萬(wàn)科總部大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

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中建國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司:傅學(xué)怡總工程師
 
傅學(xué)怡：今天在這里給大家做一個(gè)深圳萬(wàn)科總部大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的介紹。

有的人可能知道，它應(yīng)該是一個(gè)世界上新的建筑結(jié)構(gòu)形式。這個(gè)大樓總建筑面積是13萬(wàn)7千平方米，地面上是18萬(wàn)平方米，它的建筑師是搞建筑的人都知道的美國(guó)一個(gè)當(dāng)代的建筑大師。這幢樓主要是用做萬(wàn)科公司的總部辦公樓，同時(shí)兼有一部分辦公和酒店，該樓面對(duì)深圳大梅沙海濱，不是緊鄰海，離海還有大概3百米左右的距離。這幢樓的設(shè)計(jì)理念用英語(yǔ)來(lái)說(shuō)是一個(gè)漂浮的地平線(xiàn)。整個(gè)樓從地面拔地而起10到15米，上面建4到5層的一個(gè)多層辦公樓。從建筑理念上來(lái)說(shuō)有兩大特點(diǎn)：第一，綠色景觀無(wú)限，包括百分之百的綠化。第二，因?yàn)榘胃吡?0到15米，所有辦公室內(nèi)的空間都具備海景資源，從而讓這個(gè)樓的品質(zhì)和價(jià)位也相應(yīng)提高了。當(dāng)然，樓拔高了，拔地而起，結(jié)構(gòu)的造價(jià)是有所增加的。

這是它的平面圖。在這張圖的下方就是大梅沙海濱。這是建筑的各個(gè)立面圖。落地豎向構(gòu)件就是筒體和剪力墻，以及一些鋼筋混凝土柱，落地豎向建筑的水平跨度在中部大概是50米到60米，端部的懸臂大概是10到15米。整個(gè)樓的全長(zhǎng)大概是5百多米，不到6百米，它的體型大家能看到是非常復(fù)雜的，所以沒(méi)法計(jì)算這個(gè)長(zhǎng)度。如果是從這里開(kāi)始算，算到這邊的話(huà)大概是1百米這樣。

這個(gè)樓怎么做，做什么結(jié)構(gòu)我想就不說(shuō)了。今天我想給大家說(shuō)一下，首先是一個(gè)方案的備選。我們經(jīng)歷過(guò)類(lèi)似央視在深圳建的專(zhuān)業(yè)中心這樣一種巨型鋼的支撐結(jié)構(gòu)。這個(gè)做完以后每平方米的用鋼量，由于它每層都是鋼結(jié)構(gòu)，包括要跨越5、60米，用鋼量大概是在200到250公斤一個(gè)平方米，跟我們目前做的國(guó)內(nèi)大型火車(chē)站的樓蓋用鋼量是差不多的，應(yīng)該說(shuō)不算多。但是萬(wàn)科業(yè)主找我們商量，覺(jué)得這個(gè)用鋼量按照兩年前的單價(jià)來(lái)看，應(yīng)該鋼結(jié)構(gòu)部分單價(jià)是在2000塊左右，再加上混凝土的造價(jià)估計(jì)要在3千不到，他們認(rèn)為這個(gè)結(jié)構(gòu)造價(jià)偏貴。

有沒(méi)有更好的方案呢，我們提了一個(gè)混合框架加拉索的結(jié)構(gòu)。這就是今天我想跟大家介紹的，待會(huì)我有照片，樓已經(jīng)蓋好、建成了。最后綜合下來(lái)，總的用鋼量從2萬(wàn)噸下降到大概是4千噸，索加節(jié)點(diǎn)大概1千多噸，折算成索和節(jié)點(diǎn)大概是7、8千噸吧，結(jié)構(gòu)造價(jià)降低了8千萬(wàn)，每平方米的結(jié)構(gòu)造價(jià)大概是在2千。

