Jiangsu STU Engineering Technology co., LTD
中國尊,總建筑面積約42.7萬平方米,地上108層,地下7層,建成后將取代國貿(mào)三期成為北京第一高樓。該項目位于北京CBD核心區(qū)內(nèi)編號為Z15地塊正中心,西側(cè)與北京目前最高的建筑國貿(mào)三期對望,建筑總高528米,未來將被規(guī)劃為中信集團總部大樓。于2011年9月12日左右動工,2016年底封頂,預計總投資達240億元。
中國尊結(jié)構(gòu)設計
一、 工程概況
北京中央商務區(qū)核心區(qū)的標志性超高層建筑項目——中國尊大廈,工程場地位于北京市朝陽區(qū)東三環(huán)北京商務中心區(qū)(CBD)核心區(qū)Z15地塊,建筑面積約43.7萬m2(地上約35萬m2,地下約8.7萬m2)。主要建筑功能為辦公、觀光和商業(yè)。該塔樓地上108層,地下7層(局部設夾層),建筑高度528m,外輪廓尺寸從底部的78m×78m向上漸收緊至54m×54m,再向上漸放大至頂部的59m×59m,似古代酒器“樽”而得名,建筑效果圖如圖1所示。
圖1 中國尊大廈
工程主要結(jié)構(gòu)體系由外框筒和核心筒組成,其中外框筒由巨型柱、巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架以及次框架組成。巨型柱位于塔樓角部,貫通至結(jié)構(gòu)頂部,并在各區(qū)段分別與轉(zhuǎn)換桁架、巨型斜撐連接。巨型柱底部截面形狀為多邊形,中部及上部為矩形,采用多腔鋼管混凝土柱。在設備層及避難層共設置8道轉(zhuǎn)換桁架,其桿件截面采用焊接箱形截面。巨型斜撐沿各區(qū)外皮設置,也為焊接箱形截面。次框架包括重力柱和外環(huán)梁,均為焊接H形截面,其僅承擔本區(qū)重力荷載,不參與整體抗側(cè)。
二、 巨型外框筒建筑-結(jié)構(gòu)一體化設計
2. 1 巨型外框筒幾何控制面的生成
中國尊大廈外輪廓的水平截面形狀為倒圓角的正方形,并沿著高度平滑收放,其外完成面幾何控制尺寸見圖2。巨型外框筒的外控制面采用分段折面的形式,既可以較好控制巨型外框筒與建筑外完成面的距離,又可降低結(jié)構(gòu)自身的加工難度。
圖2 外完成面幾何控制尺寸
2. 2 巨型柱外輪廓的生成
巨型柱從基礎頂面(-31.3m)至106層(503.2m)的截面形式根據(jù)一定的規(guī)則進行變化,其具有三種截面形式:1)7層以下(-31.3~43.15m)為4根八邊形截面,截面面積約為63.9m2;2)7~19層(43.15~98.65m)為8根六邊形截面,截面面積約為19.5~21.3m2;3)19~106層(98.65~503.2m)為8根矩形截面,截面面積約為19.2~2.56m2。巨型柱共設置12個控制轉(zhuǎn)折標高,具體見表1。
為使結(jié)構(gòu)受力最優(yōu),要求12個控制轉(zhuǎn)折標高位置對應的巨型柱截面形心都位于豎直面γ內(nèi),此面與水平或豎直夾角為27°,如圖3所示。
圖3 巨型柱截面示意
綜合巨型柱12個控制轉(zhuǎn)折標高位置截面形心共于豎直面γ內(nèi)、角點(P,P′點)連續(xù)、每層巨型柱角點與外完成面的距離不小于500mm(底部為1200mm)等3個條件,最終確定巨型柱的幾何定位。其俯視定位圖如圖4所示。
圖4 巨型柱俯視定位圖
