【结构精品案例】北京第一高楼——高528m中国尊大厦的结构设计

1工程概况
北京中央商务区核心区的标志性超高层建筑项目——中国尊大厦，工程场地位于北京市朝阳区东三环北京商务中心区（CBD）核心区Z15地块，建筑面积约43.7万m2（地上约35万m2，地下约8.7万m2）。主要建筑功能为办公、观光和商业。该塔楼地上108层，地下7层(局部设夹层)，建筑高度528m，外轮廓尺寸从底部的78m×78m向上渐收紧至54m×54m，再向上渐放大至顶部的59m×59m，似古代酒器“樽”而得名，建筑效果图如图1所示。

图1 中国尊大厦

工程主要结构体系由外框筒和核心筒组成，其中外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架组成。巨型柱位于塔楼角部，贯通至结构顶部，并在各区段分别与转换桁架、巨型斜撑连接。巨型柱底部截面形状为多边形，中部及上部为矩形，采用多腔钢管混凝土柱。在设备层及避难层共设置8道转换桁架，其杆件截面采用焊接箱形截面。巨型斜撑沿各区外皮设置，也为焊接箱形截面。次框架包括重力柱和外环梁，均为焊接H形截面，其仅承担本区重力荷载，不参与整体抗侧。

2巨型外框筒建筑-结构一体化设计

2.1 巨型外框筒几何控制面的生成

中国尊大厦外轮廓的水平截面形状为倒圆角的正方形，并沿着高度平滑收放，其外完成面几何控制尺寸见图2。巨型外框筒的外控制面采用分段折面的形式，既可以较好控制巨型外框筒与建筑外完成面的距离，又可降低结构自身的加工难度。

图2 外完成面几何控制尺寸

2.2 巨型柱外轮廓的生成

巨型柱从基础顶面（-31.3m）至106层（503.2m）的截面形式根据一定的规则进行变化，其具有三种截面形式：1）7层以下（-31.3～43.15m）为4根八边形截面，截面面积约为63.9m2；2）7~19层（43.15～98.65m）为8根六边形截面，截面面积约为19.5～21.3m2；3）19~106层（98.65～503.2m）为8根矩形截面，截面面积约为19.2～2.56m2。巨型柱共设置12个控制转折标高，具体见表1。

为使结构受力最优，要求12个控制转折标高位置对应的巨型柱截面形心都位于竖直面γ内，此面与水平或竖直夹角为27°，如图3所示。

图3 巨型柱截面示意

综合巨型柱12个控制转折标高位置截面形心共于竖直面γ内、角点（P，P′点）连续、每层巨型柱角点与外完成面的距离不小于500mm（底部为1200mm）等3个条件，最终确定巨型柱的几何定位。其俯视定位图如图4所示。

图4 巨型柱俯视定位图

2.3 转换桁架、巨型斜撑及次框架的生成

在确定外框筒外控制面及巨型柱外轮廓后，可以确定转换桁架、巨型斜撑及次框架等定位。此处控制的目的是各构件之间的连接要做到平齐对接，避免出现错边，并且方便加工和安装。整个塔楼由8道转换桁架分成了9个区段，每个区段生成的规则是一致的，不同的只是巨型柱倾斜的程度，本节仅选取典型区段进行介绍，如图5所示。

图5 外框筒典型区段示意

转换桁架、巨型斜撑及次框架的外皮均与外框筒外控制面平齐。转换桁架弦杆、巨型斜撑等构件与巨型柱连接位置均需要设置水平加劲肋，且结合与巨型柱转折标高位置的关系，转换桁架弦杆的截面形式控制为平行四边形截面（图6(a)），而没有采用常规截面形式（图6(b)）。

图6 转换桁架截面生成方案

例如截面尺寸为800×700，表示截面垂直高度为800mm，沿水平向宽度为700mm，此截面定义规则可认为由相距800mm的一对水平面和平行于巨型柱外控制面、水平距离（非垂直距离，下同）为700mm的一对斜面，所围区域作为弦杆轮廓尺寸。

转换桁架腹杆的截面定义规则也参照弦杆的截面定义规则，例如截面为900×700的斜腹杆，由相距900mm平行于腹杆轴线，且都垂直于竖直面的一对斜面和平行于巨型柱外完成面、水平距离为700mm的另一对斜面，所围区域作为斜腹杆轮廓尺寸。角部桁架弦杆与腹杆的生成规则与转换桁架的生成规则也基本一致。