這是原來(lái)巨型鋼桁架結(jié)構(gòu)的方案，有拉桿、有撐桿，做成斜拉結(jié)構(gòu)，這個(gè)理念跟斜拉橋的本質(zhì)不同，有很多不同！我們比斜拉橋要復(fù)雜，基本的想法是用紅的拉索呈30度左右的角度。這個(gè)索是目前國(guó)產(chǎn)最大的巨型索，目前再比它大的索就沒(méi)有了。這個(gè)斜索拉到落地豎向的頂端和中部，最底下就是我們的鋼結(jié)構(gòu)樓蓋，所以巨型索跟所有的鋼構(gòu)件相連，以上全部是鋼筋混凝土扁梁和寬扁梁的框架，我們沿寬度方向做長(zhǎng)，沿跨度方向做扁。落地的構(gòu)件是落地的筒體加上落地的一些鋼筋混凝土柱。

最后是這樣的方案，這個(gè)懸壁是4米到5米左右。這個(gè)是方案階段最后選型的方案。這個(gè)方案的特點(diǎn)是，動(dòng)力后如何傳遞呢？是通過(guò)斜拉索的拉力，通過(guò)頂層樓板和斜拉索配的三層樓板，以及底層樓板共同來(lái)實(shí)現(xiàn)重力荷載下的總體轉(zhuǎn)化。

動(dòng)力荷載這條路線(xiàn)跟我們以往結(jié)構(gòu)傳遞的路線(xiàn)是有不同的。鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換是用上下樓蓋的轉(zhuǎn)換來(lái)取代了轉(zhuǎn)換難度，這個(gè)有一點(diǎn)相似之處，通過(guò)樓蓋的水平鋼柱和承載力傳遞到落地墻、柱之間。

從樓蓋的布置來(lái)說(shuō)，從剛才動(dòng)力荷載的傳遞路線(xiàn)來(lái)看，受力大的底層樓蓋和頂層樓蓋的承載力和剛度非常重要，因此我們?cè)谶@里采用了交叉斜撐，相當(dāng)于水平支撐，樓板的厚度并不一定厚，但是提高了關(guān)鍵樓層和樓蓋的關(guān)鍵承載力，其他樓層采用一般的樓層樓蓋。鋼梁首層支承的柱采用鋼管混凝土柱，也就是說(shuō)和巨型索鑄鋼節(jié)點(diǎn)相連的構(gòu)件從用鋼逐步向混凝土過(guò)渡。這是索的剖面。

整個(gè)樓的設(shè)計(jì)用了120根成品索，之所以選用成品索也是經(jīng)過(guò)反復(fù)認(rèn)證的。成品索在我們國(guó)家的斜拉橋，包括蘇州大橋、杭州灣大橋等等基本上實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，其產(chǎn)品質(zhì)量的性能檢驗(yàn)、構(gòu)成的檢驗(yàn)在工廠(chǎng)有成套的檢驗(yàn)機(jī)制。

同時(shí)這個(gè)成品索的張拉端和錨固端最后選用的是“冷柱錨”的錨固形式，其質(zhì)量通過(guò)工廠(chǎng)的產(chǎn)品檢驗(yàn)過(guò)程有比較可靠的保證。另外120個(gè)索用到目前國(guó)內(nèi)最大直徑的索，最大數(shù)量的索是511根圓芯，還不夠用，因?yàn)槲覀兊乃髟谥亓奢d下承載力大概是2、3千噸，我講一下這里不同于斜拉橋的特點(diǎn)，就是它的力特別大，斜拉索的數(shù)量一多就不好用了，我們就這么一個(gè)50米×20米，以索擴(kuò)段強(qiáng)度的0.45作為控制標(biāo)準(zhǔn)，還不夠用，我們?cè)谒魍庥猛馓姿茕摴軄?lái)滿(mǎn)足最終的承載力要求。

索和結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點(diǎn)是這個(gè)工程中又一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。我們采用了特殊設(shè)計(jì)的鑄鋼節(jié)點(diǎn)。根據(jù)成品索的構(gòu)造和張拉工藝的需要設(shè)計(jì)了特殊的鑄鋼節(jié)點(diǎn)。這個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)研究，鑄鋼節(jié)點(diǎn)一共有180個(gè)，幾乎沒(méi)有重樣的，主要是因?yàn)槲覀兊姆孔邮瞧嫘喂譅畹模覀兯鲄R交的夾角都不同，索本身有張拉端，也有保護(hù)端，節(jié)點(diǎn)由多索匯交，不同角度的匯交，因此沒(méi)有重樣。然后取了3組，9個(gè)受力最大的鑄鋼節(jié)點(diǎn)，用1/3的比例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)被運(yùn)回紐約作為工藝品擺放。

