工程故事 632米的设计挑战——集团深度参与上海中心设计纪实

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楼主 2021-01-09 11:31:01
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{TJAD工程故事}

TJAD将陆续推出【工程故事】系列报道,讲述TJAD参与重大工程设计建造的历程,回复“工程故事”,查看精彩内容。

本文刊发于2015年1月12日《建筑时报》

东方明珠、金茂大厦、环球金融中心,这些年,上海的确越长越高,而预计将于今年竣工并投入使用的上海中心大厦,将创造上海新的高度。它将与金茂大厦、环球金融中心等一同构建起的超高层建筑群形成小陆家嘴中心区新的天际线。


自2008年上海中心开始建设以来,它一天天的高度爬升是建立在严谨的设计与坚实的技术支持之上,同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司(TJAD)作为上海中心项目的建筑设计方美国晋思建筑事务所(Gensler Architects)的国内合作伙伴,集中精兵强将,各专业紧密配合,为项目提供了方案咨询、初步设计优化和全部施工图设计,承担了大量工作。


这是一座绿色的“垂直的外滩”

如果632米的高度还不足以诠释这个“超级工程”,还有一些惊人数据给出参考——上海中心体量约57.6万平方米,大约相当于2座金茂大厦或者1.5座环球金融中心,建成后可容纳约3万人。整个大厦的容量几乎相当于把延安东路以北的外滩街区“竖”了起来,称它为“垂直的外滩”一点也不夸张。上海中心大厦是国内首座同时获得国家住房和城乡建设部颁发的“三星级绿色建筑设计标识证书”和全球最具影响力和权威性的绿色建筑认证体系——美国绿色建筑委员会颁发的LEED金级预认证这两项认证的超高层建筑。它以“垂直社区、绿色社区、智慧社区、文化社区”为目标,重新定义超高层建筑的内涵。


上海中心大厦的难题有多少?

上海中心的难题是多个方面的。首先是要抵抗塔体自身重力与各种设施的永久荷载,而抵抗重力作用最难的设计点在地基部分。上海中心近80万吨的自重落在地基上每平方米要承受近1.9吨的竖向荷载,这对于陆家嘴地区所处的冲积平原的脆弱土质条件是一个巨大的挑战。上海中心大厦基坑工程属深基坑工程,其设计和施工的特点、难点主要在于:如上海中心按例采用金茂大厦和环球金融中心所采用的钢管桩,大量超长钢管桩将对土地挤压,对邻近超高层建筑带来结构性破坏。同时,打桩产生的巨大震动和污染物排放,将严重影响周边运营和生活,亦将破坏周边地下管线和道路。如何将这种影响和风险降至最低,上海中心大厦在设计和施工等方面均进行了慎重的研究,经多方案比选后,首次采用了钻孔灌注桩的桩基形式,通过机械在地基上钻孔,放入钢筋笼,最后灌注混凝土形成基桩。

再者就是如何克服水平力对于塔楼的影响,尤其是在经常受到台风肆虐的上海,这更加成为考虑的重点问题。如此高耸的大楼,消防问题如何解决?大楼幕墙上万块巨幅玻璃如何在强风的楼体摇摆中避免被挤碎?“可以说难题多如麻。”同济设计院上海中心项目经理陈继良说,TJAD在做施工图设计的时候,在原有的方案基础上进行了非常详细的细化,克服了很多难题,在针对工程建设实际的实践性上都做了不少调整,以让项目真正落地。这些细化设计的繁琐与细致,各专业在有限建筑空间内的博弈与配合,成为了工作的重点和难点。


建筑行业的专家普遍认为,超高层建筑要成为绿色建筑,难度非常大。在电气、暖通、给排水等各个专业的配合上,很多百米以下建筑中常见的问题在高层建筑中都可能成为难以逾越的障碍。高度因素的影响下如何选择竖向供水方式,600多米水如何送上去?同样立管的排水能力怎样严格控制系统流量,避免管路系统超压?电气设计如何在满足高层用电安全性与舒适性要求下,同时满足节能要求?暖通设计除建筑高度因素外,双层幕墙、通高中庭及每层多个防火分区等形成的共通的影响因素如何克服?


