钢结构写字楼领域的“百科全书”

2005年年末,一篇题为《吊桥轻盈时尚;钢索犹如天成:北京凯晨广场钢结构设计攻克三大难关》的文章见诸于《建筑时报》等诸多建筑行业专业报刊,并在各专业网站上广为转载。文章对凯晨广场中庭部分钢结构设计采用高新技术攻克三大技术难关进行了报道。

                            时隔半年,喜讯再度传来,2006年6月,在人民大会堂举行的中国建筑钢结构行业大会上,由中国建筑工程总公司承建安装的凯晨广场钢结构工程荣获2005年度中国钢结构行业**高奖项——钢结构金奖。

                            如果说报道文章体现了建筑设计领域业内人士对凯晨广场“钢结构设计”的高技术含量、高创新度给予的高度肯定;钢结构金奖则代表了国家权威机构对“凯晨广场钢结构工程施工”的高难度、高质量的权威性认可。那么,使众多业内权威青眼有加的凯晨钢结构到底魅力何在?

                包罗万象的凯晨钢结构                             钢结构凭借其抗震性能优良、施工周期短、可实现产业化生产、钢材再利用等优点在国外早已得到广泛应用。而在我国,钢结构还是一个新兴的产业,20世纪80年代末,开始在建设领域逐步推广。钢结构通常应用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大震动、要求能活动或经常装拆的结构。

                凯晨广场是由美国**设计师Adrain             D·Smith先生(SOM公司首席设计师)倾情设计的,考虑到地块限高、退后等种种因素,凯晨广场的结构形式比较复杂,其东西长162米,南北宽81米;地下4层、地上14层,建筑总高度57.1米;地上三座塔式写字楼,在不同高度上设置的全钢连桥将三栋楼连成一体;三座塔楼之间为两个高57米、宽27米、长63米,总体量为17万立方米的挑空中庭,中庭之中还有采光屋顶、悬挑小岛、斜拉索吊桥、VIP电梯等结构形式,完全属于高层、大跨度、体型复杂的情况。

                            综合考虑立面效果、稳定、防震、层高、设备等因素,凯晨广场**终选定框架─剪力墙结构体系,同时大量采用多种技术和形式的钢结构,成为钢与混凝土组成的混合结构体系,保证设计师的设计理念得以实现,同时也成就了凯晨广场钢结构百科全书的称号。

                凯晨广场钢结构总吨位为5200多吨,总造价6000多万人民币。主要构成部分有:                 1.3个塔楼的型钢混凝土结构;                 2.3--5层、9--14层的连接体(连桥),采用钢结构空腹　架,同时设置劲性柱、梁,承担大部分风荷载及地震荷载产生的水平力;                 3.中庭采光屋顶,采用张弦梁结构,属于典型的高层大跨度钢结构;                 4.中庭悬挑小岛,采用钢挑梁结构;                 5.中庭斜拉索不锈钢玻璃吊桥,采用不锈钢预应力斜拉桥结构;                 6.VIP电梯钢结构以及四个入口处的钢雨棚。             上述六项钢结构中,除了**项外,都集中在两个挑高中庭里,这五项又可以分为两类,一类是具备使用功能的,如6个悬挑岛和4个大型钢连桥,未来建成后,都是可以供客户在其中办公的;另一类主要是起装饰作用,同时具备一定的实用性:如VIP电梯的外围结构、人行索桥、采光屋顶(屋顶张弦梁结构)。

                            凯晨广场的钢结构不仅种类繁多,所采用的技术也引领当前水平之先。其中,中国**家室内中庭人行索桥;写字楼里非常少见,跨度27米的采光屋顶张弦梁结构;总重约2700吨钢连桥在设计和施工方面都很有挑战性,也是凯晨广场之所以获得国家钢结构金奖的关键。

                中国**家写字楼室内索桥                             凯晨广场两中庭各在4层的位置设一座人行索桥。索桥主体为钢结构,桥身由钢化玻璃制成,12根不锈钢预应力拉索分布在桥身四周保证桥身的牢固和稳定。

