【结构问答】京基100结构设计疑问解析

丨工程概况丨京基100（KK100），原名京基金融中心（KingKeyFinancialCenter），楼高441.8米，共100层，是目前深圳第一高楼、中国内地第五高楼、全球第十三高楼。位于我国广东省深圳市罗湖区深南东路，由来自英国的两大国际著名建筑设计公司--TFP和ARUP联合设计，中国建筑第四工程局有限公司承建。京基100是深圳房企京基集团旗下的世界级地标，也是中国民营地产企业投资建造的最高建筑，保持了多项中国记录、世界纪录，并获得了多项世界级奖项。丨工程疑点丨问：本项目的基本情况和结构专业设计历程，包括各阶段设计单位、施工关键节点有哪些？答：京基金融中心地处深圳市金融文化区，总建筑面积约60.2万m2，由A、B、C、D、E五栋塔楼组成，是集甲级写字楼、超五星级豪华酒店、大型商业、高级公寓、住宅为一体的大型综合建筑群，已成为深圳市新的地标建筑（图1）。京基金融中心A座（简称京基100）地上建筑面积约23.4万m2，100层，楼高441.8m（图2，3）。图1京基金融中心总平面图2京基100照片图3施工现场大厦外形创意来源于喷泉和瀑布，已成为华南第一高楼（已建成）。大厦共有4个功能分区，其中1～3层为通高大堂空间；4层设置酒店宴会厅、相关功能区和餐厅，可从大堂或同楼层的商场通道进入；5～74层是大厦主体，为甲级写字楼，顶部75～100层设超五星级瑞吉酒店，约有250套房间以及与酒店相关的餐厅和健身等服务用房，在大厦最顶部40m高的拱顶内设置飞艇形特色餐厅。入口雨篷为悬挑16m，结构顶标高48m，东西跨度57m的大跨度双曲面玻璃雨篷，通过精准三维立体设计，以舒缓弧线使雨篷与大厦浑然一体，并成为大厦的标志性入口（图4）。图4京基金融中心入口雨篷方案及初步设计阶段的设计单位有：泰瑞·法瑞建筑设计有限公司（建筑）、奥雅纳工程顾问有限公司（结构）、深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司、中国建筑设计研究院、广州容柏生建筑工程设计事务所（结构顾问）。建筑及工程设计（施工图设计阶段）单位有：深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司、中国建筑设计研究院、广州容柏生建筑工程设计事务所（结构顾问）。项目于2007年4月底完成方案报建文本；2007年12月底完成初步设计；2008年12月底完成施工图设计。2007年10月开工建设；2009年3月地下室底板施工完成；2009年5月地下室施工完成；2011年3月京基100主体结构封顶；2011年11月京基100竣工验收；2012年初京基100投入使用。整个项目从开工到投入使用大约花了四年多的时间，相比其他类似项目而言，建设周期还是比较短的。问：该项目为超限高层建筑结构，在准备可行性论证和超限审查报告的过程中，有哪些问题是设计方和专家共同关注的，是如何逐项解决的？答：该项目在2007年8月和11月，进行了两次超限初审，2008年1月进行正式超限审查。大家比较关注的问题是层间位移角控制标准、舒适度控制标准、加强层的设置、构件敏感性（抗侧效能）分析、施工模拟分析等等。奥雅纳在初步设计时做了许多工作，包括收集大量类似项目层间位移角的控制标准，并提出该项目用有害位移角作为控制标准，得到了专家的许可；关于舒适度能否满足要求的问题，设计团队提出通过对建筑物建成后的健康监测来判断是否需要增设减振装置，即如果舒适度不能满足要求时，可以通过增设减振装置来解决，这也得到了专家的许可；华森设计公司对外框柱的结构选型和设计做了补充分析，专家同意在施工图设计阶段可做进一步论证。另外整体结构分析了30多版计算模型，比较了各种组合计算结果，并对加强层、重要构件抗侧力敏感性进行充分论证。在审查会上专家们对该项目提出少宝贵意见，我们在施工图设计时进行落实。针对基础设计、外框架柱的选型、舒适度减振方案等问题又重新组织了多次国内专家论证，广泛听取专家意见。