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中国尊设计及施工详解

时间:2018-08-17  来源:中国景观网   编辑:fangfang   浏览:244次
中国尊由中国建筑承建,预计2018年10月会投入使用,中国尊将集甲级写字楼、会议、商业等多种配套服务功能于一体,中国尊建成之后将会成为北京的地标性建筑,同样还会成为北京经济发展的中心,将吸引国际金融机构、国际500强企业进驻。

“中国尊”的建筑设计方案在竞标中是以专家评审总分第一名的成绩脱颖而出。能够受到专家的如此青睐,不仅在于建筑形态的大气之美,符合中国人传统的审美观,同时又不失时尚之气,因此被很多专家高度评价为是极具中国审美、又体现出世界潮流的当代建筑风格。中国尊在北京的第一高不光是在物理高度上,更多的是灵魂上的各种第一高!

中国尊位于北京市朝阳区CBD核心区,总建筑高度528米,地上108层,建筑面积35万平方米;地下7层,建筑面积8.7万平方米,基础埋深约37.8米,建成之后将成为北京第一高楼,成为国内也是世界上8度抗震区的最高建筑。

结构设计

1 工程概况

北京中央商务区核心区的标志性超高层建筑项目——中国尊大厦。工程场地位于北京市朝阳区东三环北京商务中心区(CBD)核心区Z15地块,建筑面积约43.7万m2(地上约35万m2,地下约8.7万m2)。主要建筑功能为办公、观光和商业。该塔楼地上108层,地下7层(局部设夹层),建筑高度528m,外轮廓尺寸从底部的78m×78m向上渐收紧至54m×54m,再向上渐放大至顶部的59m×59m,似古代酒器“樽”而得名,形似花瓶的“中国尊”在2018年建成后将成为北京最高的建筑,并将成为最著名的城市地标性建筑之一。

这座由中国建筑师设计的摩天大楼与典型的直线或尖锥形式的超高层建筑不同,呈现出中部内凹的轮廓,提供了更多有价值的主体使用空间。塔楼硕大的顶部为结构带来了严峻的挑战,更大的基座使得结构能够平衡,也使核心筒到建筑外围的距离更大。

中国尊大厦

图1 中国尊大厦

本工程主要结构体系由外框筒和核心筒组成,其中外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架组成。巨型柱位于塔楼角部,贯通至结构顶部,并在各区段分别与转换桁架、巨型斜撑连接。巨型柱底部截面形状为多边形,中部及上部为矩形,采用多腔钢管混凝土柱。在设备层及避难层共设置8道转换桁架,其杆件截面采用焊接箱形截面。巨型斜撑沿各区外皮设置,也为焊接箱形截面。次框架包括重力柱和外环梁,均为焊接H形截面,其仅承担本区重力荷载,不参与整体抗侧。

2 巨型外框筒建筑-结构一体化设计

2.1 巨型外框筒几何控制面的生成

中国尊大厦外轮廓的水平截面形状为倒圆角的正方形,并沿着高度平滑收放,其外完成面几何控制尺寸见图2。巨型外框筒的外控制面采用分段折面的形式,既可以较好控制巨型外框筒与建筑外完成面的距离,又可降低结构自身的加工难度。

外完成面几何控制尺寸

图2 外完成面几何控制尺寸

2.2 巨型柱外轮廓的生成

巨型柱从基础顶面(-31.3m)至106层(503.2m)的截面形式根据一定的规则进行变化,其具有三种截面形式:1)7层以下(-31.3~43.15m)为4根八边形截面,截面面积约为63.9m2;2)7~19层(43.15~98.65m)为8根六边形截面,截面面积约为19.5~21.3m2;3)19~106层(98.65~503.2m)为8根矩形截面,截面面积约为19.2~2.56m2。巨型柱共设置12个控制转折标高,具体见表1。

