【建筑圈的结构事】平安金融中心结构设计介绍

来源：JIE构生活 作者：鲲鹏 

1、

项目

概况

平安金融大厦

是一幢以甲级写字楼为主的综合性大型超高层

建筑

，其他功能包括商业、观光娱乐、会议中心和交易等五大功能区域，总用

地面

积18931.74㎡。总建筑面积46万㎡，其中，办公32万㎡，商业6万㎡，

地下室

7万㎡。本项目包括一栋地上115层的塔楼，顶层楼面高度549.1m。还包括一个11层高的商业裙房，用来作为零售、办公、餐饮和大堂等。地面以下为五层地下室，用作零售、泊车等功能。

平安金融中心大厦原计划设计高度为660m，建成后将超过上海中心，成为中国

第一高楼

。但后面据说因为航空限高的原因，最终将高度锁定在600m。

平安金融大厦曾在2013年3月责令停工，原因是涉嫌使用海砂，引起舆论关注。深圳市住建局对其进行抽芯监测，结果显示，平安金融中心大厦混凝土氯离子含量符合标准要求。

2、建筑方案

平安金融中心由KPF

建筑师

事务所设计，KPF在全球设计了很多超

高层建筑

，包括108层的香港九龙车站大厦、480米高的

香港环球贸易广场

、492米高的上海环球金融中心、288米高的上海恒隆广场等。

平安金融中心作为全球顶尖高楼之一，在方案阶段就吸引了KPF、SOM、FOSTER这样的世界顶尖建筑方案设计事务所。

KPF中标之后，对建筑方案又进行了调整，所以我们现在看到的平安大厦和KPF投标方案有较大不同。话说，FOSTER的投标方案与目前在建的华润总部大厦有些相像。

3、

结构体系

塔楼结构采用巨型钢斜撑外框架+劲性

钢筋

混凝土核心筒+伸臂钢

桁架

结构+空间带状桁架+角部V形撑体系。


关于平安的结构体系，其实有不同的说法，也有叫“带外伸臂的巨型斜撑框架-核心筒结构”。在全国超限委员会给出的超限审查意见上，结构体系定义为“带伸臂桁架的巨型框架-核心筒结构体系”。再比如，我们曾经做的300米楼，结构体系为“带腰桁架的巨型框架-核心筒结构体系”。

不管怎么说，像这种超高层建筑，包括之前已经介绍过的上海中心和上海环球金融中心，抗侧力体系一般由三部分组成：1）外围的巨型框架体系；2）内侧的核心筒体系；3）内外围之间的加强连接，通常采用伸臂的形式。按照这种思路，平安金融中心的抗侧力体系为：

巨型框架体系：由巨型柱、巨型斜撑、七道带状桁架、角部V型撑

核心筒体系：底部

钢板

混凝土

剪力墙

、上部

型钢混凝土

剪力墙

框架体系与核心筒体系间连接：四道伸臂桁架

平安金融中心与上海中心高度相当，风力也相当，但上海中心并未加巨型斜撑，这是什么原因？后续再介绍。上海环球金融中心加了伸臂，也加了巨型斜撑，那是因为环球金融中心伸臂未贯穿核心筒，对

刚度

贡献有限所致。

上面两幅图已经清楚显示了抗侧力体系的主要元素，以下分别介绍。

4.型钢混凝土巨柱

巨柱采用型钢混凝土柱，混凝土

强度

等级从底部到顶部由C70渐变至C50，钢材等级为Q345GJ。巨柱在平面上近似为长方形，为了与建筑平面协调，其中在一个角部有调整。底部巨柱的尺寸约为6.5mX3.2m，在顶部逐渐减小至3.1mX1.4m。巨柱内埋组合型钢从下至上，厚度由75mm变化至25mm，但在带状桁架层加厚至100mm。

巨柱截面形式与上海中心相似，即均接近为“王”字形。

5.巨型斜撑

在每两个相邻的周边桁架间布置一道巨型斜撑，形成外围的“巨型支撑框架”。该斜撑连接相邻两根巨柱，在每个区，始于下部周边桁架的上弦杆，止于上部周边桁架的下弦杆。角部黄色圆圈，表示轴力/弯矩/剪力在

施工

过程中释放，以减小弹性变形及短期徐变和收缩的影响。

巨型斜撑的设置目的是为了满足巨型框架承担的剪力大于基底剪力10%这一要求。这是北京建研院专家提出的。虽然说上海中心也没有设置斜撑，但由于上海中心的巨柱是不断倾斜的，其巨型框架承担的剪力大于基底剪力的10%. 北京专家要硬性执行这条大规定，也提出了三种加强框架剪力的措施：1）将标准层内

框架梁

加深；2）将巨柱改为斜柱；3）在塔楼立面，玻璃幕墙后加斜撑，斜撑的加设方式又可分为单斜撑和X形斜撑。最后经过计算对比，并与各个专业协调讨论，决定采用单斜撑方案。值得注意的是，单从基底剪力占比来说，上海中心与平安金融中心巨型框架都达到了50%左右。另外，要注意，斜柱轴力水平分量与剪力的区别。

