萬科總部大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

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中建國際設(shè)計顧問有限公司:傅學(xué)怡總工程師
 
傅學(xué)怡：今天在這里給大家做一個深圳萬科總部大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計的介紹。

有的人可能知道，它應(yīng)該是一個世界上新的建筑結(jié)構(gòu)形式。這個大樓總建筑面積是13萬7千平方米，地面上是18萬平方米，它的建筑師是搞建筑的人都知道的美國一個當(dāng)代的建筑大師。這幢樓主要是用做萬科公司的總部辦公樓，同時兼有一部分辦公和酒店，該樓面對深圳大梅沙海濱，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)計理念用英語來說是一個漂浮的地平線。整個樓從地面拔地而起10到15米，上面建4到5層的一個多層辦公樓。從建筑理念上來說有兩大特點：第一，綠色景觀無限，包括百分之百的綠化。第二，因為拔高了10到15米，所有辦公室內(nèi)的空間都具備海景資源，從而讓這個樓的品質(zhì)和價位也相應(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。整個樓的全長大概是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，所以沒法計算這個長度。如果是從這里開始算，算到這邊的話大概是1百米這樣。

這個樓怎么做，做什么結(jié)構(gòu)我想就不說了。今天我想給大家說一下，首先是一個方案的備選。我們經(jīng)歷過類似央視在深圳建的專業(yè)中心這樣一種巨型鋼的支撐結(jié)構(gòu)。這個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公斤一個平方米，跟我們目前做的國內(nèi)大型火車站的樓蓋用鋼量是差不多的，應(yīng)該說不算多。但是萬科業(yè)主找我們商量，覺得這個用鋼量按照兩年前的單價來看，應(yīng)該鋼結(jié)構(gòu)部分單價是在2000塊左右，再加上混凝土的造價估計要在3千不到，他們認(rèn)為這個結(jié)構(gòu)造價偏貴。

有沒有更好的方案呢，我們提了一個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，待會我有照片，樓已經(jīng)蓋好、建成了。最后綜合下來，總的用鋼量從2萬噸下降到大概是4千噸，索加節(jié)點大概1千多噸，折算成索和節(jié)點大概是7、8千噸吧，結(jié)構(gòu)造價降低了8千萬，每平方米的結(jié)構(gòu)造價大概是在2千。

這是原來巨型鋼桁架結(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。這個索是目前國產(chǎn)最大的巨型索，目前再比它大的索就沒有了。這個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，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，這個懸壁是4米到5米左右。這個是方案階段最后選型的方案。這個方案的特點是，動力后如何傳遞呢？是通過斜拉索的拉力，通過頂層樓板和斜拉索配的三層樓板，以及底層樓板共同來實現(xiàn)重力荷載下的總體轉(zhuǎn)化。

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

從樓蓋的布置來說，從剛才動力荷載的傳遞路線來看，受力大的底層樓蓋和頂層樓蓋的承載力和剛度非常重要，因此我們在這里采用了交叉斜撐，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，也就是說和巨型索鑄鋼節(jié)點相連的構(gòu)件從用鋼逐步向混凝土過渡。這是索的剖面。

整個樓的設(shè)計用了120根成品索，之所以選用成品索也是經(jīng)過反復(fù)認(rèn)證的。成品索在我們國家的斜拉橋，包括蘇州大橋、杭州灣大橋等等基本上實現(xiàn)了國產(chǎn)化，其產(chǎn)品質(zhì)量的性能檢驗、構(gòu)成的檢驗在工廠有成套的檢驗機(jī)制。

同時這個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)量通過工廠的產(chǎn)品檢驗過程有比較可靠的保證。另外120個索用到目前國內(nèi)最大直徑的索，最大數(shù)量的索是511根圓芯，還不夠用，因為我們的索在重力荷載下承載力大概是2、3千噸，我講一下這里不同于斜拉橋的特點，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，我們在索外用外套塑鋼管來滿足最終的承載力要求。

索和結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點是這個工程中又一個關(guān)鍵問題。我們采用了特殊設(shè)計的鑄鋼節(jié)點。根據(jù)成品索的構(gòu)造和張拉工藝的需要設(shè)計了特殊的鑄鋼節(jié)點。這個鑄鋼節(jié)點經(jīng)過了實驗研究，鑄鋼節(jié)點一共有180個，幾乎沒有重樣的，主要是因為我們的房子是奇形怪狀的，我們索匯交的夾角都不同，索本身有張拉端，也有保護(hù)端，節(jié)點由多索匯交，不同角度的匯交，因此沒有重樣。然后取了3組，9個受力最大的鑄鋼節(jié)點，用1/3的比例進(jìn)行了實驗研究。其中一個實驗節(jié)點被運回紐約作為工藝品擺放。

這個樓里的后澆帶也是一個關(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，同時在張拉保護(hù)端的鋼部件連接區(qū)設(shè)后澆塊。這樣整個結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)竣工了。我們的計算模型是按照后澆帶和后澆塊來逐層模擬的。這是結(jié)構(gòu)的一些布置。

怎么施工、這個結(jié)構(gòu)和斜拉橋的不同在哪里呢？歸納起來有這么幾點：第一，索的數(shù)量?。坏诙鞯慕孛娲?；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，我們不能放錨固索。大家注意看一下斜拉橋結(jié)構(gòu)，其中一個重要措施就是錨固索。我們這個房子不能到處放錨固，到處放錨固的話不好用。