为使结构受力最优,要求12个控制转折标高位置对应的巨型柱截面形心都位于竖直面γ内,此面与水平或竖直夹角为27°,如图3所示。

巨型柱截面示意

图3 巨型柱截面示意

综合巨型柱12个控制转折标高位置截面形心共于竖直面γ内、角点(P,P′点)连续、每层巨型柱角点与外完成面的距离不小于500mm(底部为1200mm)等3个条件,最终确定巨型柱的几何定位。其俯视定位图如图4所示。

巨型柱俯视定位图

图4 巨型柱俯视定位图

2.3 转换桁架、巨型斜撑及次框架的生成

在确定外框筒外控制面及巨型柱外轮廓后,可以确定转换桁架、巨型斜撑及次框架等定位。此处控制的目的是各构件之间的连接要做到平齐对接,避免出现错边,并且方便加工和安装。整个塔楼由8道转换桁架分成了9个区段,每个区段生成的规则是一致的,不同的只是巨型柱倾斜的程度,本节仅选取典型区段进行介绍,如图5所示。

外框筒典型区段示意

图5 外框筒典型区段示意

转换桁架、巨型斜撑及次框架的外皮均与外框筒外控制面平齐。转换桁架弦杆、巨型斜撑等构件与巨型柱连接位置均需要设置水平加劲肋,且结合与巨型柱转折标高位置的关系,转换桁架弦杆的截面形式控制为平行四边形截面(图6(a)),而没有采用常规截面形式(图6(b))。

转换桁架截面生成方案

图6 转换桁架截面生成方案

例如截面尺寸为800×700,表示截面垂直高度为800mm,沿水平向宽度为700mm,此截面定义规则可认为由相距800mm的一对水平面和平行于巨型柱外控制面、水平距离(非垂直距离,下同)为700mm的一对斜面,所围区域作为弦杆轮廓尺寸。

转换桁架腹杆的截面定义规则也参照弦杆的截面定义规则,例如截面为900×700的斜腹杆,由相距900mm平行于腹杆轴线,且都垂直于竖直面的一对斜面和平行于巨型柱外完成面、水平距离为700mm的另一对斜面,所围区域作为斜腹杆轮廓尺寸。角部桁架弦杆与腹杆的生成规则与转换桁架的生成规则也基本一致。

巨型斜撑的生成规则与转换桁架腹杆的生成规则类似。略有不同的是转换桁架的斜腹杆、弦杆与巨型斜撑轴线交点标高与外框筒转折标高不在同一标高(相差半个弦杆高)(图7)。为避开上述问题,巨型斜撑截面生成方案按如下方案进行:例如1 600×900截面,取平行于巨型斜撑轴线、相距1 600mm且垂直于竖直面的一对斜面,和平行于下轮廓面、水平距离为900mm的一对斜面,所围区域作为巨型斜撑轮廓尺寸。

巨型斜撑节点定位示意

图7 巨型斜撑节点定位示意

次框架的空间定位主要以分析重力柱为主。重力柱的定位与幕墙玻璃分格对应,幕墙分格规则则是以外完成面为基础,按照加强层建筑完成面标高水平剖切出其对应的幕墙轮廓线,等分为128份(图8),进而得到各层的幕墙分格点。

重力柱中心线定位

图8 重力柱中心线定位

然后在外完成面每6个分格点取一格点再投影到转换桁架上弦、下弦中心线上。连接相邻两道转换桁架上、下弦的交点即为重力柱中心线定位,连接每道转换桁架上、下弦的交点即为转换桁架竖腹杆中心线定位。在确定重力柱轴线定位之后,以平行于轴向且垂直于竖直面的一对斜面与平行于外框筒外完成面的一对斜面所围区域作为重力柱外轮廓,重力柱采用焊接H形截面,以便施工。

整个外框筒结构构件的截面生成规则可以用如下模型进行形象说明:剪切刚度很小而弯曲刚度很大的结构,在一对水平力作用下,发生剪切变形之后的形状,作为中国尊大厦外框筒结构的构件截面的主要形式,而确定截面倾斜的程度主要依据各段外框筒外完成面的倾斜程度,如图9所示。

