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震撼的摩天大楼——三个独特的结构挑战.pdf

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震撼的摩天大楼——三个独特的结构挑战.pdf
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2特 别 报 道我要介绍的是在中国已建成或正在建的三个项目的结构设计——中央电视台新址大楼、深圳证券交易所和台北表演艺术中心。三个建筑均由工程咨询方奥雅纳 (Arup) 和大都会建筑事务所(OMA)合作设计,每个项目的设计都是独一无二的,已经成为当地的地标性建筑,重塑了各自所在城市的天际轮廓线。1 中央电视台新总部大楼可以说,中央电视台新总部大楼(以下简称央视大楼)真正地重新定义了高层建筑的形式。央视大楼与众不同的外形给结构设计带来巨大的挑战,尤其是在高烈度区抗震设防要求的情况下。主要的钢结构斜撑位于大楼外立面,其疏密根据大楼不同位置所承受的不同应力而有所不同。由此大众能够通过大楼幕墙呈现出的图案“看”到整栋大楼的应力流动。同时,倾斜的外立面和大型的演播室的不同使用功能需求,也给工程设计带来了挑战,使得整个塔楼需要大量的转换桁架。另外项目需要通过超限高层建筑抗震设防专项审查(EPR),奥雅纳对大楼采用基于性能的设计方法来对其结构特性进行评估。还有一个结构工程师与工程承包商面临的更大挑战,就是如何建造并连接两座塔楼。1.1 建筑概念央视大楼位于北京的 CBD 区域,建筑面积 470 000m2。OMA 的设计成功地把所有功能安置在一座建筑内——一个“把各项活动互相连接在一起的循环”(图 1)。234m 高的大楼外形像是一个三维连续弯折的循环,内部包含整个电视制作过程所需的新闻、广播、演播室、行政办公区及公共区域。大楼的两栋塔楼以 10°倾斜、13 层楼高的悬臂在 162m 的高空处连接,底部则是 10 层楼的裙房与 3 层地下室。公共设施包含一个剧院、酒店及电视文化中心(TVCC),整个建筑群通过一个专门的服务楼提供全部楼宇设备服务。整个项目在包含外部功能媒体园的187 000m2场地上进行开发,总建筑面积 599 000m2。在设计竞赛阶段,设计团队一直在进行广泛的设计探索和建筑外形的完善,以及详细的可行性研究,以确定设计概念的可实施性(图 2)。震撼的摩天大楼——三个独特的结构挑战Chas Pope/ 朴才思奥雅纳联席董事代表作品:中央电视台新总部、深圳证券交易所、北京环球金融中心、台北艺术中心等。图1 显示不同建筑块分布的建筑概念:互通的循环图2 设计竞赛阶段建筑外观的发展过程3特 别 报 道图3 央视大楼的连续循环结构 图4 均布的斜撑布置1.2 结构体系从一开始,项目就确定在整个幕墙面上布置结构体系,创造了一个本质上是连续外筒的结构体系,用于抵抗弯折且倾斜的外形产生的巨大弯矩以及风荷载与极端地震荷载。通过在幕墙各个面布满斜撑而形成“筒”(图 3),使得斜撑的平面是连续分布的。施工期间,斜撑筒体结构为倾斜的塔楼提供足够的刚度,使两塔楼在连接并相互支撑前都能在严格的允许误差范围内安全地施工。此结构亦适合悬臂部分的建造,容许两个半截的悬臂部分在连接前分别临时悬挑于两塔楼之上。除了外部部分柱由于荷载较大的原因而使用了型钢混凝土柱外,大楼内所有的结构支撑构件都为钢结构构件。筒体的初始设计是以柱、周边圈梁和斜撑有规律地组成两层楼高的典型模块化组件(图 4)。之所以选择这种方案,是为了适应塔楼内若干处于二层高的演播室。然而初步分析结果显示,大楼斜撑的受力在结构的不同位置变化相当大,特别是集中于悬臂的根部以及与基座连接的部分。因此在优化过程中,根据设计所需的强度和刚度,以地震分析为准,通过增加或减少斜撑而变化(如翻倍或减半布置斜撑)。该过程中始终与建筑师保持着紧密的合作,因为斜撑的布置决定着外立面是否美观。优化工作亦在一定程度上使斜撑构件截面尺寸标准化(图 5,6)。内部结构是由核心筒周围竖向钢柱支撑的,核心筒内设有电梯和机电竖井。最初设计曾考虑使用倾斜的核心筒,以配合倾斜的塔楼,并使楼板布置保持一致。然而该方案由于电梯系统采购问题的限制等种种原因而被排除。倾斜的外立面和内部垂直的核心筒,使得建筑每层楼面布置不同,楼板与核心筒或内部钢柱间的跨度在每个楼层都在变化。随着楼层升高,在向外倾斜的一侧楼板跨度逐渐增加,进图5 斜撑布置图 图6 最终斜撑布置展开图4特 别 报 道而逐渐增加的梁高对建筑净高产生影响,为此在高区附加了柱,并由转换桁架支承(图 7)。整栋大楼共需要 50 组桁架,这些两层高的桁架横跨内部核心筒与外部筒体结构(图 8)。结构团队与 MEP 团队进行合作,协调机电层桁架的可行位置,从而使桁架视觉上较为隐藏并使其对楼层的使用影响最小化。悬臂部分中的楼层由布置在标准柱网上的柱支承,这些柱支承在底部两层桁架上,转换桁架在两个方向上连接于两个塔楼的外筒上。该两层楼用于公共使用,其中包括一个空中的观景大厅(图9)。主要的转换桁架也位于大楼的基座(裙房)部分,这些桁架横跨主要的演播室上空,用于支承上层的柱和楼面。1.3 电视文化中
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