這個(gè)樓里的后澆帶也是一個(gè)關(guān)鍵方面。我們后澆帶以落地豎向構(gòu)件周邊澆帶，在二層樓面的拉力地區(qū)設(shè)后澆帶，同時(shí)在張拉保護(hù)端的鋼部件連接區(qū)設(shè)后澆塊。這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)竣工了。我們的計(jì)算模型是按照后澆帶和后澆塊來(lái)逐層模擬的。這是結(jié)構(gòu)的一些布置。

怎么施工、這個(gè)結(jié)構(gòu)和斜拉橋的不同在哪里呢？歸納起來(lái)有這么幾點(diǎn)：第一，索的數(shù)量小；第二，索的截面大；第三，索的后續(xù)加載量大。我們索拉完以后上面還要繼續(xù)蓋房子，比一般的斜拉橋后續(xù)加載量要大；最后一點(diǎn)，我們不能放錨固索。大家注意看一下斜拉橋結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)重要措施就是錨固索。我們這個(gè)房子不能到處放錨固，到處放錨固的話(huà)不好用。

因此我們施工方案提出兩個(gè)概念，一個(gè)是自配動(dòng)概念，一個(gè)是自平衡概念。因?yàn)槲覀兿Ｍ@么多索一次張拉完，以后讓它持續(xù)上索，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。最小定力大概是0.075，這樣也就確定了最小應(yīng)力的值，最終應(yīng)力取多少呢，最后還要講。這次張拉完了以后不再?gòu)埨?，如果松馳的話(huà)，混凝土結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形的能力沒(méi)有這么強(qiáng)，就要出問(wèn)題了。要一次張拉的話(huà)，下面50跨的鋼梁做了800高，一拉就黑了，應(yīng)力加不上去，怎么辦，我們采用結(jié)構(gòu)制動(dòng)作為自重，也就是說(shuō)我有意識(shí)地選擇這層樓蓋結(jié)構(gòu)自重，包括頂層樓蓋的自重，利用這個(gè)自重來(lái)滿(mǎn)足張拉要求。

第二個(gè)概念叫自平衡概念。如果頂層無(wú)蓋和中間索端相連的水平樓蓋支撐，也就是說(shuō)沒(méi)有一個(gè)有一定受壓剛度、承載能力的水平構(gòu)件豎向構(gòu)件在索的拉力作用下會(huì)發(fā)生比較大的水平位移，后面的樓蓋裝上去了以后這個(gè)變形已經(jīng)發(fā)生了，大家都知道我們的豎向構(gòu)件應(yīng)該是以軸力為主的，留余地給抗震、抗風(fēng)，這是我們應(yīng)該追尋的最基本原則。因此既利用它來(lái)配送，也利用它的剛度和承載力來(lái)配置一部分必要的樓蓋來(lái)實(shí)現(xiàn)受力的范圍。

最終確定的是方案是這樣的。首先是上豎向構(gòu)件，然后上配重需要的樓層，還有剛度需要的樓蓋和屋蓋，然后進(jìn)行張拉。120根索分成了26批分段張拉，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)重力荷載下的模型大概是100多個(gè)，采用非線(xiàn)性的方法進(jìn)行累計(jì)疊加，隨之求解。

索力控制。索力控制初次張拉力最大值定多少呢，不能太高，因?yàn)楹罄m(xù)需要繼續(xù)增長(zhǎng)。我們要控制最終的設(shè)計(jì)應(yīng)力，我在這里寫(xiě)的是0.5，實(shí)際上設(shè)計(jì)的時(shí)候是0.45。具體到120根索，每根索的應(yīng)力大小從0.075到0.15可以任意取值，這個(gè)值的大小叫索張拉立面圍橋，這個(gè)圍橋是整個(gè)結(jié)構(gòu)的又一關(guān)鍵措施。我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)施工的時(shí)候發(fā)現(xiàn)拉到90%的時(shí)候，這個(gè)結(jié)構(gòu)是不動(dòng)的，最后10%上來(lái)了，也就是說(shuō)讓結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的是最后這么一點(diǎn)點(diǎn)，最后這一點(diǎn)應(yīng)力的大小，就可以調(diào)整整個(gè)鋼梁，可以讓它處于這么一種受力狀態(tài)，高低交錯(cuò)的狀態(tài)。什么意思呢？可使由左右梁彎曲產(chǎn)生的彎矩自相平衡，不讓柱的下端受彎、受剪，通過(guò)內(nèi)應(yīng)力的回調(diào)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)比較好的工作性能和工作狀態(tài)。整個(gè)設(shè)計(jì)基本上分析報(bào)告和計(jì)算出的量之大是驚人的。