2. 3 轉(zhuǎn)換桁架、巨型斜撐及次框架的生成
在確定外框筒外控制面及巨型柱外輪廓后,可以確定轉(zhuǎn)換桁架、巨型斜撐及次框架等定位。此處控制的目的是各構(gòu)件之間的連接要做到平齊對接,避免出現(xiàn)錯邊,并且方便加工和安裝。整個塔樓由8道轉(zhuǎn)換桁架分成了9個區(qū)段,每個區(qū)段生成的規(guī)則是一致的,不同的只是巨型柱傾斜的程度,本節(jié)僅選取典型區(qū)段進行介紹,如圖5所示。
圖5 外框筒典型區(qū)段示意
轉(zhuǎn)換桁架、巨型斜撐及次框架的外皮均與外框筒外控制面平齊。轉(zhuǎn)換桁架弦桿、巨型斜撐等構(gòu)件與巨型柱連接位置均需要設置水平加勁肋,且結(jié)合與巨型柱轉(zhuǎn)折標高位置的關系,轉(zhuǎn)換桁架弦桿的截面形式控制為平行四邊形截面(圖6(a)),而沒有采用常規(guī)截面形式(圖6(b))。
圖6 轉(zhuǎn)換桁架截面生成方案
例如截面尺寸為800×700,表示截面垂直高度為800mm,沿水平向?qū)挾葹?00mm,此截面定義規(guī)則可認為由相距800mm的一對水平面和平行于巨型柱外控制面、水平距離(非垂直距離,下同)為700mm的一對斜面,所圍區(qū)域作為弦桿輪廓尺寸。
轉(zhuǎn)換桁架腹桿的截面定義規(guī)則也參照弦桿的截面定義規(guī)則,例如截面為900×700的斜腹桿,由相距900mm平行于腹桿軸線,且都垂直于豎直面的一對斜面和平行于巨型柱外完成面、水平距離為700mm的另一對斜面,所圍區(qū)域作為斜腹桿輪廓尺寸。角部桁架弦桿與腹桿的生成規(guī)則與轉(zhuǎn)換桁架的生成規(guī)則也基本一致。
巨型斜撐的生成規(guī)則與轉(zhuǎn)換桁架腹桿的生成規(guī)則類似。略有不同的是轉(zhuǎn)換桁架的斜腹桿、弦桿與巨型斜撐軸線交點標高與外框筒轉(zhuǎn)折標高不在同一標高(相差半個弦桿高)(圖7)。為避開上述問題,巨型斜撐截面生成方案按如下方案進行:例如1 600×900截面,取平行于巨型斜撐軸線、相距1 600mm且垂直于豎直面的一對斜面,和平行于下輪廓面、水平距離為900mm的一對斜面,所圍區(qū)域作為巨型斜撐輪廓尺寸。
圖7 巨型斜撐節(jié)點定位示意
次框架的空間定位主要以分析重力柱為主。重力柱的定位與幕墻玻璃分格對應,幕墻分格規(guī)則則是以外完成面為基礎,按照加強層建筑完成面標高水平剖切出其對應的幕墻輪廓線,等分為128份(圖8),進而得到各層的幕墻分格點。
圖8 重力柱中心線定位
然后在外完成面每6個分格點取一格點再投影到轉(zhuǎn)換桁架上弦、下弦中心線上。連接相鄰兩道轉(zhuǎn)換桁架上、下弦的交點即為重力柱中心線定位,連接每道轉(zhuǎn)換桁架上、下弦的交點即為轉(zhuǎn)換桁架豎腹桿中心線定位。在確定重力柱軸線定位之后,以平行于軸向且垂直于豎直面的一對斜面與平行于外框筒外完成面的一對斜面所圍區(qū)域作為重力柱外輪廓,重力柱采用焊接H形截面,以便施工。
整個外框筒結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面生成規(guī)則可以用如下模型進行形象說明:剪切剛度很小而彎曲剛度很大的結(jié)構(gòu),在一對水平力作用下,發(fā)生剪切變形之后的形狀,作為中國尊大廈外框筒結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面的主要形式,而確定截面傾斜的程度主要依據(jù)各段外框筒外完成面的傾斜程度,如圖9所示。
