京基100結(jié)構(gòu)設(shè)計疑問解析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上丨工程概況丨      京基100（KK100），原名京基金融中心（KingKey Financial Center），樓高441.8米，共100層，是目前深圳第一高樓、中國內(nèi)地第五高樓、全球第十三高樓。位于我國廣東省深圳市羅湖區(qū)深南東路，由來自英國的兩大國際著名設(shè)計公司- TFP和ARUP聯(lián)合設(shè)計，中國建筑第四工程局有限公司承建。京基100是深圳房企京基集團(tuán)旗下的世界級地標(biāo)，也是中國民營地產(chǎn)企業(yè)投資建造的最高建筑，保持了多項中國記錄、世界紀(jì)錄，并獲得了多項世界級獎項。丨工程疑點丨問：本項目的基本情況和專業(yè)設(shè)計歷程，包括各階段設(shè)

2、計單位、施工關(guān)鍵節(jié)點有哪些？答：京基金融中心地處深圳市金融文化區(qū)，總建筑面積約 60.2 萬 m2，由 A、B、C、D、E五棟塔樓組成，是集甲級寫字樓、超五星級豪華酒店、大型商業(yè)、高級公寓、住宅為一體的大型綜合建筑群，已成為深圳市新的地標(biāo)建筑（圖 1）。京基金融中心 A 座（簡稱京基 100）地上建筑面積約23.4 萬 m2，100 層，樓高 441.8m（圖 2，3）。圖 1 京基金融中心總平面圖 2 京基 100 照片           圖 3 施工現(xiàn)場大廈外形創(chuàng)意來源于噴泉和瀑布，已成為華南第一高樓（已建成

3、）。大廈共有 4 個功能分區(qū)，其中 13 層為通高大堂空間；4 層設(shè)置酒店宴會廳、相關(guān)功能區(qū)和餐廳，可從大堂或同樓層的商場通道進(jìn)入；574 層是大廈主體，為甲級寫字樓，頂部75100 層設(shè)超五星級瑞吉酒店，約有 250 套房間以及與酒店相關(guān)的餐廳和健身等服務(wù)用房，在大廈最頂部 40m高的拱頂內(nèi)設(shè)置飛艇形特色餐廳。入口雨篷為懸挑 16m，結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高 48m，東西跨度 57m的大跨度雙曲面玻璃雨篷，通過精準(zhǔn)三維立體設(shè)計，以舒緩弧線使雨篷與大廈渾然一體，并成為大廈的標(biāo)志性入口（圖 4）。圖 4 京基金融中心入口雨篷方案及初步設(shè)計階段的設(shè)計單位有：泰瑞·法瑞有限公司（建筑）、奧雅納工程顧問有

4、限公司（結(jié)構(gòu)）、深圳華森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司、中國建筑設(shè)計研究院、廣州容柏生設(shè)計事務(wù)所（結(jié)構(gòu)顧問）。建筑及工程設(shè)計（施工圖設(shè)計階段）單位有：深圳華森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司、中國建筑設(shè)計研究院、廣州容柏生建筑工程設(shè)計事務(wù)所（結(jié)構(gòu)顧問）。項目于 2007 年 4 月底完成方案報建文本；2007年 12 月底完成初步設(shè)計；2008 年 12 月底完成施工圖設(shè)計。2007 年 10 月開工建設(shè)；2009 年 3 月底板施工完成；2009年5月地下室施工完成；2011年 3 月京基 100 主體結(jié)構(gòu)封頂；2011 年 11 月京基100 竣工驗收；2012 年初京基 100 投入使用。整個項目

5、從開工到投入使用大約花了四年多的時間，相比其他類似項目而言，建設(shè)周期還是比較短的。問：該項目為超限，在準(zhǔn)備可行性論證和超限審查報告的過程中，有哪些問題是設(shè)計方和專家共同關(guān)注的，是如何逐項解決的？答：該項目在 2007年8月和11月，進(jìn)行了兩次超限初審，2008年1月進(jìn)行正式超限審查。大家比較關(guān)注的問題是層間位移角控制標(biāo)準(zhǔn)、舒適度控制標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)層的設(shè)置、構(gòu)件敏感性（抗側(cè)效能）分析、施工模擬分析等等。奧雅納在初步設(shè)計時做了許多工作，包括收集大量類似項目層間位移角的控制標(biāo)準(zhǔn)，并提出該項目用有害位移角作為控制標(biāo)準(zhǔn)，得到了專家的許可；關(guān)于舒適度能否滿足要求的問題，設(shè)計團(tuán)隊提出通過對建筑物建成后的健康監(jiān)測