截面生成原理

图9 截面生成原理

3 桩筏基础设计

本工程基础形式为桩筏基础。桩筏体系可理解为是地基土-桩-筏板相互作用的一个有机整体。本工程桩基础设计使用年限为50年,耐久性100年;建筑桩基设计等级甲级,安全等级为一级;主要抗震性能目标为桩身强度满足中震弹性和大震不屈服要求。工程桩主要包括三种类型:位于核心筒和巨型柱下P1型(桩径1 200mm、桩长44.6m);塔楼下其他区域P2型(桩径1 000mm、桩长40.1m);塔楼与纯地下室间过渡桩P3型(桩径1 000mm、桩长26.1m,为边缘过渡桩),桩位布置见图10。

桩位布置

图10 桩位布置

工程桩P1和P2以第层卵石、圆砾为桩端持力层,要求进入持力层的深度不小于2.5m。纯地下室部分采用天然地基。所有工程桩均采用桩侧桩端组合后注浆工艺。

桩筏基础设计总体思路:考虑桩筏协同作用(图11),按变形控制条件合理选择桩端持力层,优化设计桩长、桩径和桩间距。桩基础结构设计计算应考虑上部结构、筏板基础和地基(桩与土)共同作用分析。经过反复比选,最终将超高层主塔楼与裙房之间的沉降后浇带予以取消,实现了桩筏基础设计的创新。桩与筏板基础联合变调平设计的构想与技术思路如图12所示。

数值分析得出的基底反力在主楼区域约为150kPa;上部结构传递到基础底面的平均压力值约1200kPa;桩间土承担的荷载约为总荷载的12.5%。

桩筏共同工作示意图

图11 桩筏共同工作示意图

桩与筏板联合变调平设计概化示意图

图12 桩与筏板联合变调平设计概化示意图

全部工程基桩施工完成以后,通过单桩静载荷试验进行了工程桩承载力检验,其Q-s曲线如图13所示。检测结果表明桩基施工质量良好,100%为Ⅰ类桩,为实现设计构想奠定了坚实的基础。目前已完成全部筏板混凝土浇筑施工。

工程桩Q-s曲线

图13 工程桩Q-s曲线

施工技术

中国尊——

按照最高抗震等级和安全标准设计的大楼

究竟是怎么施工的呢?中国尊的基坑深40m,刷新中国民用建筑基坑深度最深纪录;地下8层(7层和1个夹层),为中国民用建筑地下室层数最多;国内底板混凝土一次性浇筑方量最大,达5.6万m3 ;该项目是迄今为止中国建筑师主创设计的最高建筑物;也是世界首个在8度抗震区建造的超500m摩天大楼;项目所采用的智能顶升钢平台是世界房建施工领域面积最大、承载力最高、大型塔机一体化的超高层建筑施工集成平台。

1、底板施工技术

本工程大体积混凝土基础底板呈“凸”字形,中间区域厚6.5m,东西两侧厚2.5m,过渡区域厚4.5m。基坑东西约140米,南北约80米,占地面积11478平米,基础采用基础桩筏板加锚杆结构。底板施工前,通过BIM 技术,整体优化钢筋排布,并提前对桩头处、塔吊基础、集水坑等处节点进行优化,降低施工难度并减少钢筋浪费。底板大体积混凝土合理掺和I级粉煤灰混凝土,与普通混凝土相比,其具有改善混凝土性能、提高工程质量、延长水泥水化热释放时间等优势,利于防止大体积混凝土开裂。同时减少水泥用量,利用工业废料的同时降低环境污染。底板混凝土浇筑采用跳仓法。浇筑前,联合多家搅拌站对底板大体积混凝土浇筑进行详细规划,与政府及交通部门协商,合理规划场外交通。利用周边管廊布置泵管及场内交通线路,创新使用溜槽加串管组合的施工方法,连续浇筑93 小时一次性完成56000m3 底板超大体积混凝土的浇筑。整个浇筑过程无缝衔接,圆满完成,未对CBD 区域交通造成明显影响。