“复杂”成为上海中心这个项目带给各专业设计师最为深刻的印象,也是最重要的关键词。


“为了项目,科研先行”

上海中心的设计与建设仅靠热情和斗志是不行的。TJAD自2006年以来承担了上海中心项目的方案设计和初步设计阶段的咨询服务以及施工图设计阶段的建筑、结构、机电设计服务。在前期的方案投标阶段,TJAD的方案一直在入围方案中,并获得普遍的好评,当时的投标模型如今仍然存放于上海中心的展览厅内。2008年Gensler确定中标后,经过综合实力权衡,TJAD被确定为中方配合单位进行施工图设计。总裁丁洁民教授首先想到的就是为这栋超高层建筑的攻坚克难申请课题,让严谨的实验、计算来为它的设计建造保驾护航。自此开始,一大批设计、科研人员将智慧和心血融入上海中心大厦的设计建设过程中。


2009年3月,上海市科委批准了丁洁民教授牵头的“500米以上超高层建筑设计关键技术研究”课题,关键技术研发涵盖了结构体系(巨型结构、复杂连体结构)、抗震性能化设计、抗风设计及舒适度、巨型组合构件、结构监测、非荷载效应、消能减震、施工模拟及控制、BIM技术应用、消能减震装备应用等,邀请集团内数十位骨干设计师组织科研团队开展关键节点的攻关,相关分课题数量达到创纪录的58项。


以上海中心项目为契机所完成的一系列的科研任务,所进行的一系列技术攻关,既解决了具体工程设计施工中的难题,积累了相关工程经验,亦取得了良好的经济和和社会效益,起到了良好的示范作用。


结构设计:让方案实现真正落地

都说上海中心最难在结构设计,究竟有多难很多人并没有直观的感受。


上海中心旋转而具有动感的流线形造型与古典的金茂、简洁硬朗的环球既形成强烈对比而又相互呼应、和谐共处,并形成“过去、现在、未来”的时空联系。塔楼基准平面为一个倒圆角的等边三角形,沿高度扭转收缩上升,从底到顶经过120°的旋转上升,形成了形态柔和、螺旋上升的锥体建筑形态。同时风洞试验也表明,这一非规则的几何造型较常规的正方形截面锥体造型可减少40%的风力,节省结构造价约3.5亿。但如果将主体结构也按照这样非规则造型进行设计,将成倍的加大主体结构的设计和建造难度,并影响建筑的使用效率。兼顾主体结构的可建造性及外墙表皮造型设计自由度,上海中心创造性的采用了内、外幕墙分离的双层幕墙设计策略,将内幕墙和主体结构设计成造型简洁的分段收缩圆柱体造型,而将外幕墙与主体结构脱开,使其造型设计相对独立于主体结构。

上海中心主体结构采用了带伸臂桁架的巨型框架-核心筒混合结构体系,结合建筑功能整个塔楼结构沿竖向共分为8个标准区段和1个84.5m高的塔冠,每个区段约12~15层,1~8区区顶均布置有加强层,塔楼标准层呈圆形,平面直径由底部的83.6m逐步收缩到顶部塔冠区的35m,加强层平面为倒角的三角形。巨型框架结构由8根巨型柱、4根角柱、8道位于设备层两个楼层高的箱形空间环带桁架组成。巨型框架体系因其较高的结构效率以及对超高层建筑功能较好的适应性,近几年,广泛应用于国内500m以上超高层建筑项目中。然而,上海中心的巨型框架系统较其他超高层建筑的巨型框架系统有其自身的特点。作为最重要的抗侧力体系上海中心的巨型框架承担了结构约78%的基底弯矩,约一半的基底剪力及重力,受力较大;弧形的环带桁架既是抗侧力体系巨型框架的一部分,也是楼面次框架的转换支承结构,承担了各区12~15层楼面的重量,以及支承在其上的20~28榀径向桁架传来的分区2200~3200t的幕墙重量,弧形造型导致其在上述荷载作用下扭转效应明显。因此,环带桁架对结构安全意义重大,设计时采用了双层空间环带桁架。