下面再講一下控制指標(biāo)。這個(gè)我們的規(guī)范沒(méi)有，那么里面有很多控制指標(biāo)，如何來(lái)把握呢？我們?cè)谶@里提出的是重力荷載下單片墻或者是筒體頂部水平位移小于5毫米，重力荷載下這個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的撓度小于一千分之一，起拱的時(shí)候小于1千分之一，也就是說(shuō)讓它正負(fù)5公分以?xún)?nèi)浮動(dòng)。這些我想就不說(shuō)了。

這個(gè)樓進(jìn)行了“風(fēng)洞”實(shí)驗(yàn)，同時(shí)我們還進(jìn)行了舒適度的分析，還有健康監(jiān)測(cè)，因?yàn)檫@樣一種精細(xì)化的工藝，在施工過(guò)程當(dāng)中的任意時(shí)刻，我們都可以得到結(jié)構(gòu)的位移、索的應(yīng)力，整個(gè)健康監(jiān)測(cè)采用了智能索，即加工過(guò)程當(dāng)中在索加工廠(chǎng)里跟蹤，因此在現(xiàn)場(chǎng)有健康監(jiān)測(cè)，以結(jié)構(gòu)計(jì)算的理論值，以正負(fù)誤差來(lái)作為施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

我們整個(gè)樓不是絕對(duì)平的一個(gè)樓，50米跨內(nèi)會(huì)有變形的，在各個(gè)階段都會(huì)有變形，包括豎向構(gòu)件也有變形，在每一個(gè)階段都可以給出這個(gè)相應(yīng)階段的位移和應(yīng)力。

這是我們最后做出來(lái)的數(shù)據(jù)歸納。關(guān)于分區(qū)分段張拉，我們跟施工單位反復(fù)研究，不可能一次拉120根索，我們控制既要受力合理，又要滿(mǎn)足符合實(shí)際的施工條件，我們一次最多不超過(guò)10根，分區(qū)、分段。剛才說(shuō)過(guò)了，所以這里我想詳細(xì)的就不說(shuō)了，這是分區(qū)、分段、張拉施工模擬，以及結(jié)構(gòu)生成的情況。

鋼套管的話(huà)我只想說(shuō)一點(diǎn)。我們索拉管必須要套上，但是不給他連接，在施工張拉過(guò)程當(dāng)中鋼套管是不接的，等到主體結(jié)構(gòu)基本完的時(shí)候再把鋼套管接上，接上以后跟索共同承擔(dān)后期的幕墻荷載、粉刷荷載和和溫度、地震、風(fēng)的作用。

舒適度分析是我們這個(gè)樓又一個(gè)應(yīng)該解決的問(wèn)題。我們這里做的舒適度分析參照了英國(guó)和美國(guó)的一些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、采用實(shí)例的方法做的一些分析。我們分析了三種舒適度：
第一個(gè)，行走跳躍舒適度。
第二個(gè)：路面汽車(chē)、重載汽車(chē)過(guò)去以后樓蓋的舒適度。
第三個(gè)：分析了風(fēng)動(dòng)的舒適度。詳細(xì)內(nèi)容我想在這里就不講了。我們采用人的行走跳躍的時(shí)程來(lái)進(jìn)行分析。

鋼管混凝土柱今天就不講了，以后有機(jī)會(huì)再介紹。關(guān)于剪力墻的話(huà)我們最近有一些論文陸陸續(xù)續(xù)要發(fā)，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)彈塑性的前期剪力比較亂，反映在剪力墻結(jié)構(gòu)的彈性承載力，以及它的等構(gòu)不太統(tǒng)一，不管剪力墻截面怎么樣復(fù)雜，引入鋼筋混凝土等構(gòu)，求解等構(gòu)曲線(xiàn)，最后采用“包絡(luò)”的方法，而不是直接求解的方法來(lái)得到剪力墻結(jié)構(gòu)的合理配制。