2、智能顶升钢平台的应用

为提高施工效率,满足工期要求,中国尊项目独创性地采用由中建三局自主研发的世界房建施工领域面积最大、承载力最高的第三代集成型智能模架体系。该平台具有高承载力、高适应性、智能综合监控三大特点,平台共有12 个支点,总体顶推力可达4800t。工人在安全可靠且相对封闭的操作层内施工,可同时进行4 层核心筒立面流水作业。另外,本项目还创新性将2 台大型动臂塔吊同平台一体化结合,使其随同钢平台顶升而同步爬升,有效化解了钢平台顶升与塔吊爬升的空间制约关系,该应用在世界范围内尚属首次。相比常规塔机安装方式,可减少塔机自爬升28 次,节省塔机爬升影响的工期约56 天,减少塔机预埋件400t。2015 年6 月15 日,经过专家组现场考察、课题组汇报答辩,专家组讨论,一致同意通过鉴定,认为中国尊项目钢平台技术成果整体达到国际领先水平。

3、信息化综合应用

在施工图设计阶段,结合BIM 模型,对设计院施工图纸进行审核优化。施工期间开展各专业深化设计工作,利用深化设计BIM 成果进行施工4D模拟、工程量提取、料单生成并预制加工。结合RFID 技术对构件的下料、运输、安装进行全过程追踪管理。BIM 深化设计成果生成轻量化模型,可通过移动设备在现场实时查看。另外是项目协同管理平台的使用。本工程全程使用Bentley Project Wise 作为数据协同管理平台(简称PW 平台),用于实施过程中各参与方协同工作,各参与方将相关的施工资料通过PW 平台进行传输与共享,确保项目信息及时有效地传递。

4、垂直运输体系构建

垂直交通主要布置在建筑物中心区并与结构内筒相结合,采用穿梭电梯和区间电梯相结合的运行模式,通过首层大堂及空中大堂把人流高效快捷地输送到指定楼层。同时还配套设置后勤电梯VIP 专用电梯、车库电梯等进行交通分流。在首层大堂、会议中心、空中大堂及观光交通转换区,根据人行路线需要设置相应的自动扶梯,快速高效地完成人流转换。

本工程垂直运输选用4 台大型动臂塔吊,12 部施工电梯(其中2 台可上顶升钢平台)。同时提前使用14 部正式电梯,主要配合施工电梯用于机电、装修材料及人员运输。其中,在世界范围内超高层建筑项目施工过程中首次应用了4 部跃层电梯(jumplift),其在结构施工过程中作为施工临时电梯及消防应急电梯,主要用于劳动力的垂直转运,结构封顶且电梯机房完工后可立即转换为正式电梯。跃层电梯的使用一方面有效提升了施工阶段人员的垂直运力,另一方面也极大地缩减了常规正式电梯所应投入的安装工期。

5、正式消防系统临时使用

本工程临时消防系统18 层以上部分的管道和水箱均采用正式消防系统,最大程度减少了临时消防系统管道和水箱的拆除及相关工作内容,确保消防给水的扬程,节约材料,缩短工期。

根据建筑造型及功能布局,对使用空间进行合理的防火分区及针对性的防火处理。配套安装主动探测、灭火、报警等设备,设立消防控制室,对楼宇的消防设备和人员疏散进行控制,并与核心区的消防控制系统预留连通条件,以构建消防安全综合监管体系,强化火灾状态下的自救能力。

中国尊机电总承包项目部以施工图为蓝本,根据项目建设实际需要,制定出了全国首创的“临时/永久结合”消防系统实施方案,具体特点和技术有:高压消防系统;“临时/永久结合”消防系统实施范围;“临时/永久结合”消防系统的转换;临时消防泵与正式消防泵的转换;消防水箱;消防系统BIM技术。