                            在写字楼里设置索桥,凯晨广场不但是国内**家,在国际上也是屈指可数的,很多问题设计师们都是**次碰到。凯晨人行索桥的特点是轻盈、纤巧,其宽度为4米,跨度达27米,但梁高度只有40厘米。梁高小、跨度大、自重轻,使得桥身钢度小、柔性大,修建这样一座索桥,还要求可以在上面行走、活动,这可不是件轻巧的事情。

                            **要解决的是索桥的连接问题。索桥除了承受自身重量等恒载外,还有来往行人等活载及地震等随机荷载。其中地震等动载对连接端将有较大影响,这些都是关系到人的安全的重要问题,因此也是设计者在设计过程中**为关心的问题。前不久,河北文安的5.1级地震让北京也跟着体验了一把,人们纷纷关心起了地震的问题。北京作为首都,在《建筑抗震设计规范》中规定建筑物的抗震设防烈度为8度,设计基本加速度值为0.2g,足以抵挡6级地震,一般情况下无需担心,不过,设计师们在进行建筑结构设计时却要对这个问题加以充分的考虑。特别是凯晨这样由连桥、索桥相连接,结构上不完全对称的复杂高层建筑物,在地震作用下连桥两端建筑所产生的振动不完全一致,那么如何保证桥体在地震中的稳定,如何减少地震产生的随机振动对桥身端部与楼体连接处的影响,从而减轻对楼体和桥体的损害呢?经过研究讨论,设计师们决定将桥的一端设计成为可活动的,并预留出活动空间,当遇到轻微振动时,可以通过桥身的滑动来形成缓冲,起到减振作用。同时,为了让桥身能够真正的动起来,设计师们还在接口处涂上了特殊的泰伏隆涂料,有效地起到了润滑作用。

                            “地震”的震听起来可怕,其实在实际的使用中,并没有“震动”的震对索桥的使用和维护影响大。这里的“震动”是指人在索桥上行动时所带来的“活荷载”。下面这个故事,想必大家都很熟悉:二百年前,不可一世的拿破仑率领法国军队入侵西班牙,部队行军经过一座铁链悬桥时,随着军官雄壮的口令,队伍跨着整齐的步伐走向对岸。正在这时,轰隆一声巨响,大桥坍塌,士兵军官纷纷落水......这是真实发生的历史事件还是趣闻轶说姑且不论,这则故事揭示出的共振的巨大威力却是在建筑工程中不可忽视的。

                            人行索桥轻盈柔韧的结构特点决定了其共振频率低、易共振的特点。为了确保万无一失,设计师们设想了各种各样可能发生的情况,比如行人在桥面以各种速度走动的频率、跑动的频率......;同时为了保证桥身的稳定,还要考虑行人都集中在桥身一侧时会产生的影响等情况。设计师们**对全楼进行了钢结构建模,历时数月在电脑上搭建起了一座模拟凯晨,进行了大量的模拟计算,计算出在各种情况下桥身的受力情况,得出一个合理的值。那么如何实现这个值呢?索桥两侧的12根预应力拉索此时就派上了用场。通过对拉索角度的设定,以及对拉索长度的调节,使其共同构成了一个复杂的预应力系统,合理地分配了桥身的受力,同时将桥身的频率调节到一个合理的范围,保证人员活动时的舒适性。同时,拉索的一端设计成为可调节端,在日后的使用过程中,可以通过定期监测,跟据桥体受力的变化,对拉索的长度进行微调。

                            落成后的人行索桥,不仅能让楼内的办公人员行走、休息、欣赏中庭内外的风景,更有着极高的观赏价值。索桥桥体完全由玻璃制成,12根不锈钢预应力拉索在桥的两侧舒展开来,如同一只婷婷于光影中的玉蜻蜓。由透明玻璃构成的桥身构成了它轻盈的躯干,天桥两侧12根不锈钢预应力拉索则织构成一副晶莹灵动的膜翼,在阳光的耀动下熠熠生辉。站在中庭里看天桥,桥是庭中一景;对于置身桥上的人,中庭里的种种则成了桥外的风景。将功能美和造型美紧密结合,将建筑的实用价值和观赏价值相结合,使建筑成为可以给人带来审美享受的工艺品,是凯晨广场开发者、设计者和建造者共同努力的方向。