圖9 截面生成原理
三、 樁筏基礎設計
工程基礎形式為樁筏基礎。樁筏體系可理解為是地基土-樁-筏板相互作用的一個有機整體。本工程樁基礎設計使用年限為50年,耐久性100年;建筑樁基設計等級甲級,安全等級為一級;主要抗震性能目標為樁身強度滿足中震彈性和大震不屈服要求。工程樁主要包括三種類型:位于核心筒和巨型柱下P1型(樁徑1 200mm、樁長44.6m);塔樓下其他區(qū)域P2型(樁徑1 000mm、樁長40.1m);塔樓與純地下室間過渡樁P3型(樁徑1 000mm、樁長26.1m,為邊緣過渡樁),樁位布置見圖10。
圖10 樁位布置
工程樁P1和P2以第層卵石、圓礫為樁端持力層,要求進入持力層的深度不小于2.5m。純地下室部分采用天然地基。所有工程樁均采用樁側(cè)樁端組合后注漿工藝。
樁筏基礎設計總體思路:考慮樁筏協(xié)同作用(圖11),按變形控制條件合理選擇樁端持力層,優(yōu)化設計樁長、樁徑和樁間距。樁基礎結(jié)構(gòu)設計計算應考慮上部結(jié)構(gòu)、筏板基礎和地基(樁與土)共同作用分析。經(jīng)過反復比選,最終將超高層主塔樓與裙房之間的沉降后澆帶予以取消,實現(xiàn)了樁筏基礎設計的創(chuàng)新。樁與筏板基礎聯(lián)合變調(diào)平設計的構(gòu)想與技術(shù)思路如圖12所示。
數(shù)值分析得出的基底反力在主樓區(qū)域約為150kPa;上部結(jié)構(gòu)傳遞到基礎底面的平均壓力值約1200kPa;樁間土承擔的荷載約為總荷載的12.5%。
圖11 樁筏共同工作示意圖
圖12 樁與筏板聯(lián)合變調(diào)平設計概化示意圖
全部工程基樁施工完成以后,通過單樁靜載荷試驗進行了工程樁承載力檢驗,其Q-s曲線如圖13所示。檢測結(jié)果表明樁基施工質(zhì)量良好,100%為Ⅰ類樁,為實現(xiàn)設計構(gòu)想奠定了堅實的基礎。
圖13 工程樁Q-s曲線
四、 BIM在“中國尊”中的應用
1、 輕易實現(xiàn)全范圍協(xié)同設計
“中國尊”是目前北京院正在做的一個BIM項目,最近剛向甲方提供了50%的初步設計(施工圖)。在設計院內(nèi)部,所有參與這個項目的設計師,和項目所涉及到的其他不同方公司一起,統(tǒng)一在BIM這個標準平臺上進行操作。以BIM自身的技術(shù),通過三維加上數(shù)字集成的做法,讓所有單位在共同的標準下進行協(xié)同設計的工作。這是一個超大型的工程,而這個共同的三維平臺我認為正是BIM的最大優(yōu)勢。其次,我們利用BIM將施工方也整合到這套標準體系之下,也就是說,BIM將貫穿整個項目,從設計到施工的全部過程。目前唯一可類比“中國尊”的項目就是上海中心,當時上海中心就是在設計和施工過程中都用到了BIM。這樣的設計方式,需要設計師在利用BIM制作設計模型的時候,同時考慮到BIM轉(zhuǎn)型的問題。從目前BIM的使用情況來看,在提高建筑創(chuàng)意的完成度、質(zhì)量和效率的前提下,如果能順利將設計的BIM模型盡可能完整地提前轉(zhuǎn)接到下一階段的工作中,將對時間成本和造價成本都有一個很直接的正面作用。
2、 BIM核心技術(shù)貫穿設計和施工全流程
