【结构精品案例】简约而不简单—北京中银大厦结构设计

工程简介
北京中银大厦由著名建筑大师贝聿铭领衔设计
美国贝氏建筑师事务所与中国建研院设计院合作设计。中方自方案调整开始，参与了初步设计、施工图以及装修设计。
施工期间现场配合及竣工验收以中方为主。

北京中银大厦工程简介－概况
建筑功能：银行办公为主。
1层、2层为营业大厅。
3层、4层为交易大厅、网控中心、集中计算机房。
5层以上为大空间办公用房。
银行主管层为10、11层，在11层设有主管餐厅
总建筑面积：174869平方米。
地上最高15层，地下4层。
建筑高度：西北57.50米，东南44.85米。
建筑物外轮廓近似矩形，沿建筑规划红线布置。

结构设计的创新与探索
设计时间：1995年～1996年
主体结构封顶时间：1998年
工程竣工时间：2000年
执行规范：89规范

一、结构体系与布置
1、现浇钢筋混凝土板柱－剪力墙体系，局部设钢结构巨型桁架
2、建筑物边长约为120×130米。整个建筑全部连成整体，未设温度缝、沉降缝、抗震缝。
3、柱网: 由建筑功能确定，平面柱网有两种。上部结构基本柱网6.9m×6.9m;地下室中部车库局部7.8m×7.8m。因建筑要求，局部层间进行柱网转换，个别位置柱被抽除。
4、剪力墙: 利用建筑楼、电梯间，井筒沿建筑布置。力求质量中心与刚度中心接近。建筑外墙开有连续窗洞，形成壁式框架。 5、楼盖:因建筑功能要求，结构采用全现浇无柱帽平板楼盖。板厚依不同跨距取220mm至350mm。顶层设备机房楼板设低梁，按新的设计概念计算设计。地下一层中部会议厅顶设35米跨预应力大梁。
6、空间内锥型悬挑结构: 空间内锥型悬挑结构位于中部大厅内侧角部。最大悬挑长度9.8米。挑出部分设计未设悬挑梁。此结构体系的最大特点在于悬挑部位仍可保证与其他部位具有相同的建筑使用空间(因未设悬挑梁，该处仍为板柱结构)。
7、钢结构:本工程局部采用钢结构，包括巨型钢桁架和艺术网架。巨型钢桁架作为结构转换层构件位于东、南两侧主入口上方。最大跨度55米，高度6.9米。艺术网架位于四季大厅顶部，面积4200平方米。网架呈正锥型布置，所有节点和杆件均由钢板焊接而成。
8、地基和基础：本工程为天然地基，筏板基础，地下室外墙为承重和支护合一的地下连续墙。

二、结构整体分析
为正确反应结构的自身特性，工程采用多个程序进行结构整体计算分析。所采用的程序有ETABS、SATWE等。
1、采用弹性楼板
2、取前30个振型进行振型组合
工程第一振型为复杂结构薄弱环节的振动情况，第一周期已不能被视为结构振动主振振型



结构设计难点：
1、整体筏板基础，不设缝及后浇带。
2、地下连续墙（施工支护与使用合一）。
3、大跨钢结构（巨型钢桁架）。

4、空间内锥形悬挑结构
5、无转换梁结构柱网转换
6、35m跨预应力梁机械铰节点


三、整体筏板基础，不设缝及后浇带
整体筏板基础
1、建筑场地表层2至8m为人工堆积层，以下为第四纪之粘性土、粉砂和砂卵石交互层。地下水第一层为上层滞水，深约5至6m。第二层为承压水，深20.5至22m。建筑场地为II类 。
2、本工程地下室共四层，全部占满规划用地。基底最大埋深约-22m，落于粉砂和卵石层上。
3、地面以上结构沿四周成口字布置，中部形成开敞空间。