                写字楼里少见的双向张弦梁                             前不久的电视节目中,看到记者在采访正在建设中的国家体育馆的工程人员,一下子发现了前几个月一直忙碌在凯晨工程现场的秦杰博士。秦博士研究的方向是张弦梁结构,这种技术一般应用在大型会展中心、体育馆、机场等大跨度空间,在写字楼里的非常少见,而在凯晨跨度27米的采光屋顶设计中,张弦梁技术也找到了用武之地。张弦梁属于柔性空间结构中的弦支结构,是由上弦梁、下弦索和竖腹杆组成的索杆梁结构体系。通过对下弦的张拉,竖腹杆的轴压力使上弦梁产生与外荷载作用相反的内力和变位。施加在抗拉构件的预应力使压弯构件产生反挠度,结构在荷载作用下的**终挠度得以减少;撑杆对压弯构件提供向上的支承力,抵消掉部分由使用荷载产生的弯矩,改善压弯构件的受力性能;压弯构件为拱梁,抗拉构件承受拱梁的水平推力,减轻拱对支座产生的负担,减少滑动支座的水平位移。总之,张弦梁结构使压弯构件和抗拉构件取长补短,协同工作,其目的在于使每种构件都尽可能发挥材料的作用,是大跨度空间结构中典型的刚柔结合的杂交体系。

                            在张弦梁的设计应用中,计算上弦梁挠度的大小、下弦索上需要施加的预应力的大小是两个必要步骤,决定着结构的稳定性和材料的使用寿命。在计算稳定性的过程中,设计师们遇到了问题。经过计算,矢高在1.5-2.0米左右才能保证梁的稳定性,但由于凯晨广场地处长安街,必须严格遵守长安街两侧建筑限高规定,因此,矢高必须限定在50公分以内,这一点是在初步设计的时候没有考虑到的。**后,设计师采用了双向张弦梁,在原有东西向预应力拉索的基础上,添加了5道南北向跨度9米的稳定索,既降低了挠高,又保证了结构的稳定,成功地解决了这个难题。

                            计算上通过了,如何施工又成了一个问题。虽然应用了预应力,使梁的自重大大减轻,但是单片张弦梁的重量还是超出了塔吊的吊重范围。如何能将5吨多重的钢梁成功装到屋顶的指定位置呢?按照传统的在中庭内从一层到顶层搭脚手架的施工方法,需要大量的钢材,增加了施工成本,更重要的是,会使作业面加大,直接影响施工进度。经过讨论研究,结合凯晨的实际情况,总包单位“中建总”的工程师们决定采用“滑移法”进行施工。施工人员**在十四层连桥两端安装起重设备——摇头把杆,并在其支座位置铺设经过打磨润滑处理的角钢滑道,通过吊装滑移的方式,成功地将27米长的钢梁安装到了指定的位置。

                2700吨的连桥安装,不到2毫米的误差                             修建凯晨这样的楼,对于精度有很高的要求,有很多工作需要在计算机机房里完成,还有很多工作需要在加工车间里的机床上完成。北京设计院徐斌工程师的一句话,给我们留下了非常深的印象:“凯晨,是用机械加工原理修建出的土建工程”。

                            凯晨的三个塔楼之间从四层至六层、九层之十四层分别设置了行走式钢连桥,连桥两端与劲性结构牛腿连接。连接节点采用腹板为高强螺栓连接,上下翼缘板全熔透对接焊,采用“先栓后焊”。连桥钢结构连桥主梁和次梁及连桥柱三个部分组成。四个钢连桥总重约2700吨。钢连桥的安装工艺是凯晨钢结构安装的重点与难点之一。

                            为此,工程师们组织专业技术人员讨论连桥的安装方法和安装程序,根据钢连桥的特点,采取逐次将连桥主梁与牛腿连接形成钢性框架单元的安装方法。具体安装步骤为:连桥主梁安装→连桥次梁安装→连桥柱安装→压型钢板安装及楼承板砼浇注。**,在主梁下面安装支撑架,支撑架一般采用H型钢制作,保证支撑系统的稳定性和安全性,然后进行主梁的拼接,拼接节点采用腹板为高强螺栓连接,上下翼缘板全熔透对接焊,并预先考虑起拱。在完成连桥主梁地面拼接后,将连桥主梁与牛腿按设计要求进行螺栓连接。