施工重点难点:1.少就是多的装饰原则;2.内框筒悬空消火栓立管安装;3.内框筒悬空消火栓立管安装

6、绿色施工技术应用

在绿色施工方面,项目做了积极探索。

一是施工过程水回收利用,在钢平台下部东侧设置集水箱,利用地下室四周设置的降水井,重复利用地下室的水,分别用于混凝土养护、消防用水、路面冲洗、厕所冲洗等。

二是在土方开挖阶段,设置洗车池,并安装了循环水洗车设备,水经沉淀、过滤循环再利用,现场设备、机具也使用此循环用水装置,既保持了城市道路的清洁也提高了水的使用率。地上工程施工阶段,东西侧设置洗车槽,污水排至三级沉淀池,重复使用。

三是地上结构施工阶段,每隔3 层设置临时厕所,利用排污管道排至正式工程的化粪池,保证良好的施工环境。

四是采用太阳能与建筑一体化应用技术,本工程屋顶将敷设太阳能光电设施,合理利用可再生资源。此外,在场地平面组织管理方面,结合本工程实际情况,项目采取了具体措施。本工程场区极为狭小,建筑物外边线紧邻场地红线,且受紧邻地块的施工影响,施工平面组织与管理难度极大。在土方及桩基施工阶段,通过协调西侧管廊施工单位预留通道口,合理高效地安排土方开挖及外运。在地下室结构施工阶段,协调CBD 管委会及北管廊承建单位,在基坑北侧搭建长130m、宽20m、高27m 的临时钢平台,作为物资运输通道,钢构件、钢筋堆场和大型机械作业平台。在地上结构施工阶段,在东西两侧纯地下室区域顶板搭设钢平台作为构件卸料场地及其它材料周转场地。同时对地下3 层以上各层进行综合利用,作为安全通道、临时办公、工人就餐、库房等场地。

开工建设

中国尊重大工程进度回顾

2010年12月21日,中国尊Z15地块成交;

2013年7月,中国尊正式开工;

2014年5月15日,地下室施工正式揭幕;

2015年10月11日,地下室核心筒率先封顶;

2015年10月27日,巨柱及外框全部施工安装完成,钢结构施工冲出地面;

2015年9月结构高度突破100米;

2016年3月突破200米;

2016年8月18日突破300米;

2016年11月9日突破400米;

2017年6月突破500米

2017年8月21日,结构全面封顶!

以下为建设过程实拍:

▲2011年9月19日“中国尊”项目启动仪式。

▲2012年9月起开始打入地下桩。2013年7月29日开工建设。

▲基础底板混凝土浇筑。

▲2014年4月27日,中国尊大厦的超厚大体积基础底板混凝土浇筑正式完成。

中国尊大厦基坑深度38米,局部达到40米,是中国未见、全球罕见的超深民用建筑基坑,创中国超高层建筑基坑深度之最。其基础底板东西长136米、南北宽84米。底板浇筑总共分三次进行,总体积达到6.2万立方米,约相当于30个标准游泳池的容量。其中塔楼区、过渡区底板厚度分别为6.5米、4.5米,一次性浇筑混凝土5.6万立方米,成为北京市一次性混凝土浇筑的最大底板。为实现不间断浇筑,项目动用200台混凝土罐车、组织2000余名建设者共同参加会战。底板的浇筑完成与下部896根基础桩形成坚实有力的基础,共同托起未来拔地凌空的528米高摩天大楼。

