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央视新大楼解码:挑战结构和重力

更新时间:2017-11-17 点击数:866

   聊城板房,在这些建筑中,[BAIKE]央视新大楼无疑是一座能够瞬间击中人的视觉和心灵的建筑。
 
  整个央视新大楼,可谓是钢铁构建的“帝国”。整体用钢量12.5万吨,是“鸟巢”用钢量的3倍。其中使用到的钢构件,没有一个是相同的,这在世界上也是绝无仅有的。
 
  挑战结构和重力
 
  2002年,当荷兰大都会建筑师事务所[BAIKE]库哈斯公布央视新大楼的建筑设计方案时,人们简直不敢相信建筑可以做成这样。即使到了今天,这座挑战想象力的建筑已经“扭曲”着屹立在北京东三环,人们依然惊奇,它是如何建成的。
 
  “谁说结构是不能重新设计的?谁说重力是不可战胜的?”事实上,在上世纪末之前,库哈斯的奇思妙想,在技术上还是不可能完成的。而在现实设计与施工中,又化为了一道道不断需要逾越的坎。
 
  2008年1月23日,高度达234米的央视新大楼全面开始安装玻璃幕墙,其电视文化中心(TVCC)将在8月奥运会期间投入使用,并进行奥运赛事直播。他们做了一个9米高的结构模型,按照最不利的荷载因素组合起来,放在一个能模拟地震的液压平台上,上面安装了数百个传感器,用来监控塔楼上1万多根构件的位移,并测量在不同情况下哪个部位承受的压力最大。“震到9度也没有震坏,确定是安全的。”
 
  这座全新的建筑,在北京的天空下,显得格外的“扎眼”。
 
  两座竖立的塔楼双向倾斜6度,在162米高处被14层高的悬臂结构连接起来,两段悬臂分别外伸67和75米,且没有任何支撑,在空中合龙为L形空间网状结构,总体形成一个闭合的环。
 
  人们通常认为摩天大楼应该高耸入云,因此这样一种回旋式结构在建筑界并没有现成的施工规范可循。
 
  “从技术角度看,这个建筑最大的难度就是倾斜加悬挑。”中国工程设计大师、华东建筑设计研究总工程师汪大绥说。高层建筑结构设计方面最难的是3个问题:倾斜、悬挑、扭转,央视新大楼占了2项。汪大绥和他的团队负责央视新大楼的结构设计。
 
  尤其是,央视大楼倾斜的方向和悬挑的方向是一致的,就更给人一种视觉上的“摇摇欲坠”感。
 
  由于北京位于地震带上,这个貌似不稳定的建筑,是否能经受地震和大风的袭击,一直是人们议论的话题。施工前一些专家团队曾对央视新大楼进行评估,认为其结构不太合理,如果一定要造,代价会很大。
 
  “一个建筑方案的取舍,结构不一定是一个决定性因素,如果希望建筑成为一个标志的话,结构就会退居第二。”汪大绥说。


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  在这种情况下,央视新大楼既要保证安全性,又要体现经济性,就给结构设计带来了很多需要研究的问题。
 
  对于高层建筑来说,抗震、抗风的最关键因素就是倾覆力矩,就是水平作用力与建筑高度的乘积。
 
  另外,建筑在地震作用下抗震性能的好坏,取决于建筑本身的延性,也就是建筑是否能在地震往复位移中快速地消耗地震的能量。“因此我们希望柱子有很好的耗能机制。”
 
  央视新大楼的柱子采用的是型钢组合柱,是由混凝土和钢两种材料组成的。出于抗震的要求,所使用的钢材必须要有很好的延性,可以发生很大的变形,但在变形耗能的过程中又不至于发生损坏。
 
  据介绍,一般建筑使用的型钢组合柱中钢的比例在10%~15%,但是央视新大楼出于对外形的考虑,希望柱子的尺寸小一点,因此提高了含钢率,达到了30%。“含钢量如此高的柱子,它的力学特性怎样,之前不知道。”汪大绥说。
 
  汪大绥解释说,测试含钢量30%的柱子延性,属于构件基本力学行为的试验,必须把含钢量从低到高,一点点做上去,做的时候还需要力的不同比例。要进行大量的试验,来验证高含钢率组合柱的受力性能。
 
  经过测试,30%高含钢率组合柱在大震作用下,延性和钢柱基本相近,具有很好的抗震性能。“虽然高含钢率组合柱是在央视新大楼特定条件下的产物,以后也没有必要推广,但重要的是我们摸到了高含钢率柱子的特性。”汪大绥说。
 
  另外,一般建筑的柱子只是在地震发生往复运动时局部受拉或瞬间受拉。而央视新大楼塔楼由于倾斜,有些柱子是永久性受拉。为了使永久性受拉柱坚固可靠,经受得住地震和大风的侵袭,设计还采用了高强度的锚栓,把柱子牢牢地锚固在底板里。
 
  “这是大楼唯一采用进口钢材的地方,锚栓受拉承载力达到每平方厘米1万公斤,一般建筑的使用也就是4000~5000公斤。这种做法在房屋建筑中也很少用到。”
 
  为了确保安全,汪大绥告诉记者,他们做了一个9米高的结构模型,按照最不利的荷载因素组合起来,放在一个能模拟地震的液压平台上,上面安装了数百个传感器,用来监控塔楼上1万多根构件的位移,并测量在不同情况下哪个部位承受的压力最大。“震到9度也没有震坏,确定是安全的。”
 
  如何实现需要的斜率?
 