6、來判斷是否需要增設(shè)減振裝置，即如果舒適度不能滿足要求時，可以通過增設(shè)減振裝置來解決，這也得到了專家的許可；華森設(shè)計公司對外框柱的結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計做了補(bǔ)充分析，專家同意在施工圖設(shè)計階段可做進(jìn)一步論證。另外整體結(jié)構(gòu)分析了 30 多版計算模型，比較了各種組合計算結(jié)果，并對加強(qiáng)層、重要構(gòu)件抗側(cè)力敏感性進(jìn)行充分論證。在審查會上專家們對該項目提出少寶貴意見，我們在施工圖設(shè)計時進(jìn)行落實。針對設(shè)計、外框架柱的選型、舒適度減振方案等問題又重新組織了多次國內(nèi)專家論證，廣泛聽取專家意見。問：由于受到建筑物造型的要求，使得該項目的高寬比成為當(dāng)時國內(nèi)同類型超高層項目中最大，由此給帶來哪些技術(shù)難題？答：由于該項目平均高寬比

7、達(dá)到 10.27，這直接影響主體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，并對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的有效性提出了重大挑戰(zhàn)。10.27 這個值應(yīng)該是目前超過 400m 高房建項目中最大的高寬比，本項目又處在風(fēng)荷載特別大的深圳，彈性方法計算的樓層最大層間位移與層高之比的限值 1/500 就很難滿足，建筑物頂部的風(fēng)振舒適度的計算值也剛剛能達(dá)到規(guī)范要求。設(shè)計時沒有單純追求滿足限值 1/500，而是對有害層間位移角進(jìn)行分析并加以控制。初步設(shè)計階段進(jìn)行過論證，如果把目前樓層最大層間位移與層高之比 1/475 降低到 1/500，就要通過增加核心 筒南北側(cè)墻體厚度（由1900mm增加到2200mm），同時加大南北側(cè)柱子截面來解決，這不僅會減

8、少建筑的凈使用面積，還將直接增加約3500萬的投資，所以在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，我們盡量做到既經(jīng)濟(jì)合理、又方便施工。問：該項目結(jié)構(gòu)體系從方案階段一直到最終定案的演變和優(yōu)化的主要過程有哪些？答：方案和初步設(shè)計階段進(jìn)行了 3 個結(jié)構(gòu)方案的比較方案一：核心筒+周邊斜支撐框架+腰；方案二：核心筒+周邊框架+伸臂桁架+腰桁架；方案三：核心筒+東西立面斜支撐框架+伸臂桁架+腰桁架（圖5），分別從建筑感觀、施工進(jìn)度與難度、構(gòu)件效能、側(cè)向及扭轉(zhuǎn)剛度、用鋼量和經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行考量，最終選擇了方案三。在方案三的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了加密外框柱、加密東西立面斜撐、在酒店層增設(shè)剪力墻、東西立面 5 個柱改為4 個柱等方面的

9、研究，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化。施工圖設(shè)計階段最大的變化就是把外框的型鋼混凝土柱方案改為矩形鋼管混凝土柱方案，同時對東西立面的斜撐布置進(jìn)一步優(yōu)化。圖 5三種結(jié)構(gòu)方案主體結(jié)構(gòu)體系最終采用鋼筋混凝土核心筒、巨型斜支撐框架及 3 道伸臂桁架、5 道腰桁架組成三重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，以抵抗水平荷載。結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成：（1）鋼筋混凝土核心筒（核心筒底部設(shè)置型鋼）。核心筒從承臺面延伸至 77 層，該層以上取消部分核心筒墻體，僅保留左側(cè)一片和右側(cè)兩片豎向布置的剪力墻，使得酒店區(qū)可以設(shè)有開放式通高中空中庭（7794 層），見圖 6。圖 6抗側(cè)力體系（2）巨型斜支撐框架。巨型斜支撐設(shè)置于大樓東西兩側(cè)的垂直立面上，采用 X 形