如此罕见的基坑深度、筏板厚度和一次性浇筑的超大体量,再加上北京CBD核心区复杂的交通现状,对浇筑部署和交通疏导均是一个巨大的挑战。考虑到交通影响浇筑,为保证运输效率,“中国尊”大厦项目部给每家混凝土供应商制定了一条运输路线和一条备用路线,同时设立7个距离工地半径不足一公里的“压车区”,一方面缓解作业面车辆积压的问题,另一方面也避免了因堵车造成混凝土不能及时运抵的问题。经过多方论证,编制了严密的交通组织方案,尽最大可能减少对路面交通的影响,创造性地使用了“串管加溜槽”的施工方法,在施工场地非常狭小的情况下最大限度地提高了混凝土的输送效率,在93小时连续浇筑期间,实现了交通零事故、零投诉,浇筑一次成优,创造了北京建筑业的新奇迹。

▲2014年5月15日,中国尊大厦钢结构工程施工全面启动。

中国尊大厦地下室为巨型框架+混凝土核心筒(型钢柱+钢板剪力墙)结构体系,共8层,建筑面积8.7万平方米,4根平面尺寸为34.39米×32.79米巨型钢柱,固定在近5.6万立方米,厚6.5米的巨大混凝土底板之上,与翼墙、核心筒钢板墙等共1.35万吨钢构件一起,筑成中国尊钢结构主楼的坚实根基,共同托起拔地凌空的528米中国尊大厦。

超长超重构件多,吊装测量难度大;构件板厚种类多、不同材质相互焊接,坡口形式、焊接种类多、量大;高空横焊缝、立焊缝多;工期紧、场地狭窄;土建结构与钢结构交叉点多,管理、协调量大,施工难度空前。

自2013年前开工以来,中国尊连续创下了一系列首都建筑业新纪录,先后完成了896根工程桩施工;地下40米深坑的土方作业;在连续93小时内完成了创造北京乃至全国纪录的5.6万立方米大体积底板混凝土浇筑;2014年12月10日实现了地下室全面封顶。

▲2014年10月建设现场。

▲千名工人进行钢筋绑扎劳动竞赛。

中国尊建设者创造性地在-38米的坑下搭建起了一座东西长138米、宽20米、高27米的钢结构平台,打破了施工零场地的困局,先后完成了896根工程桩施工、20000多吨钢筋绑扎作业。

▲2014年12月10日,中国尊项目地下结构冲出地平面,实现全面封顶,并开始上部工程施工。

▲2015年3月中国尊大厦项目主塔楼智能顶升钢平台体系安装完成。该体系为世界房建施工领域最重、面积最大、承载力最高、世界首次与大型塔吊一体化结合的钢平台体系。

▲2015年9月14日零时30分,随着19.04吨重的第24节3GBQ—3钢板墙构件在大厦西南角缓缓落入指定区域,准确就位,智能顶升钢平台将核心筒钢板墙从97.7米顶升至102.1米。中国尊主塔楼施工顺利突破一百米大关。

▲2015年9月28日中国尊结构高度突破100米。

▲2016年3月31日,随着第40层核心筒墙体混凝土浇筑完成,北京第一高楼—中国尊项目结构高度突破200米大关。

▲利用钢平台封闭的立体空间,中国尊项目在不同作业层形成流水,同步进行钢结构吊装、焊接、钢筋绑扎、模板支设、混凝土浇筑、预留预埋等施工工序,固化各项工序插入及完成时间,使核心筒各项施工工序操作规范、简便,工作面移交控制,将平台空间打造成工厂流水线,提升核心筒施工现场工业化程度,使得核心筒施工节拍稳定在5-6天一层。

▲全球首部超500米跃层电梯正式在中国尊启用。是全球速度最快、行程最大的跃层电梯。

▲2016年8月18日,北京第一高楼——中国尊施工至第70层,结构高度达到333米,超过北京国贸三期,登顶北京第一高度。距离其528米的总高度还有38层的距离。

▲“中国尊”计划2018年10月竣工,到2019年3月交付使用。中国尊建成后,将成为北京第一高楼,并成为世界上第一栋在抗震设防烈度8度区建造的500米以上的摩天大厦。

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