◇整体筏板基础
1、基础在建筑物中部与周边承受的竖向荷载差异很大
2、在高低层荷载突变处基础底板未设沉降后浇带
3、在高低层荷载突变处通常的做法是设沉降施工后浇带。其主要观点是利用后浇带将高层主体结构与低层结构在施工期间断开，利用后浇带调整高低层间的沉降差，以此减少高低层沉降差对基础底板产生的内力。
就本工程而言，基础埋深深，底板位于承压水位标高以下。若设施工后浇带，则需长年进行降水才能保证上部结构的正常施工。本工程现场日降水量达一万立方米，这将使施工造价明显增加，同时也使施工变得复杂困难。
进行广泛的专家论证，对于这种基础面积大，在荷载极不均匀的条件下使用天然地基的工程是否设沉降后浇带，有着不同的观点和意见。在深入分析的基础上，我们最后确定了不设沉降后浇带方案。
依据：
1.近年研究表明，当地质条件较好时，高低层荷载突变处其基底沉降变化不会突变，产生台阶式沉降差。而是在一定范围内较缓变化。
2.本工程基坑深达20多米。挖出土的重量与建筑物重量基本相同，属补偿性基础。基底附加应力很小。
3.建筑物地面以上呈口字型布置，荷载分布周边大中间小，而地基回弹再压缩变形中间大周边小，即结构布置和荷载分布对减少沉降差有利。
4.对地基基础进行计算分析，使基础底板能够承受上部结构及地基变形产生的内力，保证地基及基础底板安全可靠。
◇整体筏板基础
1、采用天然地基持力层主要为细中砂、粗砂和卵石层，地基承载力标准值350KN/m2，修正后地基承载力标准值大于1000KN /m2；
2、基础板厚有三种：1600mm、2000mm 、2300mm；
3、基础板的受力特点：
上部荷载极不均匀，四周荷载大，中间荷载小。在大钢桁架两端的支座下，在内锥的支撑墙下，荷载都很集中。
周边高层基底平均压力约500 kPa，中庭部分约150 kPa
建筑总荷载设计值约460万kN
◇整体筏板基础
1．采用美国“SAFE”软件，采用4节点的考虑板平面外的剪切变形的米德林厚板板元进行有限元分析计算；
2．采用文克尔地基模型假设，地基模拟为弹簧。叠代计算时，如果发现基础板下有受拉区，则去掉受拉的弹簧，重新进行计算；
3．不考虑上部结构的刚度；
4．基础板四周的地下室外墙作为梁单元考虑，大小为0.8X20m；
5．荷载：考虑了上部结构的恒载、活载和从ETABS计算得到的地震荷载。
6．荷载组合：（1）恒载与活载的组合；（2）恒载、活载与地震荷载的组合。
△计算结果表明：
差异沉降渐变发生，基础最大沉降值为55mm，差异沉降倾斜值在0.1%左右。
基础观测表明：
实测沉降值为30～40mm ，沉降渐变发生，计算结果的规律合理。
虽然基础板上的荷载很不均匀，根据计算结果，整体倾斜率能满足规范要求。所以，整个筏板仅设了伸缩后浇带。