  对于这种从未实践过的建筑形式,央视新大楼的施工模拟显得异常重要。“大楼要通过特别的施工模拟分析,真实地反映建造过程中结构的受力状态。”
 
  倾斜的建筑,都存在P—△效应,也就是说,建筑结构在外力的作用下,会进一步增加侧移值,并且引起结构内部各构件产生附加内力。由于P—△效应的影响,将降低结构的承载力和结构的整体稳定。
 
  按照设计,央视大楼的塔楼倾斜度为6度,如果建筑在建造过程中不断加大倾斜度,“我们如何实现我们需要的斜率呢?”
 
  “也就是说,我们势必需要一个反向的变形,但每一个点要反向倾斜多少,不是一句话说得清楚的。我们需要根据施工过程中的变形情况反向变形,这对我们这个大楼非常重要。”
 
  而为了控制变形,建筑的重量越轻越好。但央视新大楼如此庞大,以至于仅钢结构自身就重达12.5万吨,再加上楼板及玻璃幕墙的重量以及施工过程中使用的荷载(设备、人)的重量,对控制结构变形提出了巨大挑战。
 
  “对于结构设计来说,除了结构自身的重量外,其他的荷载能晚点上就晚点上。等2个塔楼通过悬臂连起来后形成一个完整的整体后再施加其他重量,对结构变形的影响就比较小。”汪大绥说。
 
  但对于三种重量施加顺序的控制,对于需要在2008年北京奥运之前局部投入使用的央视新大楼来说,这种建造速度显得太过奢侈。施工进度是必须有一定保证的。
 
  “结构和[BAIKE]混凝土楼板、[BAIKE]玻璃幕墙应该保持怎样的施工顺序关系,以使得结构的位移能够控制,这需要做很多分析,这方面工作的深度在之前的高层建筑大楼建设中从来没有遇到过。”汪大绥说。
 
  央视新大楼的外表貌似“鱼鳞”,共10万平方米的玻璃幕墙上,分布了27400余块强烈的不规则几何图案。这些由槽钢构成的斜交叉网格打破了单调重复的玻璃墙面结构,使之成为一个看起来独立且浮动的菱形玻璃结构体。
 
  但这些,并不是为了追求别具一格的视觉效果。“幕墙外皮本身就形成很高的结构。”汪大绥说。这种不规则的交叉网格反映了从日常的荷载到强地震的不同情况下结构受力的分布模式。在受力较大的区域网格的密度较大,而在承载富余的地方则稀疏一些。
 
  借助于精细的计算机模拟所确定的这些网格,为的是确保每个对角线大梁能够均匀承受分布不均的重量所带来的压力,进而使压力基本都能沿着系统传递下去,并找到导入地面的最佳路径。
 
  悬挑在162米高空
 
  毫无疑问,悬臂钢结构施工应该是整个工程中难度最大的部分:要在162米的高空,建造67米和75米的悬臂,并要它们准确地“拥抱”在一起。
 
  而悬臂,是异常笨重的“大家伙”。
 
  悬臂结构共14层,钢结构总重约1.48万吨,再加上混凝土楼板、幕墙、装饰等,整个悬臂结构重量为5.1万吨。在几乎没有支撑点的情况下,悬臂部分的重心又超出两栋塔楼的外框支撑点。
 
  中建三局股份钢结构公司项目经理欧阳超此前在接受采访时曾介绍说,悬臂施工采取架桥的方法,塔吊将重几十吨的钢架慢慢地抓到了162米的高空。钢架通过钢棒牵引固定,钢棒一头连着钢架,一头连着大楼主体,从而搭设一个横断面钢梁。高强螺栓将钢架的一端固定在大楼主体上,焊接后松开钢棒,校正钢梁的精确角度。悬臂的最底层是一个长近百米、宽约40米的大空间,这里是整个悬臂的一个平台,撑起上万吨重的悬臂。
 
  “悬臂结构单件最大起重重量达40吨,因此施工单位使用的,也是目前民用建筑中全球最大的M1280D塔吊。”包联进说。
 
  在162米高空实现2个“钢铁巨人”合龙,不仅要求快速,而且要求精确。汪大绥坦言,悬臂合龙时有点担心,首先担心的就是形状尺寸的控制。
 
  “最终我们选择的是‘分阶段逐步合龙方案’,这样每次合龙点少,施工误差积累可逐步消减,利于控制结构变形。”包联进说。
 
  在具体施工那天,为控制误差,悬臂合龙甚至有些科幻的味道:要在太阳出来前施工。原因在于钢结构对温度非常敏感,日晒会使阳面相对阴面有较大的膨胀,从而使两座塔楼产生相对移动。
 
  而12月的北京,温差较大。“外界温度每变化1度,钢结构会变形1毫米。”包联进告诉记者。
 
  据了解,进入12月后,工作人员24小时监控天气情况,将每半小时的气温变化都记录在案。欧阳超说,合龙时全天的温差要在10摄氏度之内,才能保证合龙时的误差最小。
 
  2007年12月8日,最高气温5摄氏度,最低零下2摄氏度。是一个合适的天气,但具体选择哪个时间段合龙,又成了另外一个难题。监测数据显示在上午9~10点之间,钢梁上的连接板和销轴之间的误差最小,在2毫米以内。
 
  于是,8日上午9点45分,央视大楼第一阶段合龙完成,先行完成了7个节点的对接。2007年12月26日上午9时08分,第二阶段——悬臂外侧全面合龙,新楼的基本框架已经形成。 

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