采用分段、打點(diǎn)、隨意的剪力墻配件應(yīng)該是不對(duì)的。樓板受力分析也是整個(gè)結(jié)構(gòu)中比較關(guān)鍵的，我們對(duì)樓板的拉應(yīng)力以及采取后澆帶的措施、適當(dāng)?shù)卦黾右恍╀摻钸@些辦法來(lái)解決。

最后講一下節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)是整個(gè)工程的關(guān)鍵點(diǎn)，3千噸左右的拉力要通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞到結(jié)構(gòu)。我們對(duì)節(jié)點(diǎn)首先設(shè)計(jì)了彈力非常直接的用冷柱錨節(jié)點(diǎn)、粗螺紋調(diào)整的連接節(jié)點(diǎn)來(lái)保證整個(gè)節(jié)點(diǎn)。這是我們的錨固端，這張照片是張拉端，張拉端要鼓出來(lái)，錨固端可以縮進(jìn)去，這是比較典型的節(jié)點(diǎn)分析模型。

這類(lèi)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)控制的原則和標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？我們?cè)O(shè)想是這樣的，設(shè)想用三個(gè)原則，相當(dāng)于小震、中震、大震三個(gè)。這是各式各樣的節(jié)點(diǎn)，非常復(fù)雜！這是整個(gè)工程的關(guān)鍵點(diǎn)。這張圖是我們的節(jié)點(diǎn)、鑄鋼節(jié)點(diǎn)和筒體墻柱用“耳板”進(jìn)行連接。這是做的節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的模型。實(shí)驗(yàn)的張力非常大?；旧侠碚摲治龊驮O(shè)計(jì)是非常吻合的，而且安全度是有保證的。

下面給大家看一下這個(gè)樓的施工過(guò)程。鋼結(jié)構(gòu)施工是中建三局；整個(gè)索結(jié)構(gòu)的施工是建研院；健康監(jiān)測(cè)是華東大學(xué)的研究生院，整個(gè)土建是中建三局總承包。下面想給大家看一些關(guān)于索結(jié)構(gòu)方面的照片。

整個(gè)單索重量一共是120個(gè)索，大概300多個(gè)點(diǎn)，單索小的3、5根，重的有7、8根，還包含節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)重的有10噸，小的有幾噸，因此在整個(gè)施工安裝過(guò)程當(dāng)中還是做得很精心的。這張是下節(jié)點(diǎn)、張拉節(jié)點(diǎn)的工裝系統(tǒng)狀態(tài)圖，這個(gè)圖是建研院做的，這個(gè)節(jié)點(diǎn)是比較大的，我們預(yù)拉力水平大概是3百根到7百根。

這是我們的張拉段，后面張拉段以后還有一些照片可以看。這是錨固、連接。這張是我們第一批鋼索張拉的會(huì)，我們開(kāi)了一個(gè)會(huì)，這張照片是《國(guó)家地理雜志》派了三個(gè)人在現(xiàn)場(chǎng)跟蹤了2、3個(gè)月，一直在跟蹤拍攝。我看到他們?cè)跐M(mǎn)頭大汗地拍，我覺(jué)得我們央視做的工程只是個(gè)別采訪(fǎng)，從來(lái)沒(méi)有做這么艱苦、細(xì)致的工作，應(yīng)該向他們學(xué)習(xí)，這樣才可以拍出好東西來(lái)。像人物采訪(fǎng)都只是說(shuō)的內(nèi)容。健康監(jiān)測(cè)我想就不說(shuō)了。

這是施工現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)在裝幕墻了，裝了相當(dāng)大一部分，預(yù)計(jì)在今年8月份準(zhǔn)備投入使用。國(guó)內(nèi)外很多人去參觀、研究。這是在張拉完了以后這個(gè)工裝架還沒(méi)有拆除。這是索用滑道往上定位的時(shí)候，我們的索全部在兩組中軸上穿越，梁柱加寬，不讓索和任何其他的混凝土或者是其他一些構(gòu)件相連，除了節(jié)點(diǎn)處。

好的。我的報(bào)告到這里，謝謝大家！