环带桁架巨大的受力导致其钢板大多为超厚板,最大板厚达120mm,针对超厚板组成的桁架构件节点连接如何设计才能保证其受力的安全性和施工安装的可靠性是整个主体结构设计的巨大挑战。针对厚板构件拼接,目前国内流行的做法是采用焊接,但本工程环带桁架很多构件以承受拉力为主,对于承受巨大拉力的超厚板构件,焊接受力可靠性存在疑问,若采用螺栓拼接,由于受力巨大,单个螺栓节点拼接长度就达4m,螺栓数量达600颗,也存在施工难度大的问题。为此,TJAD对于环带桁架拼接方式进行专项研究和论证,通过大量的研究工作,最终选择螺栓拼接与焊接组合方式,对于受压为主的斜腹杆采用焊接,对于受拉为主的弦杆采用螺栓拼接,以确保环带桁架受力的安全性。

如何为远离主体结构的外幕墙提供可靠的支撑,并同时保证幕墙具有轻盈、通透视觉效果,是整个项目最大的结构设计挑战。通过详细的多方案对比,最终外幕墙支撑结构选择了由“吊杆—环梁—径向支撑”组成的“分区段悬挂的柔性幕墙支撑结构系统”。该系统具有轻盈通透、视觉阻碍小,结构传力简洁、结构造型与外幕墙高度匹配,结构用钢量小等优点。但同时该体系远离主体结构、分区悬挂重量大、悬挂高度高、竖向支承刚度柔且不均匀,整个幕墙结构体系构成及传力较为特殊导致其与主体结构协同工作复杂,在各类水平及竖向荷载作用下,幕墙结构与主体结构之间会发生较大的竖向相对位移,幕墙结构与主体结构需能相对自由变形,以防止玻璃板块因过大的变形而破碎以及支撑结构因较大次内力失效,这也给结构设计带来许多前所未有的技术挑战,并成为整个幕墙系统设计乃至整个项目结构设计的难点。为此,TJAD抽调技术骨干组成了由丁洁民教授领导的设计团队对其进行技术攻关,进行了大量的创新性工作,对结构体系及节点构造进行了多轮的反复论证分析与优化;对幕墙结构与主体结构协同工作性能、竖向地震反应、以及施工过程中幕墙结构的受力特性等一系列非常规问题进行了深入的专项分析和研究。相关优化及研究工作不仅提高了整个系统的可建造性,而且节省了结构造价,取得了显著的经济效益,使设计的原初意象完美地呈现出来,成为陆家嘴的新地标。


上海中心塔冠的结构设计挑战来源于两个方面。一方面,塔冠整体上为异形的”钢框架-核心筒”结构,自身构成较为复杂。为适应建筑的造型和功能需求,无论外部的框架和内部的核心筒的形式均经过了多次的转换。内部的核心筒580m以下为混凝土核心筒,580m以上转换为由内外八角偏心支撑钢框架组成的钢支撑筒,外部的框架从118~120层为支撑在8区顶的25根斜柱与楼面梁组成的3层高的斜柱框架,120层以上为由25榀倾斜布置的鳍状桁架与环梁组成的塔冠区外幕墙支撑结构,鳍状桁架底部支撑于118~121层斜柱顶端,并通过隔层布置的径向支撑与内部的钢结构筒体结构相连,以传递水平向荷载。

另一方面,塔冠设计的难度更在于塔冠区的建筑功能异常复杂,84.5m高的塔冠区,在垂直方向上又可细分为三个功能分区,从下至上依次为118~120层的室内观光区,同时120层也可作为大型活动中心;121~124主要为设备层,在该高度范围内的外围桁架上设有风力发电机组,同时121层还设有室外观景平台;125~127层为TMD阻尼器观光区。除以上功能外,塔冠区八角框架支撑筒内还设有冷却塔、消防水箱、卫星天线、泛光照明等大型的机电设备。这些巨大尺度的设备,几乎塞满了塔冠空间。如此复杂的功能布置导致各专业之间协同配合的工作量非常大,相互冲突的事情时有发生,结构图纸前后进行了近20余次修改。


作为600m超高层的代表作,上海中心的结构设计难度远超其他几栋高度相近的超高层,在整个6年的设计建造过程中,上海中心TJAD结构设计团队在总裁丁洁民教授的领导下,以高度的责任感、使命感,精益求精的工作态度,高强、高效的工作,确保了上海中心的顺利建造。