從目前北京院對BIM應用的定位來看,前期的BIM設計是跟著設計來走的。我們一般會根據(jù)設計要求先規(guī)定出必要的原則,然后設計師根據(jù)這些原則,遵循合理的設計原則來搭建整個BIM模型,在設計的過程中,不斷通過BIM模型找到設計中的問題,包括設計空間中存在的一些問題,并不是說設計做完了設計師就可以交接給下游,然后撒手不管了。我們的BIM是整合到整個設計過程當中,在這個過程中,我們的設計師會給出很多不同的研究模型,這些模型并不是最終的模型,但可以幫助設計師甚至是施工方,在設計前期就可以考慮并規(guī)避很多后期可能會出現(xiàn)的問題,這也是我們北京院利用BIM所構(gòu)建的流程的最大特點,即BIM完全是為設計服務的。
3、 瓶頸:施工過程中的設計轉(zhuǎn)換
實際上,在設計模型向總包傳遞的過程中,有很多技術(shù)以外的客觀因素在制約著BIM在中國的發(fā)展。很多大型工程都會面臨一個工程建設周期的問題,設計周期只是工程建設周期的一部分,這實際上是短于國際標準的。在國際上比較正常的周期是,設計院要先用一定的時間去做科研和測算,設計師有專門的設計時間,之后再由設計師直接指導施工。但在中國這個過程在時間上有很大的重疊,為了加快建設的周期,很多時候在設計沒有完成的時候,施工就已經(jīng)開始了。這種情況下如果使用BIM,要是項目沒有足夠大,那可能達到同樣的效果時,會比簡單的手繪或二維設計多花費50%的時間,這時上下游之間BIM模型將很難實現(xiàn)傳遞。因為如果設計沒有完成,那BIM模型就無法得到最精細的細化,那這些呈現(xiàn)在模型中的數(shù)據(jù)就是虛的,是下游無法使用的。
另外還有一個大制約就是,中國跟國外關于建筑師的責任認定制度不一樣,相比較來說,國外的建筑師會承擔更多的權(quán)利和責任。另外設計師的方法和能力是否適應BIM的方式也是個無法回避的問題。通過前幾年的反復論證,勿容置疑BIM將幫助建筑設計領域或者工程建設領域有更大的發(fā)展,具體推廣起來我認為并不存在技術(shù)上的瓶頸。因為在“中國尊”之前,上海中心在超高層建筑里做BIM已經(jīng)相當領先了,只是施工方和設計方在交接傳遞的過程缺乏整合性的傳遞環(huán)節(jié)還存在瓶頸,我們希望這個瓶頸能在“中國尊”這個項目中給徹底打開。
4、 BIM實行標準仍待細化
比起技術(shù),我們現(xiàn)在所做的BIM更多是緊貼設計。隨著BIM的發(fā)展,關于BIM標準的討論也正在提上日程。標準這種東西不是死的,它會隨著軟件的開發(fā)、社會的支持環(huán)境等等不斷作出調(diào)整。北京院去年發(fā)布了一個內(nèi)部標準,今年也對其做了一定的修正,就是想把一些和設計密切相關的外延的東西都納入進來,比如標準化住宅,還有如何跟后面的施工無縫連接等問題都在標準中做了必要的規(guī)范,這和國家標準并無沖突。因為現(xiàn)階段,國家標準更多是框架性的標準,還沒有詳細到企業(yè)可以參照執(zhí)行的具體操作層次。這方面未來必然要做出更多的改善。
從我個人來說,我希望更加詳細的國家標準能夠早一點出臺,不能只是讓涉及具體操作的設計師或企業(yè),單靠自己的努力去達到一種合理化的程度。包括軟件使用、存儲和交付的標準,現(xiàn)在都是比較為難的事。如果BIM能夠像施工圖那樣,有一個比較明確的交付標準,而不是像現(xiàn)在靠項目參與者自覺來約定一個項目標準,很多合作可能會更加順暢。