建筑結構丨全面解讀528米北京第一高樓——'中國尊'大廈設計及施工

1、建筑結構丨全面解讀528米北京第一高樓中國尊大廈設計及施工項目概況中國尊大廈位于北京市朝陽區(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78mX78m向上漸收緊至54mX54m,再向上漸放大至頂部的59mX59m,似古代酒器“樽”而得名。中國尊將是繼北京國貿(mào)三期A塔樓后北京規(guī)劃設計并建造的最高建筑物。中國尊大廈效果圖建設單位：中信和業(yè)投資有限公司總體設計單位：北京市建筑設計研究院有限公司合作設計單位：KPF（建筑）

2、、ARUP（結構）施工總承包單位：中建總公司與中建三局聯(lián)合體項目最新進展2016年8月17日,全球首部超500米躍層電梯在中國尊大廈中正式投入使用。針對全球超高層項目施工過程中普遍存在的垂直運輸瓶頸問題,該項目采用了躍層電梯技術。該技術能使正式電梯在結構施工階段提前使用,電梯機房是可自行爬升的臨時機房,每次跳躍3至5層,即大廈結構核心筒每上升3至5個樓層，電梯機房就向上跳躍一次，大樓封頂且電梯機房完工后，將電梯曳引機控制柜等機房設備移至最終機房，更換相應部件后即可轉(zhuǎn)換為正式電梯。電梯運行速度由普通施工電梯的1m/s提升至4m/s,單臺躍層電梯的乘客運力是同規(guī)格施工電梯的約12倍，服務樓層將隨著

3、土建結構增長而同步爬升，最大行程將達到500m,將是全球速度最快、行程最大的躍層電梯。相比常規(guī)電梯安裝方法完工時間提前約120天。5月13日開始電梯安裝,8月7日安裝調(diào)試完成,8月10日順利通過政府部門（北京市特種設備檢測中心）驗收。電梯樓層按鍵密密麻麻目前,中國尊大廈已施工至70層,高度達333米,正式超越國貿(mào)三期的330米,成為北京第一高樓。而距離其528米的總高度,還有38層的距離。接下來,還將以平均每3.5天完成一個結構層的速度“瘋長”,預計2017年7月30日封頂,2018年10月竣工,2019年3月交付使用。隱身在云霧中的中國尊（中）建筑方案創(chuàng)意塔樓方案創(chuàng)意是從中國傳統(tǒng)禮器“尊”的

4、形體特征中汲取造型的靈感。經(jīng)過抽象處理和比例優(yōu)化,即保持了“尊”形突出獨特的弧形效果,又形成了比例上的高雅和秀美。尊,古之禮器。意為敬奉,起時雙手捧至頂,行頂天立地之勢。所以以“中國尊”為北京第一高度建筑的寓意：建筑高聳直入云端，表現(xiàn)出頂天立地之勢，與“尊”的表現(xiàn)不謀而合。而且以“尊”為建筑形態(tài)，也有別于北京超高層建筑常見的直線形態(tài)。外形自下而上自然縮小，形成穩(wěn)重大氣的金融形象，同時頂部逐漸放大，享受獨在云端的無限風光，最終形成中部略有收分的雙曲線建筑造型，使這一建筑林立在CBD核心區(qū)的摩樓天群中也能明顯體現(xiàn)出莊重的東方神韻。結構設計結構體系及平面布置本工程主要結構體系由外框筒和核心筒組成，其

5、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，貫通至結構頂部，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)。結構體系大樓平面基本為方形，底部尺寸約為78mX78m,在大樓的中上部平面尺寸略為收進，“腰線”最小部位約為結構標高為385m,平面尺寸為54mX54m,向上到頂部平面尺寸又略為放大，但頂部平面尺寸小于底部平面尺寸，

6、約為69mX69m。幾何尺寸結構典型平面布置圖巨柱本項目的巨型柱均采用鋼管混凝土柱，第0區(qū)為六邊形的多腔鋼管混凝土巨型柱，與天津高銀117類似。以上各區(qū)基本上是矩形鋼管混凝土柱，與臺北101和深圳京基100大樓類似。鋼管混凝土已經(jīng)成為一種成熟的施工技術，與鋼骨混凝土截面相比，具有不用模板、避免鋼筋錨固的復雜性的優(yōu)點，同時，鋼管與巨型斜撐等鋼構件的連接也較為方便，但需要注意的是需要保證內(nèi)部混凝土的澆筑質(zhì)量和組合結構受力的整體性。巨型框架周邊結構空間關系示意圖巨柱截面示意巨型柱布置俯視圖塔冠結合建筑造型要求，塔冠的結構設計形成“內(nèi)尊”的整體造型，塔冠建筑效果圖及結構布置示意圖如下。在結構分析時應用