出彩之处难以计数

丁洁民教授在一次学术会议上介绍,上海中心建设至现在,还没有发生一个构件、一块玻璃返工的事情,而这正是得力于BIM技术的全面运用。BIM具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。但当初是否采用这项技术,各方的争议较大,以同济为主的设计方力主其应用,理由是:如此巨量、复杂的异型建筑,往往改动一根桁架牵动的就是全身的筋骨,修改一块玻璃的形状,成千上百块玻璃就跟着改变形状,BIM的多方联动、可视、可模拟等特性正可为这样的工程开路架桥。这是BIM技术首次以生命周期全过程的方式应用于超高层建筑,包括集成设计、三维分析、碰撞检查和辅助安装,实现了复杂构件的一次性准确加工和无碰撞安装,这也是全球首次将BIM技术系统应用于400m以上的超高层。


优化设计技术的深入研究,对显著影响工程项目总投资的结构用钢量进行了系统全面的精细化分析和优化设计,共节约了近万吨型钢用量,也是全球首例在超高层项目中采用,此种自主研发的高效优化算法已获得软件著作权授权,正在申请相关专利。


上海中心竖向供水选择采用何种方式,需要根据分区高度、设备层机房空间、用水点用水性质等因素确定,消防供水系统的选择除以上因素外的总原则是应立足自救。各分区的排水均由排水主立管承担,结合超高层建筑的特点,排水系统需要考虑立管的排水能力,并结合分区排水、分功能排水的总体排水方式,加强排水系统的通气措施,有效改善水力条件,进一步保证系统的排水能力。建筑内部因用水单位复杂、用水性质不同、用水规律不同造成局部区域水箱的水周转时间过长,因此要控制水箱的容积、优化管路、配置必要的消毒设施,以保证水质。设备层上下的公用楼层要降低水泵、水箱等噪音源的影响,特别提供隔声降噪的措施,包括基础隔振、管路及配件隔振、泵房整体隔振等方法。


建筑本身因多个功能分区已采用了复杂的空调、通风和采暖系统,在不同工况与环境条件中还增加了地暖和较少应用的翅片来满足中庭内的舒适度。翅片,是一种在密闭式高楼内用散热方式消除玻璃雾化的装置,它的研发技术要求由TJAD提出,在与外方设计师共同讨论后提出新的解决思路。为了尽量避免大厦外层的玻璃幕墙上冷凝成雾,TJAD的暖通工程师们攻克了如何在有限的截面空间内安置超常规数量的除雾设备,如何保持百米内45台设备单元的散热量均控制在首段95℃末端75℃等一系列技术难题。


在能源利用方面,在大楼顶部的塔冠区域设置最新科技的小功率风力发电,将高空的风能转化为电能,创造了超高层利用风能可再生能源的先例。多能源管理(CPMS)系统,合理调配电能、天然气、冰蓄冷、地源热泵、冷热电三联供、风力发电等用能,达到费用最省、能耗最省、尽可能利用可再生能源的目的。

整个照明系统遵循“自然、人文、未来”的设计理念,在体现功能时尚和先进照明技术的同时注重节能,大量使用最新的LED高科技照明和最先进的智能照明控制技术,在满足舒适性和建筑效果的同时烘托出令人震撼的艺术感受。我们对于浦东的夜景都印象深刻,因此每一栋大楼的夜景照明也是灯光设计的重点。上海中心对外的泛光照明设计巧妙地利用丰富的中厅内透光,并凸出建筑造型自下而上贯通的V形槽和塔冠设置最新的LED矩阵组成与建筑融为一体的立体泛光,形成陆家嘴中心的超级显示屏,向城市展现丰富多彩的多媒体光影信息。

“我们收获很多”

来看看上海中心的成长记录吧:

2008年6月,上海中心方案撩开面纱,紧接着同济受邀成为中方设计协作单位;

2008年11月29日,工程桩施工开始;

2009年10月,主楼基坑开始开挖;

2010年3月29,主楼大底板混凝土浇筑完成;

2013年8月3日,上海中心结构封顶。

2014年8月3日,上海中心塔冠结构封顶,达到设计高度632米。

2014年12月,上海中心主体基本竣工。

2014年12月31日,上海中心正式亮灯。


伴随着这些数字,是参与人员无数的付出、无数的汗水,还有数不清的会议、争论。在同济院内,各种各样的会议纪要有上千份,从桩基设计风荷载取值、83层以上施工图、垂直交通、消防专题、机电问题、擦窗机、中庭翅片散热、防雷、泛光照明,内容十分广泛。