10、交叉形式，水平傾角在 50°68°之間，斜撐采用箱形截面，底部最大尺寸為 1600×1400，鋼板厚 80mm。（3）框架部分由矩形鋼管混凝土柱及型鋼組合梁組成，矩形鋼管柱截面底部最大為 2.7m×3.9m，鋼板最大厚度為 70mm。南北面的型鋼混凝土柱從承臺面至 50 層呈圓弧傾斜，自 50 層以上配合總體建筑布置呈圓弧向內(nèi)傾斜。采用巨型鋼管混凝土柱可增加外框架的延性，方便結(jié)構(gòu)主體施工，確保施工質(zhì)量、降低結(jié)構(gòu)造價，同時也可減小柱截面從而提高建筑使用率。（4）5 道腰桁架和 3 道伸臂桁架。腰桁架沿塔樓高度均勻分布，結(jié)合避難層及設(shè)備層，可增強(qiáng)外框架的抗扭

11、性能，從而減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在地震作用下的不利影響；3 道伸臂桁架則設(shè)于 3739 層、5557 層、7375 層，同時在相連伸臂桁架的剪力墻中設(shè)置剪力墻暗桁架，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性、增大了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度、滿足強(qiáng)節(jié)點的設(shè)計要求。 問：有別于普通超高層建筑，京基100 在兩側(cè)端跨均布置了巨型 X 形斜撐，增加 X 形斜撐后，其結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度提高比例大致為多少？X 形斜撐與所處同一軸線位置的框架柱、框架梁空間關(guān)系在兼顧受力和施工便利性方面是如何考慮的？答：京基 100 由于 Y 向的高寬比達(dá)到 10.27，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮如何提高 Y向的抗側(cè)剛度，單純通過增加構(gòu)件截面和加強(qiáng)伸臂桁架已經(jīng)很難滿足規(guī)

12、范要求，增加 X 形斜撐（底部最大尺寸為 1600×1400，鋼板厚 80mm）和加大角柱會有效地提高 Y 向抗側(cè)剛度，其對整體結(jié)構(gòu) Y 向抗側(cè)剛度貢獻(xiàn)約占 30%，施工圖設(shè)計時結(jié)合外框架柱改為巨型鋼管混凝土柱的機(jī)會，將 X 形斜撐移至柱外皮，這樣建筑凈使用面積約增加了 300m2，同時將與 X 形斜撐所處同一軸線位置的框架梁在 X形斜撐范圍段與 X 形斜撐處于不同平面內(nèi)（即與斜撐不相交），這樣不僅大量減少節(jié)點，也保證 X 形斜撐受力直接，從而也方便施工（圖 7）。圖 7巨型斜撐和框架梁的關(guān)系問：超高層建筑傳遞到基礎(chǔ)上的力是非常巨大的，這方面基礎(chǔ)設(shè)計方面的對策是什么？答：本工程建筑物

13、自重就達(dá)到約 50 萬 t，傳到地基上的力的確非常大，不過項目所在地的工程地質(zhì)情況還是不錯的，基巖埋深較淺，微風(fēng)化粗粒花崗巖層頂埋深 30m左右，所以有條件采用人工挖孔樁，樁基平面布置圖見圖 11。基礎(chǔ)設(shè)計方面采取以下對策：首先人工挖孔樁的混凝土強(qiáng)度等級由初步設(shè)計時的 C40 調(diào)整為 C50，可以減少混凝土和鋼筋用量近 17%；樁基的布置方式也充分考慮人工挖孔樁傳力直接的特點，通過調(diào)整樁基直徑適應(yīng)上部荷載大小，該項目最大樁的直徑為 5.6m，也是當(dāng)時深圳房建中最大的。通過布樁的調(diào)整減少基礎(chǔ)底板的協(xié)調(diào)作用，使得底板可以設(shè)計得更經(jīng)濟(jì)，底板厚度從初步設(shè)計 5m調(diào)整到 4.5m，底板配筋量也減少了一半

