深圳京基金融中心结构设计

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深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司:张良平总工程师
 
张良平：各位专家、各位同行上午好，今天我想跟大家交流的是深圳京基金融中心的结构设计，在座的好多专家也参与了这个项目审查，都给我们这个项目提出了很多宝贵的意见。首先我要介绍一下我们这个团队，当然初期阶段是有泰瑞法瑞建筑设计有限公司、奥雅纳工程顾问有限公司，华森建筑与工程设计顾问有限公司初步设计。施工图由华森建筑与工程设计顾问有限公司中国建筑设计研究院完成的。设计顾问公司是广州容柏生建筑工程设计事务所。今天主要分4个部分讲，第一部分工程概况。第二部分结构体系及性能控制。第三部分 超高层结构设计关键技术。第四部分 结构优化。大家看这个图很清楚，边上是它的帝王大厦，它在帝王大厦的西侧，在大剧院的东侧，是一个旧城改造的项目，这个项目总的建筑面积是60.24万平方米，京基金融中心建筑面积地上部分为23.3万平方米，其中办公17.6万平方米，酒店4.65万平方米，裙房也约7万平方米，地下室12.35万平方米。今天主要讲的是439米的主楼，它地上是98层，地下是4层，这个是来自于喷泉，这个是大楼的效果图。喻示中国和深圳经济的快速增长和持续稳健发展， 建成后将成为深圳第一高楼，也是目前世界上最高的建筑之一。这个大楼有4个功能分区，大厦共有4个功能分区：其中1～3层为宽阔的大堂空间，4层上设置了酒店宴会厅、相关功能区和餐厅，与裙房商业连通。5～74层为甲级写字楼，标准层层高为4.2米；7个专业证券交易楼层层高5米，净高达到3.3米。顶部75～97层设六星级酒店，层高3.6米，总共有278套房间，包括1个总统套房，另外还设置了与酒店相关的餐厅、健身俱乐部、游泳池、商务中心及多功能用房等。其他还有一些餐厅等等简单的配套设施。这个大楼的建筑比较特殊，钢结构，这两个是分开的，这是主要的路口，这个路口有8米高，这是大楼的剖面图。第二部分讲一下结构体系及性能的控制。这个我们做了很多方案比较，方案一：核心筒及斜支撑框架，方案二：核心筒，周边框架，伸臂桁架及腰桁架，方案三：核心筒，斜支撑框架，伸臂桁架及腰桁架。结果是选择了第三个，选了方案以后我们对方案进行进一步的研究，一个容易角度保持，因为这个东西是可以提升的。第二个是减少，对施工来说比较方便。还有一个是方案比较密的，对各方面都做了很深的研究，最后采取了三重结构体系，钢筋混凝土核心筒，核心筒从承台面伸延至办公楼顶层。因酒店层设有开放式中庭，故部分核心筒到酒店层下终止，由内钢框架取代，内柱直接支承于核心筒顶部；酒店在每个楼层上设置水平支撑与楼板共同作用，加强钢斜柱的横向约束，确保总体稳定和刚度。 斜支撑框架，斜支撑采用X交叉型式分别设置于大楼东西垂直立面上。周边框架由钢管混凝土柱及型钢组合梁组成。采用钢管混凝土柱可增加框架的延性，同时亦可减少柱截面从而提高使用率，构成核心筒和型钢混凝土外框柱之间相互作用的伸臂桁架及腰桁架，5个腰桁架沿塔楼高度均匀分布，整合避难及设备层，增加了外框架的抗扭性能；3区伸臂桁架在核心筒内贯通，优化结构效能。这个楼的高宽比，这个平面大家看的出来，中间部位高宽比为9.54，端部的高宽比为10.98，平均高宽比为10.2，核心筒的高宽比为17.3，中间是46米，两条是40米，这个楼下面小中间大，到上面又缩小，中间是南北向右49米，所以这个从中间那个部位看是9.54，高宽比将近11了，平均高宽比为10.2。这是一些高宽比，可以看的出来，这个高宽比给我们施工带来很大的难度，这一块因为时间关系我就跳过去了，第三部分讲一下超高层设计关键技术这一块，那么这一块用10个来讲，第一个是超高宽比结构的抗风设计；第二个是巨型柱截面形式选择；第三个是伸臂桁架形式选择；第四个钢骨混凝土厚墙构件设计与分析；第五个罕遇地震作用非线性动力时程分析；第六个节点设计和节点的三维有限元分析；第七个结构抗连续倒塌分析；第八个基于数学的优化方法；第九个非荷载作用下的变形分析；第十个有限元程序控制台。这是我们初级阶段做的实验，详细工程实现是高平天平风洞测验，从这个结果可以看出来，和以往咱们设计的，一般的设计不太一样，因为它是水平方向的风，这个大楼在Y方向摆动，这个风是30—40%，这是一个和正常咱们计算的不一样的预算。整个大楼的舒适度，我们有一个分析。结果大概是25个限制。根据这个情况的话呢，我们对大楼的施工，毕竟里面有一个酒店，考虑怎么控制这个速度，有两种，一种是增大阻尼降低风荷载。二是增加大楼刚度能有效减低横风荷载。
