,結構團隊已經開始了工作,對剪重比、剪力分配比、剛度、時程波、風洞試驗參數等進行了一系列的研究和討論,并同時開展了多方案的探索和樁基設計的相關工作,采取了一系列的措施,例如:降低核心筒的自重;增加斜撐從4 區到細腰處 5 區,減少剛度突變;不同結構耗能機制的分析等。

丘吉爾首相在二戰期間有一段名言:“若問我們的政策是什么?我的回答是:在陸上作戰,在海上作戰,在空中作戰……”這一段話非常合適用于”中國尊“結構團隊。當時我們在北京作戰、在上海作戰、在武漢作戰、在紐約作戰;我們在白天作戰,在晚上作戰,在工作日作戰、在周六周日作戰。正式和非正式的研討會舉行了幾十場,郵件和電話交流更是難以準確計量。

2012年4月17日,召開了第二次超限預審會,這是一個令我印象極其深刻的日子,同一個結構體系,”中國尊“的結構設計得到了超限委專家的認可,實現了大逆轉。

三、追擊

第二次超限審查得到了專家認可之后,結構團隊沒有松懈,繼續努力,乘勝追擊。第三次超限審查期間,中信經過多方面權衡,取消了”中國尊“頂部的公寓和酒店,作為一個純高端寫字樓。這對結構而言是一個利好消息,結構團隊當即決定,根據新的業態調整結構設計,交叉斜撐一直延伸到頂部第七區,并采用了多邊多腔鋼管鋼筋混凝土巨柱等新技術。在短短的一個多月,完成了修改后的結構設計。本次振動臺試驗表明,細腰處明顯較柔,頂部的斜撐有效地提高了結構的安全性,倘若仍然按照老設計,也可能存在難以預料的風險。

在 2012年8月18日,舉行了第三次超限審查預審會,多位專家非常認同修改后的結構設計,給予了高度評價,部分專家甚至認為可以直接舉行正式審查。

四、三折

也許”中國尊“關注度太高、也許”中國尊“難度太大、也許前面的工作太順利,”中國尊“注定要經受更加嚴格的考驗。第四次超限審查原計劃 11 月中舉行,后來推遲到11 月底,再后來推遲到 12月19 日。

為了慎重起見,我們按照原定計劃,把這次會議開成了預審會。預審會上一度比較緊張,部分計算數據、節點構造遭到了質疑。盡管專家認為修改補充后可舉行正式超限審查會議,滿足了預定目標,這次會議效果不好,也是我主管以來較為嚴重的一次挫折。

五、盒飯

痛定思痛,只有用更扎實的分析、設計、構造等才能真正獲得專家的認可,才能真正提高大樓的安全性和經濟性。結構團隊在各方的支持下,我們加快了與專家和顧問單位的溝通。2013年2月5日,不到 1個半月,中間還有元旦的法定節假日,我們又來了,充滿信心地舉行了正式超限審查會(第五次超限審查會),建委的領導、各顧問單位結構老總都到了現場,匯報順利進行,答辯順利進行。當本項目審查組組長徐培福主任宣布“通過”的時候,全場響起了熱烈的掌聲。

圖3 超限審查會現場1

(圖中為徐培福、容柏生等審查專家)

圖4 超限審查會現場2

(左側為容柏生院士,右側為作者)

沒有鮮花、沒有美酒,結構團隊按照國家的管理規定,以盒飯、茶水慶祝了正式超限審查的順利通過。

2012年2月7日,僅兩天時間,建委正式審批通過了本工程超限審查,在第一時間,我把這個喜訊作為新春賀禮通告給了相關人員,大家過了一個愉快的春節。

六、成果

”中國尊“結構設計從 2012年2月建筑方案確定,到2013年2月結構超限審查正式通過,整個超限審查時間僅為一年,較同類項目減少了約6個月以上的時間。結構超限審查絕不僅僅是2月15日的一次專家審查會,更是”中國尊“結構設計從雛形到初步設計基本完成的復雜過程,較第一次結構預審會,最終的結構初步設計成果有了質的飛躍:1) 安全性有了質的提高,結構體系合理,位移角、剪重比等均可滿足國家標準,不但能夠抗大震,而且能夠抗巨震(峰值加速度510gal);2) 成本大幅度下降,保守估計創造綜合經濟效益高達10億元;3) 超限審查的周期創造了國內同類項目的記錄。"中國尊"結構設計取得了輝煌的戰果!

七、奉獻

根據相關合約規定,"中國尊"結構設計的知識產權屬于中信集團,但是我認為榮譽屬于整個結構設計團隊。在"中國尊"項目中,所有參與結構設計、咨詢、審核的人員做了相關工作和努力,是他們的奉獻造成了這座豐碑。他們是結構設計團隊的一員,是"中國尊"的英雄,鮮花屬于他們!

看到振動臺試驗驗證了當時設計的理念,想起了當年的汗水、委屈、爭執、快樂,感慨萬千,也為之自豪!在此再次感謝結構設計團隊的無私奉獻和努力。

(本文成文于2014年,局部調整)

八、建造

圖5 實驗樁現場(2011年)

圖6 風洞試驗

(前排右2是作者,其他為項目組同事)

圖7  中國尊施工(攝影:姚攀峰 2013年)

圖8  中國尊施工(攝影:姚攀峰 2013年)

圖9 中國尊施工(攝影:姚攀峰 2014年)

圖10 中國尊施工(攝影:姚攀峰 2015年)

圖11 中國尊施工(攝影:姚攀峰 2017年)

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