万科总部大楼结构设计研究 - 结构理论

万科总部大楼结构设计研究- 结构理论

中建国际设计顾问有限公司:傅学怡总工程师

傅学怡：今天在这里给大家做一个深圳万科总部大楼结构设计的介绍。

有的人可能知道，它应该是一个世界上新的建筑结构形式。这个大楼总建筑面积是13万7千平方米，地面上是18万平方米，它的建筑师是搞建筑的人都知道的美国一个当代的建筑大师。这幢楼主要是用做万科公司的总部办公楼，同时兼有一部分办公和酒店，该楼面对深圳大梅沙海滨，不是紧邻海，离海还有大概3百米左右的距离。这幢楼的设计理念用英语来说是一个漂浮的地平线。整个楼从地面拔地而起10到15米，上面建4到5层的一个多层办公楼。从建筑理念上来说有两大特点：第一，绿色景观无限，包括百分之百的绿化。第二，因为拔高了10到15米，所有办公室内的空间都具备海景资源，从而让这个楼的品质和价位也相应提高了。当然，楼拔高了，拔地而起，结构的造价是有所增加的。

这是它的平面图。在这张图的下方就是大梅沙海滨。这是建筑的各个立面图。落地竖向构件就是筒体和剪力墙，以及一些钢筋混凝土柱，落地竖向建筑的水平跨度在中部大概是50米到60米，端部的悬臂大概是10到15米。整个楼的全长大概是5百多米，不到6百米，它的体型大家能看到是非常复杂的，所以没法计算这个长度。如果是从这里开始算，算到这边的话大概是1百米这样。

这个楼怎么做，做什么结构我想就不说了。今天我想给大家说一下，首先是一个方案的备选。我们经历过类似央视在深圳建的专业中心这样一种巨型钢的支撑结构。这个做完以后每平方米的用钢量，由于它每层都是钢结构，包括要跨越5、60米，用钢量大概是在200到250公斤一个平方米，跟我们目前做的国内大型火车站的楼盖用钢量是差不多的，应该说不算多。但是万科业主找我们商量，觉得这个用钢量按照两年前的单价来看，应该钢结构部分单价是在2000块左右，再加上混凝土的造价估计要在3千不到，他们认为这个结构造价偏贵。有没有更好的方案呢，我们提了一个混合框架加拉索的结构。这就是今天我想跟大家介绍的，待会我有照片，楼已经盖好、建成了。最后综合下来，总的用钢量从2万吨下降到大概是4千吨，索加节点大概1千多吨，折算成索和节点大概是7、8千吨吧，结构造价降低了8千万，每平方米的结构造价大概是在2千。

这是原来巨型钢桁架结构的方案，有拉杆、有撑杆，做成斜拉结构，这个理念跟斜拉桥的本质不同，有很多不同！我们比斜拉桥要复杂，基本的想法是用红的拉索呈30度左右的角度。这个索是目前国产最大的巨型索，目前再比它大的索就没有了。这个斜索拉到落地竖向的顶端和中部，最底下就是我们的钢结构楼盖，所以巨型索跟所有的钢构件相连，以上全部是钢筋混凝土扁梁和宽扁梁的框架，我们沿宽度方向做长，沿跨度方向做扁。落地的构件是落地的筒体加上落地的一些钢筋混凝土柱。

最后是这样的方案，这个悬壁是4米到5米左右。这个是方案阶段最

后选型的方案。这个方案的特点是，动力后如何传递呢？是通过斜拉索的拉力，通过顶层楼板和斜拉索配的三层楼板，以及底层楼板共同来实现重力荷载下的总体转化。

动力荷载这条路线跟我们以往结构传递的路线是有不同的。钢结构转换是用上下楼盖的转换来取代了转换难度，这个有一点相似之处，通过楼盖的水平钢柱和承载力传递到落地墙、柱之间。

从楼盖的布置来说，从刚才动力荷载的传递路线来看，受力大的底层楼盖和顶层楼盖的承载力和刚度非常重要，因此我们在这里采用了交叉斜撑，相当于水平支撑，楼板的厚度并不一定厚，但是提高了关键楼层和楼盖的关键承载力，其他楼层采用一般的楼层楼盖。钢梁首层支承的柱采用钢管混凝土柱，也就是说和巨型索铸钢节点相连的构件从用钢逐步向混凝土过渡。这是索的剖面。

整个楼的设计用了120根成品索，之所以选用成品索也是经过反复认证的。成品索在我们国家的斜拉桥，包括苏州大桥、杭州湾大桥等等基本上实现了国产化，其产品质量的性能检验、构成的检验在工厂有成套的检验机制。