巨型斜撑的生成规则与转换桁架腹杆的生成规则类似。略有不同的是转换桁架的斜腹杆、弦杆与巨型斜撑轴线交点标高与外框筒转折标高不在同一标高（相差半个弦杆高）（图7）。为避开上述问题，巨型斜撑截面生成方案按如下方案进行：例如1 600×900截面，取平行于巨型斜撑轴线、相距1 600mm且垂直于竖直面的一对斜面，和平行于下轮廓面、水平距离为900mm的一对斜面，所围区域作为巨型斜撑轮廓尺寸。

图7 巨型斜撑节点定位示意

次框架的空间定位主要以分析重力柱为主。重力柱的定位与幕墙玻璃分格对应，幕墙分格规则则是以外完成面为基础，按照加强层建筑完成面标高水平剖切出其对应的幕墙轮廓线，等分为128份（图8），进而得到各层的幕墙分格点。

图8 重力柱中心线定位

然后在外完成面每6个分格点取一格点再投影到转换桁架上弦、下弦中心线上。连接相邻两道转换桁架上、下弦的交点即为重力柱中心线定位，连接每道转换桁架上、下弦的交点即为转换桁架竖腹杆中心线定位。在确定重力柱轴线定位之后，以平行于轴向且垂直于竖直面的一对斜面与平行于外框筒外完成面的一对斜面所围区域作为重力柱外轮廓，重力柱采用焊接H形截面，以便施工。

整个外框筒结构构件的截面生成规则可以用如下模型进行形象说明：剪切刚度很小而弯曲刚度很大的结构，在一对水平力作用下，发生剪切变形之后的形状，作为中国尊大厦外框筒结构的构件截面的主要形式，而确定截面倾斜的程度主要依据各段外框筒外完成面的倾斜程度，如图9所示。

图9 截面生成原理

3桩筏基础设计

工程基础形式为桩筏基础。桩筏体系可理解为是地基土-桩-筏板相互作用的一个有机整体。本工程桩基础设计使用年限为50年，耐久性100年；建筑桩基设计等级甲级，安全等级为一级；主要抗震性能目标为桩身强度满足中震弹性和大震不屈服要求。工程桩主要包括三种类型：位于核心筒和巨型柱下P1型（桩径1 200mm、桩长44.6m）；塔楼下其他区域P2型（桩径1 000mm、桩长40.1m）；塔楼与纯地下室间过渡桩P3型（桩径1 000mm、桩长26.1m，为边缘过渡桩），桩位布置见图10。

图10 桩位布置

工程桩P1和P2以第层卵石、圆砾为桩端持力层，要求进入持力层的深度不小于2.5m。纯地下室部分采用天然地基。所有工程桩均采用桩侧桩端组合后注浆工艺。

桩筏基础设计总体思路：考虑桩筏协同作用(图11)，按变形控制条件合理选择桩端持力层，优化设计桩长、桩径和桩间距。桩基础结构设计计算应考虑上部结构、筏板基础和地基（桩与土）共同作用分析。经过反复比选，最终将超高层主塔楼与裙房之间的沉降后浇带予以取消，实现了桩筏基础设计的创新。桩与筏板基础联合变调平设计的构想与技术思路如图12所示。

数值分析得出的基底反力在主楼区域约为150kPa；上部结构传递到基础底面的平均压力值约1200kPa；桩间土承担的荷载约为总荷载的12.5%。

图11 桩筏共同工作示意图

图12 桩与筏板联合变调平设计概化示意图

全部工程基桩施工完成以后，通过单桩静载荷试验进行了工程桩承载力检验，其Q-s曲线如图13所示。检测结果表明桩基施工质量良好，100%为Ⅰ类桩，为实现设计构想奠定了坚实的基础。

图13 工程桩Q-s曲线

4行业声音
摩天大厦的推出是否能填补相应的市场需求。
魏东表示，“二线城市对写字楼的吸纳能力是否有那么高还需要进一步观察。我们看好的二线城市中写字楼的需求并不强劲，但是供应量却比较大。”
摩天大厦比普通建筑的材料消耗要高很多
“如此高的建筑很多材料的运输和建筑本身的维护都会产生很多的成本。”周毕文说。