7、風洞試驗提供的風壓系數(shù)進行了抗風設計。考慮高階振型的不利影響，對于主要塔冠構件的地震內(nèi)力進行了放大調(diào)整。塔冠效果圖及結構布置巨型外框筒建筑-結構一體化設計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下圖。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，又可降低結構自身的加工難度。外完成面幾何控制尺寸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（-31.343.15m）為4根八邊形截面

8、，截面面積約為63.9m2；2）719層（43.1598.65m）為8根六邊形截面，截面面積約為19.521.3m2；3）19106層（98.65503.2m）為8根矩形截面，截面面積約為19.22.56m2。巨型柱共設置12個控制轉(zhuǎn)折標高。為使結構受力最優(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Y內(nèi)，此面與水平或豎直夾角為27°。巨型柱截面示意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

9、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，僅選取典型區(qū)段進行介紹。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、巨型斜撐等構件與巨型柱連接位置均需要設置水平加勁肋，且結合與巨型柱轉(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，而沒有采用常規(guī)截面形式。轉(zhuǎn)換桁架截面生成方案例如截面尺寸為800X700，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

10、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900X700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）。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1600X900截面，取平行于巨型斜撐軸線、相距1600mm且垂直于豎直面的一對斜面，和平行于下輪廓面、水平距離

11、為900mm的一對斜面，所圍區(qū)域作為巨型斜撐輪廓尺寸。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，進而得到各層的幕墻分格點。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

12、柱采用焊接H形截面，以便施工。整個外框筒結構構件的截面生成規(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構，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構的構件截面的主要形式，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。截面生成原理基礎及地下室地下6層（局部7層），埋深約38m塔樓采用樁筏基礎，其下筏板厚度為6.5m，混凝土強度等級為C50。為均勻分布巨型柱的巨大重力，結合建筑布局，在巨型柱雙向設置了結構翼墻，塔樓基礎平面布置示意如下。塔樓基礎結構平面布置示意為提供足夠的承載力并控制沉降，基礎筏板下采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1m和1.2

13、m,樁端持力層為卵石/圓礫層，有效樁長為40m和45m，混凝土強度等級為C50,采用樁端樁側(cè)后壓漿，單樁承載力特征值分別為14500kN和16000kN。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1200mm、樁長44.6m）；塔樓下其他區(qū)域P2型（樁徑1000mm、樁長40.1m）；塔樓與純地下室間過渡樁P3型（樁徑1000mm、樁長26.1m，為邊緣過渡樁），樁位布置如下。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

14、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，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。樁基礎結構設計計算應考慮上部結構、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)平設計的構想與技術思路如下所示。數(shù)值分析得出的基底反力在主樓區(qū)域約為150kPa；上部結構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%。樁筏共同工作示意圖樁與筏板聯(lián)合變調(diào)平設計概化示意

15、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曲線如下圖所示。檢測結果表明樁基施工質(zhì)量良好，100%為I類樁，為實現(xiàn)設計構想奠定了堅實的基礎。目前已完成全部筏板混凝土澆筑施工。工程樁Q-s曲線基坑施工動畫8'42''視頻項目之最8項世界之最在8度抗震設防烈度區(qū)建造的世界最高建筑528m全球超高層建筑中最高最大的室內(nèi)觀光平臺（凈高約18m，挑空3層的無柱空間，360°俯瞰北京城）世界最大截面的多腔體鋼管混凝土巨型柱一一64雙轎廂電梯（觀光穿梭電梯OS-0103）提升高度全球最大508m施工用躍層電梯（TX-01）提升高度全球最高5

16、14m,提升速度最快4m/s世界房建施工領域承載能力最高、面積最大、智能化程度最高的頂升鋼平臺4800t,1849tf,12個頂升支點全球地下室最深、層數(shù)最多的超高層建筑全球底座面積最大（6084mJ的超高層建筑15項國內(nèi)之最國內(nèi)第一個業(yè)主主導,采用EPC一體化管理模式的特大型開發(fā)工程國內(nèi)第一個采用雙總包施工管理的超高層建筑國內(nèi)超高層項目地下室層數(shù)最多：地下7層（局部設夾層）國內(nèi)室內(nèi)空氣品質(zhì)最優(yōu)的超高層建筑國內(nèi)高強度鋼材（Q390）用量最大、比例最高的建筑國內(nèi)民用建筑基坑深度最深：40m國內(nèi)底板混凝土一次性澆筑方量最大：5.6萬m3中國建筑師主創(chuàng)設計的最高建筑物國內(nèi)巨柱翼墻厚度之最,墻體厚度最大為2400mm國內(nèi)房建領域直徑1200mm旋挖鉆孔樁之最：有效樁長達54.6m國內(nèi)底板首次使用直徑40mm,HRB500級鋼筋，超過1.7萬