事实上，近些年，在广东省，框剪比10%的要求已经越来越淡化，很多项目已经不太关注这一指标。

6.核心筒

核心筒角部及相交处内埋型钢柱以增加核心筒的延性及刚度。核心筒外墙由地下F5到顶层厚度由1.5m变化至0.5m，其中地下5层~地上12层采用钢板剪力墙结构，周边设置型钢柱、型

钢梁

约束。

核心筒全高设置800mm高的

连梁

，为满足抗剪条件，大约六分之一的连梁需要内埋型钢加强。同时，在

办公楼

层需要设置部分双连梁，允许

机电

设备管道在双连梁之间穿过。

平安金融中心组合剪力墙中钢板墙钢板厚度为12~55mm，厚度大于30mm的钢板墙，其竖向缝采用焊接连接，厚度小于或等于30mm的钢板墙，其竖向缝采用高强螺栓连接。钢板墙的四周均需设置型钢框架，以对钢板墙形成约束，加强钢板墙的面外刚度。在楼层标高处、连梁中均设置型钢暗梁，在墙体端部两侧、门洞两侧均设置型钢暗柱，当墙体长度过长时，为满足施工阶段的局部稳定性要求，在钢板墙的面外设置加劲肋，为使柱两侧的混凝土对称浇筑，设置对拉钢筋笼。经计算，本

工程

构造栓钉的直径为22mm，双向间距为300mm，在型钢框架的斜向位置将栓钉加密一倍，双向间距为150mm。由于钢板将墙体分为两部分，墙体混凝土浇筑时，钢板两侧的混凝土需均匀下料，且钢板两侧混凝土浇筑时高度差不宜过大，以保证钢板的稳定性和定位的准确性。在钢板上开设直径300mm的灌浆流淌孔，以保证两侧的混凝土能顺利流淌。

7.空间带状桁架

共设置六道空间双桁架、一道单桁架及七道单角桁架，分别位于每个区的避难层或机电层。两层高的外伸臂楼层设置两层高的空间带状桁架及角桁架，其他设备层则设置一层高的空间带状桁架及角桁架。空间带状桁架及平面角桁架与巨柱连接，形成巨型框架。

关于带状桁架的设置问题，北京建研院的专家有过讨论。

初步设计

时，带状桁架为单层，上海中心初步设计时也是单层，由于圆形平面存在扭转，审查时改为空间带状桁架。平安金融中心也一样，专家建议巨型桁架做成空间桁架，角部钢梁也尽可能做成空间桁架，共同形成封闭的环形空间桁架。由于角部桁架对建筑、机电影响较大，最后与专家协调，将角部桁架调整为宽度1.5m的单层带状桁架。

8.角部V型支撑

在建筑的各个角部设置一个巨型V型支撑。该V型支撑横跨多个楼层，两端分别连接巨柱和角桁架弦杆支座

节点

，承担角部竖向荷载并提高整体结构的抗侧刚度。

9.伸臂

沿塔楼全高设置四道钢桁架外伸臂。1、3、5区设备层设置两层高外伸臂，6区设备层设置一层高外伸臂。外伸臂与内埋与核心筒角部的钢柱相连，为了保证外伸臂传力的连续性，外伸臂弦杆贯穿核心筒，同时墙体两侧设置X形斜撑腹杆。

根据需要，伸臂可贯通核心筒，也可不贯通核心筒。不贯通核心筒，有可能是因为建筑条件不允许，比如上海环球金融中心，也可能是不必要，比如两三百米的楼，刚宽比较大，不加伸臂，刚度不够，加了贯通型伸臂，刚度过大，在这种情况下，可选择非贯通型伸臂。但是，要注意节点的处理。我们曾参与的一个180米办公楼，核心筒高宽比23，就加的这种非贯通型伸臂。深圳湾有一座350米高的楼，加的也是这种非贯通型伸臂。非贯通型伸臂，有时又称“有限刚度伸臂”。

10.结构抗侧刚度贡献

上面这个表，抗侧刚度对比的计算指标是由结构顶点位移来确定的。

11.重力体系

楼面重力支撑体系由钢梁、周边钢柱、核心筒以及巨柱组成。周边的钢柱通过各区的周边桁架进行转换将荷载传递至巨柱。核心筒外部楼面体系为组合楼板和钢筋桁架楼板。典型的办公和交易层楼板厚度为120mm，在核心筒外部四个侧面区域为组合楼板，四个角部区域为钢筋桁架楼板。外伸臂弦杆所在楼层以及所有设备及避难层的楼板厚度为180mm，均采用钢筋桁架楼板。核心筒内部区域为现浇混凝土梁板楼面体系。

12.刚重比计算

平安金融中心按规范法计算出的刚重比在X向为1.40，Y向为1.39。按规范，不能满足整体稳定性要求。怎么办？按上海中心的方法进行调整。由于规范规定的刚重比限值是在假定结构质量、刚度均匀的条件下得出的，实际项目可能与此假定偏离较多。平安金融中心质量分布下大上小，大部分质量集中在下部楼层，所以需要在规范法的