　　第一个方案，成本也比较高。第二个是典型的大楼建筑系统，660吨的大桥，这个也不太合适的，主要是本身的结构比较大。最后我们讲AMD整个系统，在380米高度的布置控制系统，左右两侧，控制了上面的控制系统。我们对不同质量块，控制效果进行了比较，如果这两块是550，价格减少了20%左右，200吨的时候，现场采取了300吨，这样控制效果出来以后达到30%。
第二个是超高层设计关键技术巨型截面形式选择。在结构优化的时候再给大家说，这是现场的一个照片。第三个是腰桁架和敏感性分析，所以大楼设计的时候对不同的位置和不同的数量都进行的充分的比较。从而找到一个最优的组合。这个是组合的一个研究，这是位置和数量研究。这是一个实例，包括环球贸易广场的。这个是沈阳恒隆市府广场的一个图。这是财富中心二期的。类似的是由两个斜板组成的。那么这个是贯通的，其中下面两层是每层带4层下面是2片。第四部分是钢骨混凝土厚墙构建设计与分析，本工程混凝土剪力墙厚度最大达1.9m，初步设计时为内置工字钢，施工图设计时改为内置王字形钢骨，布置更均匀，同时适当减小断面。规范尚没此类构件设计方法。因为这个楼它为了勘测的需要，1.9m的墙怎么来施工，这也是非常困难的，我们也做了几套方案，初步设计的时候这个工程单，对钢筋的板子可能影响多一些。
超高层设计关键技术五，罕遇地震作用非线性动力时程分析，这个因为时间关系我们也不讲了，目前还在做模型，可能快做完了，做的同时我们对整个模型进行一个分析。
　　第六个关键技术是节点设计和节点的三维有限元分析。交汇的时候，因为我们原来做首层节点的时候高度是10几米高，都是一个非常大的挑战。这是我们下面的主要节点类型，包括怎么连接，这是一个钢筋混凝土的一个连接。这些节点也很重要。这是节点的一些分析。伸臂桁架与混凝土核心筒连接部分的节点，伸臂桁架与钢管砼柱连接部分的节点，巨型斜撑与钢管砼柱连接节点，腰桁架与钢管砼柱的连接节点，顶拱和下部楼层连接节点，巨型钢管砼柱脚，57m跨入口大雨棚与钢管砼柱连接节点，我刚才说的就是这几个节点，左边就是这几个节点，后来也渐渐的优化。第五个结构倒塌，我们现在的这个大楼，也能保证这个大楼的结构安全。这是一个发动着的汽车，每小时40公里的速度，因为这个柱子非常大，汽车把它撞以后基本上没有什么，因为这个柱子太大了。第八个优化的三要素，目标函数、设计变量、约束条件，我们采取了一些作为优化的内容。因为时间关系说不来，我们选的这个大楼里面的优化，这个是优化的敏感性分析。第九个超高层设计关键关键技术，非荷载作用下的变形分析，这是施工的加载时间，考虑因素弹性压缩、混凝土收缩。徐变。这是轴变分析结果，这是内力分析结果，分析完了以后我们主要做一些施工的顺序问题，什么地方合拢做了一些要求。包括施工的时候什么时候采用，我们最后采用了核心筒。关键技术十有限元程序控制台。我们平时也做了程序之间的一个来回的应用，这个施工结构，通过这个平台不在是前处理转换。这是我们的一些图表，用曲线表示出来，这个上面都做了大量的工作。显示面积是多少，做了这方面的工作。
第四部分结构优化，我们主要是给型钢是占一半，53%。那么第一个是，这个是量的740的，因为以往的一般的100米800米足够了，为什么这个要那么高，也是节省造价，中心地板2.5米增后了4米，小的地方比较小，这样减少地板的协调工作。我们用多点模拟的方式来计算的。下面讲的是截面的一个主要特点有这几个方面，这是一个中间过程，里面是钢管柱，我们在这个技术上，我们采用的是这个方案，这个方案经过两次优化。这个优缺点我来不及讲，我们原来是10%，钢板比较厚，这样算下来的造价可以节省4千万。第二阶段考虑外框注断面主要是轴向控制的。同时混凝土我们提高了15%，这样的话把柱子，整个柱子的优化可以节约300万。这是一些构建上的一些优化。这个造价是3700万元，这是不同的柱子形式变化。这三种截面形式经过市场调查已经非常难以采购，要去定做，所以成本也比较高，这个断裂面加高了达到了10公分，楼面梁优化，初步设计梁间距2.5毫米。悬条断梁截取，减少现场焊接。这个优化结果可以减少60万。这是入口大雨蓬，我们后来改成，来使它更安全。这个钢管施工起来也比较容易，钢顶拱杆优化，考虑风荷载分布不均的扭转效应，中间四榀桁架采用三管拱，两端局部加强采用四管桁架拱，提供所需抗扭转刚度。利用三管拱的宽度减低横梁的自由长度，减小横梁尺寸及提高整体稳定性 优化结果约节省用钢量 535吨，施工图优化合计节约造价约 1.5亿元。因为时间关系讲不了，如果大家有兴趣，我们再进行交流，谢谢大家。