↓静载下的变形

↓活载下的变形

↓静+活荷载下X方向板内弯矩

↓静+活荷载下Y方向板内弯矩

↓实测沉降曲线

地下连续墙
1、最大限度利用规划用地，高度受限，向下发展。
2、地下四层，深22m，建筑外轮廓线与建筑红线重合。
3、开挖方案
（1）放坡大开挖。场地位于闹市区，周边多为重要建筑和城市主要街道，放坡开挖不可能。否定。
（2）护坡桩支护结构。优点：经验成熟，技术可靠，地下室施工方便。缺点：需占用红线外市政规划用地。否定。
（3）地下连续墙。不占用红线外用地，既可保证上部竖向荷载的有效传递，又满足建筑使用要求。采用。
1、特点：不同阶段，其功能与受力工作状态不同。
2、功能：施工开挖阶段为施工支护结构，用于挡土、截水。使用阶段为地下室外挡土墙。
3、难点：对于基坑深度二十几米，施工支护与使用合一的地连墙结构经验不足。
需解决的难题：
1、位移的严格控制。
2、施工支护阶段与使用阶段要考虑内力重分布的计算方法。
3、楼板与地连墙的可靠连接方法。
4、在竖向荷载作用下地连墙沉降（基底沉渣等原因产生）与基础底板间沉降差控制以及防水措施等。
地下连续墙计算分析
1、因基坑边长很长，计算按平面问题考虑。
2、取单位长度墙段，用弹性支点法，杆系有限元进行分析。
3、把连续墙沿深度方向离散成梁单元，锚杆及基坑底土体简化为作用在相应结点上的弹簧，锚杆弹簧的直线刚度按锚杆张拉试验曲线确定。土体弹簧的直线刚度用m法按不同土层分层计算。
4、连续墙上的荷载为墙背侧向土压力、水压力及锚杆预加力对墙体的推力。土压力按朗肯土压力理论分层计算。
5、计算分析模拟基坑分层挖土及锚杆分层施打、张拉的实际施工过程，分为若干个连续相关的工况，每个工况的计算分析要利用上一工况的计算结果。计算中考虑了锚杆施加之前墙体已产生了一定的位移这一实际情况，同时也考虑了墙体在基坑开挖过程中有时会向基坑外位移的情况，使得计算分析更接近于实际情况。
6、地下连续墙在作为临时支护结构的任务完成后，还将作为建筑物的永久结构继续在使用阶段发挥作用，在进行使用阶段连续墙的受力分析时要充分考虑其已存在的内力与变形，这样才能正确分析连续墙的工作状态。地下室各层楼板施工完成后，随锚杆全部拆除，各层楼板成为连续墙的新支点，地连墙内力重分布。

锚杆设计
1、预应力锚杆技术是本基坑工程成败的关键。
2、连续墙上的绝大部分水平荷载传至锚杆，需确定锚杆的承载力和变形性能。
3、锚杆基本试验。
4、锚杆设计综合考虑了以下问题：
(1).锚杆所在的地层条件；
(2).力求使连续墙的弯矩分配合理,不要出现局部过大弯矩；
(3).锚杆的位置在满足地下室施工的前提下尽量接近地下室楼板，以减少锚杆拆除后连续墙内力的突变；
(4).为了减小连续墙在施工阶段的内力和位移，锚杆在地下室施工至±0.00后拆除。
5、通过调整各设计参数经过多次试算得到最优化的计算结果 。

◇地下连续墙计算结果
1、墙段1计算弯矩及位移
2、墙段2计算弯矩及位移

3、计算位移与实测值比较
△配筋设计
1、取各阶段内力包络值为配筋计算依据。
2、C40砼，II级钢筋。
3、连接构造
（1）槽段间接头采用圆形接头管；
（2）基础底板采用了预埋钢筋接驳器的连接方法；
（3）地下室各层楼板及墙体之间的接头；
（4）地下连续墙与主体结构梁之间的接头也采用了预埋钢筋接驳器的连接方法。

△地连墙底部压浆技术的应用
1、槽底沉渣量过大，会使地连墙产生附加竖向沉降 。
2、经现场测量槽底虚土和沉渣厚度约15厘米 。
3、压浆采用C25水泥浆，利用压浆管将水泥浆液压入槽底，在槽底形成水泥浆加固区。
4、经现场施工后连续观测，地连墙沉降量甚小，上部结构墙体与相连楼板间没有发现不良变化 。
△地连墙各阶段监测
1、对地连墙全过程进行监测。监测内容包括地连墙顶部侧向位移、地连墙墙身位移、墙内钢筋应力变化、周围建筑物及周边地面沉降观测。
2、周边环境：周围建筑物的沉降仅为0.2mm，基坑相邻地面的沉降大都在10mm左右,周围的地下设施无一受到损坏，说明基坑开挖对周边环境的影响甚微。
3、连续墙位移：除南侧局部因特殊情况提前拆除部分锚杆导致连续墙墙顶位移增加外，其它部位连续墙体的位移均小于30mm，达到了预期的目的，满足了连续墙的变形要求。
大跨钢结构（巨型钢桁架）
↓东、南立面巨型钢桁架