基础

上进行调整。刚重比完整的计算方法在很多文献中都有阐述，感兴趣的可以自行查阅。陆天天等人就上海中心大厦结构整体稳定性的问题，曾专门写过一篇文章，发表在建筑结构学报上。

13.楼层最小剪力系数（剪重比）

像框剪比一样，在当时，剪重比也是一个硬性指标，平安按7度0.1g设计，剪重比一定要满足0.012。如果要满足这个指标，意味着要将

构件

截面做得非常大，巨型柱与核心筒墙体就要占据大量的有效

使用面积

，建筑将无法使用。最后，经全国高层建筑抗震审查专家研究，在适当提高结构刚度的基础上，将要求满足的结构楼层最小剪力系数定为0.0102，然后在小震弹性设计时，全部楼层的楼层剪力按0.012/0.0102=1.176进行放大。

现在，剪重比也不是一个硬指标，很多项目，直接根据放大系数进行调整，而不会因为剪重比不够将构件截面加大很多。

框剪比、剪重比从诞生之初，就争议不断，很多专家对此都颇有异议，也有不少文献对这些问题进行了讨论，感兴趣的可以去读一读。不可否认的是，通过不断的质疑、讨论、修正，很多概念才逐渐明晰，技术才得以进步。站在现在的角度，看以前项目中曾让我们辗转反侧、寝食难安的问题，我们或许觉得当时有点大惊小怪、有些小题大做，但在当时，那些确实是比较严肃的问题，正是由于当时以及其后大量专家学者的小心论证，才有了今天我们的“胆大妄为”。从某种程度上来说，任何一个“肆无忌惮”的今日，都对应着一个“小心翼翼、如履薄冰”的昨天。技术的进步，难以跳跃。个人的进步也是如此。

14.巨型型钢混凝土柱柱脚

由于本项目所采用的型钢混凝土截面较大，基于诸多难点，采用

有限元

法进行柱脚设计。另外，柱脚设计中用到了柱脚锚栓支架。其主要作用是在施工阶段，浇筑底板及承台混凝土时，固定柱脚锚栓，防止其滑动和偏位。支架角钢立柱下底板

埋件

位于桩顶部，在桩基施工时进行预埋。另外，为保证柱脚的施工

安装

方便，一般在柱脚周围筏板都预留坑。该预留坑尺寸为4.8X8.0m，在钢骨安装完毕后进行预留坑内的

钢筋绑扎

，钢筋绑扎完毕后二次浇注。为保证柱脚下混凝土不被压碎，经计算确定，柱脚底板下设置4层双层双向直径40mm的

三级钢

。

15.重力荷载作用下变形分析及控制

平安金融中心结构竖向构件主要是8根巨柱和核心筒，且都是内含型钢的

钢筋混凝土

构件，由于巨柱和核心筒在重力荷载作用下的压应力水平不同、含钢率不同，因此其竖向变形也不同。变形差会对连接两者的伸臂桁架产生附加内力，同时影响楼面的水平度。为消除或降低部分构件在重力荷载作用下的附加内力，主要采取的措施有：

1.伸臂腹杆后装，弦杆先铰接后刚接；

2.斜撑一端后装；

3.带状桁架弦杆所在楼层与弦杆相连的混凝土楼板设

后浇带

；

4.楼面施工荷载不超过2kN/㎡。

根据计算结果，主体结构完工时，竖向最大变形发生在中部，位于巨柱的64层和核心筒的59层，对应最大变形分别为87mm和103mm；根据不同阶段核心筒和巨柱的竖向变形差沿楼层分布图，可以看出，底部楼层变形差较小，且随时间增长变化较小；上部楼层由于累积效应及收缩、徐变滞后，变形差增长较快，随着时间增长变形差逐渐增大。

结构设计

中施工模拟已考虑伸臂桁架腹杆后装，弦杆先铰接后刚接，但没有考虑主体结构完工后核心筒和巨柱竖向变形差对其内力的影响。经过计算，4道伸臂桁架腹杆投入使用20年后由于混凝土收缩、徐变引起的附件内力，与构件材料设计强度的比值为9%~14%。

为了补偿竖向构件的竖向变形，可在施工时预留一定高度，使之在设定阶段达到设计标高。在重力荷载长期作用下，巨柱和核心筒竖向压缩变形不同，其预留高度也不同。投入使用1年时，竖向变形基本完成，将此阶段作为竖向构件标高预留高度的计算时间点，通过各层标高预留高度，投入使用1年时竖向构件各层达到设计标高。根据计算，巨柱最大楼层标高预留高度为149mm（79层），核心筒最大楼层标高预留高度为170mm（83层）。

最后看一张全景图

主要参考文献

1.平安金融中心结构设计研究综述，傅学怡；

2.平安金融中心结构设计与研究，黄用军；

3.平安金融中心巨型结构节点分析与设计，彭肇才；

4.钢-混凝土组合剪力墙在平安金融中心的应用，彭肇才；

5.平安金融中心巨型型钢混凝土柱柱脚设计，孙素文；

6.平安金融中心重力荷载作用下长期变形分析与控制，傅学怡；

7.百度文库、百度百科、网页、PPT、平安分析报告等；