问：由于受到建筑物造型的要求，使得该项目的高宽比成为当时国内同类型超高层项目中最大，由此给结构设计带来哪些技术难题？答：由于该项目平均高宽比达到10.27，这直接影响主体结构的经济性，并对结构抗侧力体系的有效性提出了重大挑战。10.27这个值应该是目前超过400m高房建项目中最大的高宽比，本项目又处在风荷载特别大的深圳，弹性方法计算的楼层最大层间位移与层高之比的限值1/500就很难满足，建筑物顶部的风振舒适度的计算值也刚刚能达到规范要求。设计时没有单纯追求满足限值1/500，而是对有害层间位移角进行分析并加以控制。初步设计阶段进行过论证，如果把目前楼层最大层间位移与层高之比1/475降低到1/500，就要通过增加核心筒南北侧墙体厚度（由1900mm增加到2200mm），同时加大南北侧柱子截面来解决，这不仅会减少建筑的净使用面积，还将直接增加约3500万的投资，所以在保证结构安全的前提下，我们尽量做到既经济合理、又方便施工。问：该项目结构体系从方案阶段一直到最终定案的演变和优化的主要过程有哪些？答：方案和初步设计阶段进行了3个结构方案的比较——方案一：核心筒+周边斜支撑框架+腰桁架；方案二：核心筒+周边框架+伸臂桁架+腰桁架；方案三：核心筒+东西立面斜支撑框架+伸臂桁架+腰桁架（图5），分别从建筑感观、施工进度与难度、构件效能、侧向及扭转刚度、用钢量和经济性等多方面进行考量，最终选择了方案三。在方案三的基础上还进行了加密外框柱、加密东西立面斜撑、在酒店层增设剪力墙、东西立面5个柱改为4个柱等方面的研究，加强结构体系的优化。施工图设计阶段最大的变化就是把外框的型钢混凝土柱方案改为矩形钢管混凝土柱方案，同时对东西立面的斜撑布置进一步优化。图5三种结构方案主体结构体系最终采用钢筋混凝土核心筒、巨型斜支撑框架及3道伸臂桁架、5道腰桁架组成三重抗侧力结构体系，以抵抗水平荷载。结构体系构成：（1）钢筋混凝土核心筒（核心筒底部设置型钢）。核心筒从承台面延伸至77层，该层以上取消部分核心筒墙体，仅保留左侧一片和右侧两片竖向布置的剪力墙，使得酒店区可以设有开放式通高中空中庭（77~94层），见图6。图6抗侧力体系（2）巨型斜支撑框架。巨型斜支撑设置于大楼东西两侧的垂直立面上，采用X形交叉形式，水平倾角在50°～68°之间，斜撑采用箱形截面，底部最大尺寸为1600×1400，钢板厚80mm。（3）框架部分由矩形钢管混凝土柱及型钢组合梁组成，矩形钢管柱截面底部最大为2.7m×3.9m，钢板最大厚度为70mm。南北面的型钢混凝土柱从承台面至50层呈圆弧倾斜，自50层以上配合总体建筑布置呈圆弧向内倾斜。采用巨型钢管混凝土柱可增加外框架的延性，方便结构主体施工，确保施工质量、降低结构造价，同时也可减小柱截面从而提高建筑使用率。（4）5道腰桁架和3道伸臂桁架。腰桁架沿塔楼高度均匀分布，结合避难层及设备层，可增强外框架的抗扭性能，从而减小扭转效应在地震作用下的不利影响；3道伸臂桁架则设于37～39层、55～57层、73～75层，同时在相连伸臂桁架的剪力墙中设置剪力墙暗桁架，加强了结构的整体性、增大了结构的抗侧力刚度、满足强节点的设计要求。问：有别于普通超高层建筑，京基100在两侧端跨均布置了巨型X形斜撑，增加X形斜撑后，其结构体系的抗侧刚度提高比例大致为多少？X形斜撑与所处同一轴线位置的框架柱、框架梁空间关系在兼顾受力和施工便利性方面是如何考虑的？答：京基100由于Y向的高宽比达到10.27，所以结构设计主要考虑如何提高Y向的抗侧刚度，单纯通过增加构件截面和加强伸臂桁架已经很难满足规范要求，增加X形斜撑（底部最大尺寸为1600×1400，钢板厚80mm）和加大角柱会有效地提高Y向抗侧刚度，其对整体结构Y向抗侧刚度贡献约占30%，施工图设计时结合外框架柱改为巨型钢管混凝土柱的机会，将X形斜撑移至柱外皮，这样建筑净使用面积约增加了300m2，同时将与X形斜撑所处同一轴线位置的框架梁在X形斜撑范围段与X形斜撑处于不同平面内（即与斜撑不相交），这样不仅大量减少节点，也保证X形斜撑受力直接，从而也方便施工（图7）。