同时这个成品索的张拉端和锚固端最后选用的是“冷柱锚”的锚固形式，其质量通过工厂的产品检验过程有比较可靠的保证。另外120个索用到目前国内最大直径的索，最大数量的索是511根圆芯，还不够用，因为我们的索在重力荷载下承载力大概是2、3千吨，我讲一下这里不同于斜拉桥的特点，就是它的力特别大，斜拉索的数量一多就不好用了，我们就这么一个50米×20米，以索扩段强度的0.45作为

控制标准，还不够用，我们在索外用外套塑钢管来满足最终的承载力要求。

索和结构连接的节点是这个工程中又一个关键问题。我们采用了特殊设计的铸钢节点。根据成品索的构造和张拉工艺的需要设计了特殊的铸钢节点。这个铸钢节点经过了实验研究，铸钢节点一共有180个，几乎没有重样的，主要是因为我们的房子是奇形怪状的，我们索汇交的夹角都不同，索本身有张拉端，也有保护端，节点由多索汇交，不同角度的汇交，因此没有重样。然后取了3组，9个受力最大的铸钢节点，用1/3的比例进行了实验研究。其中一个实验节点被运回纽约作为工艺品摆放。

这个楼里的后浇带也是一个关键方面。我们后浇带以落地竖向构件周边浇带，在二层楼面的拉力地区设后浇带，同时在张拉保护端的钢部件连接区设后浇块。这样整个结构目前已经竣工了。我们的计算模型是按照后浇带和后浇块来逐层模拟的。这是结构的一些布置。

怎么施工、这个结构和斜拉桥的不同在哪里呢？归纳起来有这么几点：第一，索的数量小；第二，索的截面大；第三，索的后续加载量大。我们索拉完以后上面还要继续盖房子，比一般的斜拉桥后续加载量要大；最后一点，我们不能放锚固索。大家注意看一下斜拉桥结构，其中一个重要措施就是锚固索。我们这个房子不能到处放锚固，到处放锚固的话不好用。

因此我们施工方案提出两个概念，一个是自配动概念，一个是自平衡概念。因为我们希望这么多索一次张拉完，以后让它持续上索，结构

趋于稳定的状态。最小定力大概是0.075，这样也就确定了最小应力的值，最终应力取多少呢，最后还要讲。这次张拉完了以后不再张拉，如果松驰的话，混凝土结构适应变形的能力没有这么强，就要出问题了。要一次张拉的话，下面50跨的钢梁做了800高，一拉就黑了，应力加不上去，怎么办，我们采用结构制动作为自重，也就是说我有意识地选择这层楼盖结构自重，包括顶层楼盖的自重，利用这个自重来满足张拉要求。

第二个概念叫自平衡概念。如果顶层无盖和中间索端相连的水平楼盖支撑，也就是说没有一个有一定受压刚度、承载能力的水平构件竖向构件在索的拉力作用下会发生比较大的水平位移，后面的楼盖装上去了以后这个变形已经发生了，大家都知道我们的竖向构件应该是以轴力为主的，留余地给抗震、抗风，这是我们应该追寻的最基本原则。因此既利用它来配送，也利用它的刚度和承载力来配置一部分必要的楼盖来实现受力的范围。

最终确定的是方案是这样的。首先是上竖向构件，然后上配重需要的楼层，还有刚度需要的楼盖和屋盖，然后进行张拉。120根索分成了26批分段张拉，因此整个结构重力荷载下的模型大概是100多个，采用非线性的方法进行累计叠加，随之求解。

索力控制。索力控制初次张拉力最大值定多少呢，不能太高，因为后续需要继续增长。我们要控制最终的设计应力，我在这里写的是0.5，实际上设计的时候是0.45。具体到120根索，每根索的应力大小从0.075到0.15可以任意取值，这个值的大小叫索张拉立面围桥，这个

围桥是整个结构的又一关键措施。我们在现场施工的时候发现拉到90%的时候，这个结构是不动的，最后10%上来了，也就是说让结构发生变形的是最后这么一点点，最后这一点应力的大小，就可以调整整个钢梁，可以让它处于这么一种受力状态，高低交错的状态。什么意思呢？可使由左右梁弯曲产生的弯矩自相平衡，不让柱的下端受弯、受剪，通过内应力的回调可以实现结构比较好的工作性能和工作状态。整个设计基本上分析报告和计算出的量之大是惊人的。

下面再讲一下控制指标。这个我们的规范没有，那么里面有很多控制指标，如何来把握呢？我们在这里提出的是重力荷载下单片墙或者是筒体顶部水平位移小于5毫米，重力荷载下这个钢结构的挠度小于一千分之一，起拱的时候小于1千分之一，也就是说让它正负5公分以内浮动。这些我想就不说了。