巨型钢桁架
1、东立面、南立面各有两榀桁架，外侧桁架跨度55.2m，内侧桁架跨度45.5m，桁架高6.9m，为标准楼层的两层高。
2、钢桁架上承托8层钢筋混凝土结构。荷载巨大。
3、本工程施工工期较长，历经四季。冬夏季之间最大温差在50~60度之间 ，温度应力问题突出。
4、结构设计分两阶段进行 ，施工阶段按端部铰节点考虑。此阶段钢桁架两支座可以滑动，上部结构在施工期间支座处局部混凝土暂不浇筑，保证桁架支座水平方向自由滑动和转动。桁架上部混凝土结构施工时，跨中部位预留后浇带，去除上部混凝土结构与钢桁架的整体效应，使施工加载过程与计算假定接近。第二阶段，待上部结构完成后，以后期温度变化产生的应力最小为原则，考虑今后使用期间的室内温度及北京自然气温变化(取接近中间值)等影响因素，确定桁架端部混凝土封闭时间。
↓东、南立面巨型钢桁架－－上部预留施工后浇带

◇巨型钢桁架
钢桁架钢材型号A572，由国内生产。桁架上下弦杆按箱型设计，腹杆为焊接H型钢，板材厚度分别为50mm、75mm。桁架连接全部为焊接，焊缝按一级要求。
主要截面如下：

↓东、南立面巨型钢桁架

↓东、南立面巨型钢桁架

△巨型钢桁架－－主要计算结果
上弦杆的最大轴压力:38042 KN
下弦杆的最大轴拉力:40067 KN
跨中挠度:静载120mm,活载20mm,共140mm。
钢桁架在安装时起拱110mm。
△巨型钢桁架 －－运输与吊装
考虑到运输和吊装的可行性，将整榀桁架分割成如图所示的单元。在工厂内加工完后，运至现场拼装。

四、空间内锥型悬挑结构
空间内锥型悬挑结构 ：
1、在中部大厅西北角上空4至8层由三个方向向内挑出9.8米，形成空间内锥型悬挑结构。
2、悬挑部分上部新增柱网直接落于挑出的水平楼板和斜墙上。对于落在挑出的楼板和斜墙上的上部柱网，结构也未设常规概念的转移大梁 。

空间内锥型悬挑结构

1、该方法使挑出结构部分仍为板柱体系，从而保证了建筑在使用上具有充分的灵活空间。
2、使用三维壳元程序LARSA对空间内锥型悬挑结构进行了进一步详细分析 。
3、计算模型 ：
模型一：仅斜墙板，未考虑水平楼板，水平楼板处设水平不动铰支座。
模型二：考虑水平楼板的作用。
模型三：水平楼板处设水平弹簧支座。
4、弹性计算。
△空间内锥型悬挑结构
1、由于水平楼板在受弯的同时还承受拉力，因此在配筋时板上下皮均配置全部拉通的受拉钢筋。并适当提高板的厚度，使其具有一定的刚度保证。
2、对于斜墙板设计，由于悬挑斜墙上支承有上部结构柱，为提高斜墙板的刚度和抗弯、抗冲切能力，设计中对承受上部柱网的斜墙沿水平和沿斜墙方向的板带采取了板上加肋的构造措施，使斜墙板这一关键结构部位在设计中得到加强。
五、无转换梁结构柱网转换的新方法
△无转换梁结构柱网转换的新方法
1、传统设计中，柱网转换通常由转移大梁承托上部不落地柱。
2、本工程受到限制，利用层间增设局部墙体对不落地柱进行转换。

△无转换梁结构柱网转换的新方法
1、上下层楼板作为拉压平衡条件参加工作。
2、在设计上我们对上下层楼板加厚，并沿墙体方向根据计算设置暗梁，抵抗水平拉（压）力。
3、对墙体设计时进行应力状态分析，使墙体具有足够的抗剪强度保证，确保转移构件在上部荷载作用下安全可靠。
4、设计中考虑了竖向地震的影响。
六、机械铰节点
地下室1000人的国际会议厅顶部为35米跨预应力大梁
梁柱节点首次在建筑中采用机械铰装置

机械铰节点
1、跨度：32m，梁截面：1200x2200，柱截面 D900 的圆柱。
2、由于建筑上的需要，不容许加大或改变柱截面尺寸及形状。
3、经方案比较，预应力梁采用两端铰支座。
4、铰支座的实现。

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