图7巨型斜撑和框架梁的关系问：超高层建筑传递到基础上的力是非常巨大的，这方面基础设计方面的对策是什么？答：本工程建筑物自重就达到约50万t，传到地基上的力的确非常大，不过项目所在地的工程地质情况还是不错的，基岩埋深较浅，微风化粗粒花岗岩层顶埋深30m左右，所以有条件采用人工挖孔桩，桩基平面布置图见图11。基础设计方面采取以下对策：首先人工挖孔桩的混凝土强度等级由初步设计时的C40调整为C50，可以减少混凝土和钢筋用量近17%；桩基的布置方式也充分考虑人工挖孔桩传力直接的特点，通过调整桩基直径适应上部荷载大小，该项目最大桩的直径为5.6m，也是当时深圳房建中最大的。通过布桩的调整减少基础底板的协调作用，使得底板可以设计得更经济，底板厚度从初步设计5m调整到4.5m，底板配筋量也减少了一半。图8桩基平面布置图问：该项目结构体系为钢筋混凝土筒体+外部钢框架，另外还存在伸臂桁架、巨型斜撑等重要受力构件，设计阶段是如何考虑这些关键部位施工顺序的？答：大家都比较清楚，伸臂桁架（图9）、巨型斜撑（图10）都是为了提高整体结构的抗侧刚度，主要用来抵抗水平力，所以结构设计时要尽量减少由于竖向荷载作用及竖向构件变形差导致伸臂桁架和巨型斜撑的初始应力，理论上来说等主体结构施工完成后再对此类构件进行连接是最好的。但是，主体结构在施工阶段也需要一定的抗侧刚度，所以对此类构件的设计应结合施工进程，通过施工模拟来解决。京基100的巨型斜撑是随主体结构分段合拢，考虑了和框架柱共同承担竖向荷载，因为斜支撑合拢后因柱子相继轴向变形产生的内力不大于斜支撑承载力的5%，对斜支撑承载力影响甚微；伸臂桁架则采用后连接施工，即等上一个加强层伸臂桁架就位后，再对下面层的伸臂桁架进行焊接连接。图9典型伸臂桁架立面图10巨型斜撑问：该项目存在诸多尺寸较大的钢结构，在钢结构加工、运输和安装方面设计单位是如何考虑的？答：设计时要考虑的因素很多，首先要考虑尽量减少现场钢结构焊接的工作量，也要考虑工厂加工及公路上运输的可行性，还要考虑现场施工塔吊的吊装能力等等。设计阶段对柱子及节点进行预先分段，统计各段重量，并和施工及钢结构深化单位进行配合，有时为了运输，柱子中附带的钢梁牛腿也要做相应调整。对于原来170mm厚（二片1200mm高组合）的伸臂桁架（图11），通过对国内钢结构厂家的调研和专家咨询发现，国内超过150mm厚时无论加工和质量均很难保证，工程中如果确实需要，这种钢材必须进口，最后通过优化，适当加高截面后调整为130mm厚（二片1500mm高组合），这样既保证产品质量和缩短加工周期，又节约了大量成本。图11伸臂桁架问：该项目框架柱和剪力墙尺寸均较大，如何看待建筑立面造型和配套结构体系对建筑使用功能以及有效使用面积的影响？答：办公层的建筑面积变化从2400m2到2700m2，若扣除包括核心筒封闭的管井墙体的厚度和柱体等在内的面积，则最大面积约为2200m2，实际使用率约达到68%~73%，38层平面以下由于办公室高区穿梭电梯及平面收进等因素，建筑使用率偏小。到50层以上建筑平面南北向又往里收进，到75层时南北向平面尺寸约为43m，从酒店客房层开始，中间部分核心筒终止，酒店区设置了通高的开放式中庭，所以这部分建筑面积使用率还是相当高的。其实在初步设计阶段，我司就以书面的方式向业主提出：希望建筑平面从38层以下，南北向平面49m尺寸保持不变，这样就能有效地减小结构高宽比，降低结构设计难度，使结构在造价不变的基础上，增加约3000m2建筑净使用面积，一举两得的事。最后建筑师和业主未采纳我司的建议，这也就成了我在这个项目设计中的一件憾事，项目典型建筑平面见图12。（a）首层平面（b）81层酒店平面图15建筑平面图问：目前像京基100等高度超过400m的超高层建筑，其结构体系以巨型框架-核心筒结构居多，而本项目仍采用传统的框架-筒体结构，在结构体系方面是如何考虑的？答：目前高度超过400m的超高层建筑的结构体系的确以巨型框架-核心筒结构居多，如上海金茂大厦、上海中心大厦、广州