14、。圖8 樁基平面布置圖問：該項目結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土筒體+外部鋼框架，另外還存在伸臂桁架、巨型斜撐等重要受力構(gòu)件，設(shè)計階段是如何考慮這些關(guān)鍵部位施工順序的？答：大家都比較清楚，伸臂桁架（圖 9）、巨型斜撐（圖 10）都是為了提高整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，主要用來抵抗水平力，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計時要盡量減少由于豎向荷載作用及豎向構(gòu)件變形差導(dǎo)致伸臂桁架和巨型斜撐的初始應(yīng)力，理論上來說等主體結(jié)構(gòu)施工完成后再對此類構(gòu)件進(jìn)行連接是最好的。但是，主體結(jié)構(gòu)在施工階段也需要一定的抗側(cè)剛度，所以對此類構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)結(jié)合施工進(jìn)程，通過施工模擬來解決。京基 100 的巨型斜撐是隨主體結(jié)構(gòu)分段合攏，考慮了和框架柱共同承擔(dān)豎向荷載，因

15、為斜支撐合攏后因柱子相繼軸向變形產(chǎn)生的內(nèi)力不大于斜支撐承載力的 5%，對斜支撐承載力影響甚微；伸臂桁架則采用后連接施工，即等上一個加強(qiáng)層伸臂桁架就位后，再對下面層的伸臂桁架進(jìn)行焊接連接。圖 9 典型伸臂桁架立面圖 10巨型斜撐問：該項目存在諸多尺寸較大的鋼結(jié)構(gòu)，在鋼結(jié)構(gòu)加工、運(yùn)輸和安裝方面設(shè)計單位是如何考慮的？答：設(shè)計時要考慮的因素很多，首先要考慮盡量減少現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)焊接的工作量，也要考慮工廠加工及公路上運(yùn)輸?shù)目尚行?，還要考慮現(xiàn)場施工塔吊的吊裝能力等等。設(shè)計階段對柱子及節(jié)點進(jìn)行預(yù)先分段，統(tǒng)計各段重量，并和施工及鋼結(jié)構(gòu)深化單位進(jìn)行配合，有時為了運(yùn)輸，柱子中附帶的鋼梁牛腿也要做相應(yīng)調(diào)整。對于原來 1

16、70mm 厚（二片1200mm高組合）的伸臂桁架（圖 11），通過對國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)廠家的調(diào)研和專家咨詢發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)超過150mm厚時無論加工和質(zhì)量均很難保證，工程中如果確實需要，這種鋼材必須進(jìn)口，最后通過優(yōu)化，適當(dāng)加高截面后調(diào)整為 130mm 厚（二片 1500mm高組合），這樣既保證產(chǎn)品質(zhì)量和縮短加工周期，又節(jié)約了大量成本。圖 11 伸臂桁架問：該項目框架柱和剪力墻尺寸均較大，如何看待建筑立面造型和配套結(jié)構(gòu)體系對建筑使用功能以及有效使用面積的影響？答：辦公層的建筑面積變化從 2400m2 到2700m2，若扣除包括核心筒封閉的管井墻體的厚度和柱體等在內(nèi)的面積，則最大面積約為 2200m2，實際使用

17、率約達(dá)到 68%73%，38 層平面以下由于辦公室高區(qū)穿梭電梯及平面收進(jìn)等因素，建筑使用率偏小。到 50 層以上建筑平面南北向又往里收進(jìn)，到 75 層時南北向平面尺寸約為 43m，從酒店客房層開始，中間部分核心筒終止，酒店區(qū)設(shè)置了通高的開放式中庭，所以這部分建筑面積使用率還是相當(dāng)高的。其實在初步設(shè)計階段，我司就以書面的方式向業(yè)主提出：希望建筑平面從 38 層以下，南北向平面 49m尺寸保持不變，這樣就能有效地減小結(jié)構(gòu)高寬比，降低結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，使結(jié)構(gòu)在造價不變的基礎(chǔ)上，增加約 3000m2 建筑凈使用面積，一舉兩得的事。最后建筑師和業(yè)主未采納我司的建議，這也就成了我在這個項目設(shè)計中的一件憾事，項目典型建筑平面見圖 12。（a）首層平面（b）81 層酒店平面圖 15 建筑平面圖問：目前像京基 100 等高度超過 400m的超高層建筑，其結(jié)構(gòu)體系以巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)居多，而本項目仍采