【结构问答】京基100结构设计疑问解析

本帖最后由 采猫大盗 于 2014-10-7 13:38 编辑

丨工程概况 丨

京基100（KK100），原名京基金融中心（KingKey Financial Center），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。

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