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全面解读528米北京第一高楼——“中国尊”大厦设计及施工

建筑结构 建筑结构

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项目概况

中国尊大厦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。中国尊将是继北京国贸三期A塔楼后北京规划设计并建造的最高建筑物。

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中国尊大厦效果图

建设单位: 中信和业投资有限公司

总体设计单位:北京市建筑设计研究院有限公司

合作设计单位:KPF(建筑)、ARUP(结构)

施工总承包单位:中建总公司与中建三局联合体

项目最新进展

2016年8月17日,全球首部超500米跃层电梯在中国尊大厦中正式投入使用。

针对全球超高层项目施工过程中普遍存在的垂直运输瓶颈问题,该项目采用了跃层电梯技术。该技术能使正式电梯在结构施工阶段提前使用,电梯机房是可自行爬升的临时机房,每次跳跃3至5层,即大厦结构核心筒每上升3至5个楼层,电梯机房就向上跳跃一次,大楼封顶且电梯机房完工后,将电梯曳引机控制柜等机房设备移至最终机房,更换相应部件后即可转换为正式电梯。 

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电梯运行速度由普通施工电梯的1m/s提升至4m/s,单台跃层电梯的乘客运力是同规格施工电梯的约12倍,服务楼层将随着土建结构增长而同步爬升,最大行程将达到500m,将是全球速度最快、行程最大的跃层电梯。相比常规电梯安装方法完工时间提前约120天。

5月13日开始电梯安装,8月7日安装调试完成,8月10日顺利通过政府部门(北京市特种设备检测中心)验收。

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电梯楼层按键密密麻麻

目前,中国尊大厦已施工至70层,高度达333米,正式超越国贸三期的330米,成为北京第一高楼。而距离其528米的总高度,还有38层的距离。接下来,还将以平均每3.5天完成一个结构层的速度“疯长”,预计2017年7月30日封顶,2018年10月竣工,2019年3月交付使用。

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隐身在云雾中的中国尊(中)

建筑方案创意

塔楼方案创意是从中国传统礼器“尊”的形体特征中汲取造型的灵感。经过抽象处理和比例优化,即保持了“尊”形突出独特的弧形效果,又形成了比例上的高雅和秀美。

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尊,古之礼器。意为敬奉,起时双手捧至顶,行顶天立地之势。所以以“中国尊”为北京第一高度建筑的寓意:建筑高耸直入云端,表现出顶天立地之势,与“尊”的表现不谋而合。而且以“尊”为建筑形态,也有别于北京超高层建筑常见的直线形态。

外形自下而上自然缩小,形成稳重大气的金融形象,同时顶部逐渐放大,享受独在云端的无限风光,最终形成中部略有收分的双曲线建筑造型,使这一建筑林立在CBD核心区的摩楼天群中也能明显体现出庄重的东方神韵。

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结构设计

结构体系及平面布置

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。

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结构体系

大楼平面基本为方形,底部尺寸约为78m×78m,在大楼的中上部平面尺寸略为收进,“腰线”最小部位约为结构标高为385m,平面尺寸为54m×54m,向上到顶部平面尺寸又略为放大,但顶部平面尺寸小于底部平面尺寸,约为69m×69m。

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几何尺寸

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结构典型平面布置图

巨柱

本项目的巨型柱均采用钢管混凝土柱,第0区为六边形的多腔钢管混凝土巨型柱,与天津高银117类似。以上各区基本上是矩形钢管混凝土柱,与台北101和深圳京基100大楼类似。钢管混凝土已经成为一种成熟的施工技术,与钢骨混凝土截面相比,具有不用模板、避免钢筋锚固的复杂性的优点,同时,钢管与巨型斜撑等钢构件的连接也较为方便,但需要注意的是需要保证内部混凝土的浇筑质量和组合结构受力的整体性。

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巨型框架周边结构空间关系示意图


巨柱截面示意

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巨型柱布置俯视图

塔冠

结合建筑造型要求,塔冠的结构设计形成“ 内尊” 的整体造型,塔冠建筑效果图及结构布置示意图如下。在结构分析时应用风洞试验提供的风压系数进行了抗风设计。考虑高阶振型的不利影响,对于主要塔冠构件的地震内力进行了放大调整。

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塔冠效果图及结构布置

巨型外框筒建筑-结构一体化设计

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下图。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。

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外完成面几何控制尺寸

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。

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°。

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巨型柱截面示意

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,仅选取典型区段进行介绍。

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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,而没有采用常规截面形式。

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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)。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。

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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,进而得到各层的幕墙分格点。