“超高层建筑的设计科研千载难逢,再大的困难我们必须上。”这是丁洁民教授自2009年后经常挂在嘴边的一句话,他带领着TJAD的团队创造了多项首次应用于国内超高层的建筑技术。


正如中国科学院院士、同济大学教授郑时龄所说,上海中心就像是一艘航空母舰,有力整合不同领域的优秀资源和先进技术,给所有参建者提供了展示平台。通过上海中心这个项目,参与其中的每个人都已然体会到,各个专业之间的技术整合绝对不是简单的量的叠加。一些之前未曾遇到的技术问题要通过不停的摸索讨论,最后通过整合而反映到项目中,这个过程是非常复杂的,也是这个项目带给整个TJAD设计师的进步和帮助。


丁洁民教授还从整个集团的高度为这个项目总结了四条经验。


一是设计与研究并重。上海中心项目规模庞大,定位要求高,功能设置繁杂,作为世界超高层建筑的新标杆,需要创新性地解决诸多技术难题,为此集团不惜代价投入大量费用对超高层建筑设计与安全的重要技术问题开展研究,形成跨专业、系统综合的500米以上超高层建筑设计成套关键技术。


二是善于学习,集思广益。TJAD借助同济大学强大的学术和研发能力,同时邀请业内知名设计机构和专家作为顾问,集成众人的智慧和技术、经验,应用于上海中心项目中,所以能在初步设计和超限结构、风等专项审查时做到一次通过。


三是设计与施工的高度协作。没有施工方的合作,设计创新是很难实现的,尤其是这种高精尖超级项目,在设计的过程中一定要预先考虑到施工的各种问题。TJAD与上海中心施工总包方上海建工集团在建设过程中一直保持着良好的沟通和协助精神,紧密配合,共同进步。


其四是通过这个项目培养了一流的人才。这批经过上海中心项目洗礼的人才,是集团最宝贵的财富。TJAD从2008年6月6日签订设计合同到今天,6年的时间,作为集团的头号工程,投入了大量的人力、物力和财力,从各个设计院室抽调专门的力量组成项目团队,与外方设计机构紧密合作,在关键技术上发挥自己的经验,在国情把握、业主需求心态把握、法规规范等方面发挥本土设计机构的优势,及时有效地处理、解决设计进程中出现的难点和问题;强化内部会签制度,尽量避免、减少设计图纸中错、漏、碰现象,提高设计质量。设计团队成员既是集团的精锐力量,通过这个项目的锻炼,更可以自豪地说具备了接受任何项目挑战的实力。

数读上海中心

建筑总高度632米,主体结构高度580米。


总建筑面积约57.6万平方米。


塔楼竖向9个功能分区,1区大堂、会议和商业,2-6区办公,7-8区酒店和精品办公,9区观光区,1至8区顶层为设备/避难层。


楼内安装垂直电梯114部,其中20部为双轿厢。


2楼有2000㎡宴会厅,无柱大空间,约等于1/3个足球场或5个标准篮球场。


118&119F为世界最高的观光厅,以最高速度18m/s的观光用电梯穿梭直达。


125F/126F,对应580米和583米,“电磁”阻尼器观光空间。


21个空中花园,是上海中心大厦双层幕墙结构的“美丽衍生品”之一。


大楼自重近80万吨,每平方米要承受近1.9吨的竖向荷载,共955根主楼桩基,每根长87米。


“上海中心”主楼大底板是一个直径121米、厚6米的圆形钢筋混凝土平台,混凝土量达61000立方米,大底板11200平方米的面积相当于1.6个标准足球场大小,厚度则达到两层楼高,是世界民用建筑底板体积之最。


巨型框架结构由8根巨型柱、4根角柱、8道位于设备层两个楼层高的箱形空间环带桁架以及沿竖向布置的6道两个楼层高的伸臂桁架组成。主柱从地面直通 546.5m的高空。主柱截面尺寸最大为3.7米*5.3米。


14万平方米柔性幕墙,20327个单元板块无一相同,要求能抵御13级台风,每一段分区内12-15层楼体的幕墙玻璃与幕墙结构的重量就重达2500多吨,难度系数在幕墙界堪称世界之最。


高空屋顶的平均风速达到每秒8-10米,屋顶外幕墙上安装的270台风力发电机所发电量,可供屋顶、观光层设备使用。



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