这个楼进行了“风洞”实验，同时我们还进行了舒适度的分析，还有健康监测，因为这样一种精细化的工艺，在施工过程当中的任意时刻，我们都可以得到结构的位移、索的应力，整个健康监测采用了智能索，即加工过程当中在索加工厂里跟踪，因此在现场有健康监测，以结构计算的理论值，以正负误差来作为施工控制标准。

我们整个楼不是绝对平的一个楼，50米跨内会有变形的，在各个阶段都会有变形，包括竖向构件也有变形，在每一个阶段都可以给出这个相应阶段的位移和应力。

这是我们最后做出来的数据归纳。关于分区分段张拉，我们跟施工单位反复研究，不可能一次拉120根索，我们控制既要受力合理，又要

满足符合实际的施工条件，我们一次最多不超过10根，分区、分段。刚才说过了，所以这里我想详细的就不说了，这是分区、分段、张拉施工模拟，以及结构生成的情况。

钢套管的话我只想说一点。我们索拉管必须要套上，但是不给他连接，在施工张拉过程当中钢套管是不接的，等到主体结构基本完的时候再把钢套管接上，接上以后跟索共同承担后期的幕墙荷载、粉刷荷载和和温度、地震、风的作用。

舒适度分析是我们这个楼又一个应该解决的问题。我们这里做的舒适度分析参照了英国和美国的一些规范和标准、采用实例的方法做的一些分析。我们分析了三种舒适度：

第一个，行走跳跃舒适度。

第二个：路面汽车、重载汽车过去以后楼盖的舒适度。

第三个：分析了风动的舒适度。详细内容我想在这里就不讲了。我们采用人的行走跳跃的时程来进行分析。

钢管混凝土柱今天就不讲了，以后有机会再介绍。关于剪力墙的话我们最近有一些论文陆陆续续要发，现在发现弹塑性的前期剪力比较乱，反映在剪力墙结构的弹性承载力，以及它的等构不太统一，不管剪力墙截面怎么样复杂，引入钢筋混凝土等构，求解等构曲线，最后采用“包络”的方法，而不是直接求解的方法来得到剪力墙结构的合理配制。

采用分段、打点、随意的剪力墙配件应该是不对的。楼板受力分析也是整个结构中比较关键的，我们对楼板的拉应力以及采取后浇带的措

施、适当地增加一些钢筋这些办法来解决。

最后讲一下节点，节点是整个工程的关键点，3千吨左右的拉力要通过节点传递到结构。我们对节点首先设计了弹力非常直接的用冷柱锚节点、粗螺纹调整的连接节点来保证整个节点。这是我们的锚固端，这张照片是张拉端，张拉端要鼓出来，锚固端可以缩进去，这是比较典型的节点分析模型。

这类节点设计控制的原则和标准是什么呢？我们设想是这样的，设想用三个原则，相当于小震、中震、大震三个。这是各式各样的节点，非常复杂！这是整个工程的关键点。这张图是我们的节点、铸钢节点和筒体墙柱用“耳板”进行连接。这是做的节点实验的模型。实验的张力非常大。基本上理论分析和设计是非常吻合的，而且安全度是有保证的。

下面给大家看一下这个楼的施工过程。钢结构施工是中建三局；整个索结构的施工是建研院；健康监测是华东大学的研究生院，整个土建是中建三局总承包。下面想给大家看一些关于索结构方面的照片。

整个单索重量一共是120个索，大概300多个点，单索小的3、5根，重的有7、8根，还包含节点，节点重的有10吨，小的有几吨，因此在整个施工安装过程当中还是做得很精心的。这张是下节点、张拉节点的工装系统状态图，这个图是建研院做的，这个节点是比较大的，我们预拉力水平大概是3百根到7百根。

这是我们的张拉段，后面张拉段以后还有一些照片可以看。这是锚固、连接。这张是我们第一批钢索张拉的会，我们开了一个会，这张照片

是《国家地理杂志》派了三个人在现场跟踪了2、3个月，一直在跟踪拍摄。我看到他们在满头大汗地拍，我觉得我们央视做的工程只是个别采访，从来没有做这么艰苦、细致的工作，应该向他们学习，这样才可以拍出好东西来。像人物采访都只是说的内容。健康监测我想就不说了。

这是施工现场，现在已经在装幕墙了，装了相当大一部分，预计在今年8月份准备投入使用。国内外很多人去参观、研究。这是在张拉完了以后这个工装架还没有拆除。这是索用滑道往上定位的时候，我们的索全部在两组中轴上穿越，梁柱加宽，不让索和任何其他的混凝土或者是其他一些构件相连，除了节点处。

好的。我的报告到这里，谢谢大家！