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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。

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截面生成原理

基础及地下室

地下6层(局部7 层),埋深约38m 塔楼采用桩筏基础,其下筏板厚度为6.5m,混凝土强度等级为C50 。为均匀分布巨型柱的巨大重力,结合建筑布局,在巨型柱双向设置了结构翼墙,塔楼基础平面布置示意如下 。

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塔楼基础结构平面布置示意

为提供足够的承载力并控制沉降,基础筏板下采用钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩径为1m和1.2m,桩端持力层为卵石/圆砾层,有效桩长为40m 和 45m,混凝土强度等级为C50,采用桩端桩侧后压浆,单桩承载力特征值分别为14500kN 和16000kN。

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1000mm、桩长40.1m);塔楼与纯地下室间过渡桩P3型(桩径1000mm、桩长26.1m,为边缘过渡桩),桩位布置如下。

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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,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下所示。

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%。

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桩筏共同工作示意图

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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曲线如下图所示。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。

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工程桩Q-s曲线

基坑施工动画

8'42''视频

项目之最

8项世界之最

  • 在8度抗震设防烈度区建造的世界最高建筑——528m

  • 全球超高层建筑中最高最大的室内观光平台(净高约18m,挑空3层的无柱空间,360°俯瞰北京城)

  • 世界最大截面的多腔体钢管混凝土巨型柱——64㎡

  • 双轿厢电梯(观光穿梭电梯OS-01~03)提升高度全球最大——508m

  • 施工用跃层电梯(TX-01)提升高度全球最高——514m,提升速度最快——4m/s

  • 世界房建施工领域承载能力最高、面积最大、智能化程度最高的顶升钢平台——4800t,1849㎡,12个顶升支点

  • 全球地下室最深、层数最多的超高层建筑

  • 全球底座面积最大(6084㎡)的超高层建筑

15项国内之最

  • 国内第一个业主主导,采用EPC一体化管理模式的特大型开发工程

  • 国内第一个采用双总包施工管理的超高层建筑

  • 国内超高层项目地下室层数最多:地下7层(局部设夹层)

  • 国内室内空气品质最优的超高层建筑

  • 国内高强度钢材(Q390)用量最大、比例最高的建筑

  • 国内民用建筑基坑深度最深:40m

  • 国内底板混凝土一次性浇筑方量最大:5.6万m3

  • 中国建筑师主创设计的最高建筑物

  • 国内巨柱翼墙厚度之最,墙体厚度最大为2400mm 

  • 国内房建领域直径1200mm旋挖钻孔桩之最:有效桩长达54.6m

  • 国内底板首次使用直径40mm,HRB500级钢筋,超过1.7万t

  • 国内最大内灌外包C70自密实混凝土多腔体巨型柱,单个巨柱截面面积约90m2

  • 国内第一个采用“临时/永久”结合消防水系统,实现临时消防与永久消防的无缝连接

  • 国内第一个利用PW协同平台,实现从业主、设计、监理、总包、各专业分包的全面协同的项目

  • 国内第一个利用BIM模型、三维扫描等技术辅助项目管理,从设计、施工到运维阶段全生命周期的项目

更多该项目设计详情见《建筑结构》杂志2014年20期(10月下)北京市建筑设计研究院有限公司专刊文章:

题目:《中国尊大厦外框筒建筑-结构一体化设计方法》;作者:齐五辉,宫贞超,常为华,杨蔚彪。

题目:《中国尊大厦桩筏协同作用计算与设计分析》;作者:孙宏伟,常为华,宫贞超,王媛。

2014年24期(12月下)奥雅纳工程顾问专刊文章:

题目:《北京CBD核心区Z15地块中国尊结构设计和研究》;作者:刘鹏,殷超,程煜,朱岩松,刘允博,吴海,李夏,杨名流,刘浩,李振兴。

题目:《结构参数化设计在北京CBD核心区Z15地块中国尊中的应用》;作者:程煜,刘鹏,Dorothee Citerne,刘允博,马超,殷超。

2015年18期(9月下)北京市建筑设计研究院有限公司专刊文章:

题目:《中国尊大厦内置钢板支撑混凝土剪力墙设计研究》;作者:齐五辉, 杨蔚彪, 常为华, 宫贞超, 田士川, 李华峰, 纪晓东。

题目:《中国尊大厦巨型柱分叉节点性能研究》;作者:杨蔚彪,宫贞超,常为华,田士川,韩林海,李威。

1条评论
JasonYang
JasonYang 2019-01-28 03:09:17 回复 0

真是中国建筑佳作!

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