因此我們施工方案提出兩個概念，一個是自配動概念，一個是自平衡概念。因為我們希望這么多索一次張拉完，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張拉，如果松馳的話，混凝土結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形的能力沒有這么強(qiáng)，就要出問題了。要一次張拉的話，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)制動作為自重，也就是說我有意識地選擇這層樓蓋結(jié)構(gòu)自重，包括頂層樓蓋的自重，利用這個自重來滿足張拉要求。

第二個概念叫自平衡概念。如果頂層無蓋和中間索端相連的水平樓蓋支撐，也就是說沒有一個有一定受壓剛度、承載能力的水平構(gòu)件豎向構(gòu)件在索的拉力作用下會發(fā)生比較大的水平位移，后面的樓蓋裝上去了以后這個變形已經(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。因此既利用它來配送，也利用它的剛度和承載力來配置一部分必要的樓蓋來實現(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，因此整個結(jié)構(gòu)重力荷載下的模型大概是100多個，采用非線性的方法進(jìn)行累計疊加，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，因為后續(xù)需要繼續(xù)增長。我們要控制最終的設(shè)計應(yīng)力，我在這里寫的是0.5，實際上設(shè)計的時候是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，這個值的大小叫索張拉立面圍橋，這個圍橋是整個結(jié)構(gòu)的又一關(guān)鍵措施。我們在現(xiàn)場施工的時候發(fā)現(xiàn)拉到90%的時候，這個結(jié)構(gòu)是不動的，最后10%上來了，也就是說讓結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的是最后這么一點點，最后這一點應(yīng)力的大小，就可以調(diào)整整個鋼梁，可以讓它處于這么一種受力狀態(tài)，高低交錯的狀態(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，通過內(nèi)應(yīng)力的回調(diào)可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)比較好的工作性能和工作狀態(tài)。整個設(shè)計基本上分析報告和計算出的量之大是驚人的。

下面再講一下控制指標(biāo)。這個我們的規(guī)范沒有，那么里面有很多控制指標(biāo)，如何來把握呢？我們在這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，重力荷載下這個鋼結(jié)構(gòu)的撓度小于一千分之一，起拱的時候小于1千分之一，也就是說讓它正負(fù)5公分以內(nèi)浮動。這些我想就不說了。

這個樓進(jìn)行了“風(fēng)洞”實驗，同時我們還進(jìn)行了舒適度的分析，還有健康監(jiān)測，因為這樣一種精細(xì)化的工藝，在施工過程當(dāng)中的任意時刻，我們都可以得到結(jié)構(gòu)的位移、索的應(yīng)力，整個健康監(jiān)測采用了智能索，即加工過程當(dāng)中在索加工廠里跟蹤，因此在現(xiàn)場有健康監(jiān)測，以結(jié)構(gòu)計算的理論值，以正負(fù)誤差來作為施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

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

這是我們最后做出來的數(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，又要滿足符合實際的施工條件，我們一次最多不超過10根，分區(qū)、分段。剛才說過了，所以這里我想詳細(xì)的就不說了，這是分區(qū)、分段、張拉施工模擬，以及結(jié)構(gòu)生成的情況。

鋼套管的話我只想說一點。我們索拉管必須要套上，但是不給他連接，在施工張拉過程當(dāng)中鋼套管是不接的，等到主體結(jié)構(gòu)基本完的時候再把鋼套管接上，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樓又一個應(yīng)該解決的問題。我們這里做的舒適度分析參照了英國和美國的一些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、采用實例的方法做的一些分析。我們分析了三種舒適度：
第一個，行走跳躍舒適度。
第二個：路面汽車、重載汽車過去以后樓蓋的舒適度。
第三個：分析了風(fēng)動的舒適度。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程來進(jìn)行分析。

鋼管混凝土柱今天就不講了，以后有機(jī)會再介紹。關(guān)于剪力墻的話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，最后采用“包絡(luò)”的方法，而不是直接求解的方法來得到剪力墻結(jié)構(gòu)的合理配制。

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

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

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

下面給大家看一下這個樓的施工過程。鋼結(jié)構(gòu)施工是中建三局；整個索結(jié)構(gòu)的施工是建研院；健康監(jiān)測是華東大學(xué)的研究生院，整個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。

整個單索重量一共是120個索，大概300多個點，單索小的3、5根，重的有7、8根，還包含節(jié)點，節(jié)點重的有10噸，小的有幾噸，因此在整個施工安裝過程當(dāng)中還是做得很精心的。這張是下節(jié)點、張拉節(jié)點的工裝系統(tǒng)狀態(tài)圖，這個圖是建研院做的，這個節(jié)點是比較大的，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，我們開了一個會，這張照片是《國家地理雜志》派了三個人在現(xiàn)場跟蹤了2、3個月，一直在跟蹤拍攝。我看到他們在滿頭大汗地拍，我覺得我們央視做的工程只是個別采訪，從來沒有做這么艱苦、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。像人物采訪都只是說的內(nèi)容。健康監(jiān)測我想就不說了。

這是施工現(xiàn)場，現(xiàn)在已經(jīng)在裝幕墻了，裝了相當(dāng)大一部分，預(yù)計在今年8月份準(zhǔn)備投入使用。國內(nèi)外很多人去參觀、研究。這是在張拉完了以后這個工裝架還沒有拆除。這是索用滑道往上定位的時候，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)點處。

好的。我的報告到這里，謝謝大家！