                            这种高空拼接的方式对精度的要求非常高,试想要将一根长度为27米的钢梁的两端,放入预留好的螺孔中,允许的误差范围是——2毫米。前期的测量工作和构件的设计加工是保证现场安装一次到位的关键。

                            负责凯晨钢结构构件加工的是上海中远川崎工程机构有限公司,承接过广州白云机场、越南国家中央体育场......等等大型公程的钢结构加工项目,拥有目前国际**为先进的钢结构加工工艺和加工设备。由于构件的质量和加工精度,直接决定了现场的施工,凯晨各个部门的同事对此都非常重视,设计单位、总包单位、监理单位、深化设计单位和甲方单位的负责人员3次前往上海的加工车间,进行设计交底、现场验收、提出需要改进的问题,保证了构件加工的质量和精度,为现场施工的顺利进行奠定了基础。

                            如果说连桥主次、梁构件的精密加工是为了保证其实用性,对凯晨2部VIP电梯外围钢结构的加工,更多是美观上的要求。凯晨广场直达总裁行政层的VIP**梯是北京高档写字楼中**家观光梯,既然是观光梯,本身的美观自然是不能马虎。凯晨VIP电梯的钢结构难在其高、其纤细,对钢结构的垂直度和精度提出了很高的要求,任何一处的扭曲和错位都将是不可挽回的缺憾。加工单位为凯晨专门设计制作了胚模,有效地保证了构件成型统一,为现场的拼装、安装奠定了基础。

                            **的设计、**的施工方案、**好的材料和设备、**好的构件加工......可以说是万事俱备只欠“现场施工”这阵东风了。不过这阵东风可不是掐指一算,羽扇一挥就可以翩然而至的,需要的是现场实打实的精工细作。以在钢结构工程施工中非常重要的焊接为例。良好的焊接质量需要先进的焊接设备、齐备的焊材、合格的操作环境作为客观保证,还要选择不同焊接部位应选用的不同焊接工艺,为了说明对焊接质量的严格要求,工程师们举了个例子,一般在将两个垂直的构建焊接在一起时,多余的焊材会自然形成一个坡面,而在VIP电梯外围钢结构的焊接中,为了保证美观,要求保证焊接接缝处呈直角,这在焊缝的预留和焊接工艺上都具有相当的难度,为此,工程总包单位专门聘用获得过国家资格认证的焊工进行焊接工作,保证对重点部位进行超声波“焊缝探伤”一次通过。在凯晨的工地现场这样的精工细作之处还有很多。

                            一幢建筑给人的**感觉是立面效果及材料等一些宏观因素,但这些因素都是由许多的细部节点组合而成的,每一个细部设计不仅在结构上确保了建筑的整体性,同样也是建筑者设计理念的载体,是极具象征意义的。或许正如Stuart             Silk             Architect设计公司的设计师所说:“细节是人们能够记住的东西,假如它是独特的、有特色的,人们会记住它。它是一个视觉的东西,**小的细节是在人们的眼睛能及的地方,或脚能踩到的地方”。正是这许许多多的细节之处,充盈实现了设计理念,营造出凯晨简洁、时尚、又不乏精致的整体效果。

                            本文收尾时,从工程部门传来消息,凯晨广场刚刚通过了钢结构验收,至此,钢结构部分的工程圆满结束。回顾凯晨钢结构的营造历程,无论设计者还是工程师一个共同的感慨是:全!凯晨广场钢结构工程如同写字楼领域的一本百科全书,几乎囊括了所有钢结构领域的技术,不但包括一般写字楼里的常用技术,还借鉴了会展中心、机场、桥梁建筑等等其他领域的技术。可以说,建成了凯晨,就是拿下了个“全活”,再去做别的写字楼项目自然是了然于心,对工程技术人员、设计师都是一次非常难得的锻炼机会。而这一点,并非局限在钢结构领域,玻璃幕墙、空调、智能化系统、设备......各个部分的工作人员都对这一点深有体会。在营建业界**的高品质写字楼的同时,凯晨广场也打造着一支富有战斗力的高档写字楼建设的舰队,准备着面对一次次新的挑战——扬帆起航。