【解构】西欧最高的碎片大厦是如何建造的?

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来源:非解构 2012年4月,伦敦经典的罗马式城市风格被一座拔地而起的碎片“撕裂”,它如同一块尖利的水晶,从地底刺穿而出,在阳光的照射下,熠熠生辉,这座大厦就是新晋西欧之巅——The Shard。 结构简介 碎片大厦的方案构想首次被提出是在高技派结构大师伦佐·皮亚诺(Renzo Piano)与开发商塞拉尔(Sellar)于2000年的一次会面中。

来源:非解构

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2012年4月,伦敦经典的罗马式城市风格被一座拔地而起的碎片“撕裂”,它如同一块尖利的水晶,从地底刺穿而出,在阳光的照射下,熠熠生辉,这座大厦就是新晋西欧之巅——The Shard。


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结构简介


碎片大厦的方案构想首次被提出是在高技派结构大师伦佐·皮亚诺(Renzo Piano)与开发商塞拉尔(Sellar)于2000年的一次会面中。

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它的灵感来源于预应力混凝土的尖顶和泰晤士河上船舶的桅杆。大厦外墙由外向内倾斜并由依次向上延伸的钢筋混凝土覆盖着,自下而上由粗变细,最终形成一个晶莹剔透的玻璃“金字塔”。塔尖的玻璃板互不接触,形成一个“让大厦在天空自由呼吸”的开放空间。


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整个大厦的建造历时12年,总造价为15亿英镑。大厦总高306m,共72层,集建筑结构、酒店、城市建筑、餐厅和公共观景空间为一体,如同在伦敦市中心建造了一座“垂直城市”。


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地理位置


碎片大厦选址于伦敦市中心,周围车水马龙,没有空余的场地。大厦周围建筑密集,组合楼板狭窄,紧邻泰晤士河和伦敦桥,周边还设有观景平台,地铁站,盖伊医院等,场地条件十分复杂。另外该位置上原有一座名为南华大厦的26层建筑,想要建造碎片大厦必须先将原有的建筑拆除,地下原有的混合结构对此次新建建筑的设计造成了很大的影响。


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基础设计


出于经济上的考虑和周边场地的限制,工程师将南华大厦原有的桩进行了保留。但由于桩长仅有20m,无法满足承载力的要求,工程师就在已有的桩之间打入新的桩,这对深达53m的玻璃幕墙高层建筑精度控制提出了极高的要求。柱下桩径为1800mm,起重机下直径为1500mm,长度均为53米。为了优化基础底板厚度,在3层以下建筑物核心筒内部另外加了很多混凝土分隔墙以减少底板整体变形,同时减小底板跨度。最终底板厚度方案为:核心筒下3000mm,非核心筒区域1500mm,对于这个高度的建筑来说已经相对较薄。大直径桩基荷载试验最大加载量为30000KN,是英国目前已经实施的最大值。


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为了在基础施工中不影响伦敦周边的交通,又能满足自身施工苛刻的要求。经过多次方案讨论,工程师们借用建造地铁车站时的经验,使用逆作法对大厦基础进行施工。这也使得碎片大厦成为世界上第一个用盖挖逆作法(top-down costruction)施工核心筒的建筑。


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结构方案


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从工程师的角度来看,碎片大厦的外形是非常符合力学原理的。锥形最大限度地降低了风荷载的影响,并降低了核心筒的重心。 

早期的房地产,倾向于使用地下室-核心筒建筑,使用剪力墙伸臂桁架连接核心筒巨柱。这样的结构往往需在结构的高层设置调谐质量阻尼器。


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由于碎片大厦不同楼层的功能设置,为了最优使用空间,工程师们为“碎片大厦”打造了一种新的“火车站”:低楼层处的楼板为钢结构钢框架,中部酒店和顶部的住宅为混凝土楼板,塔尖部分使用纯钢结构。其中混凝土结部分大跨度采用大跨度后张无粘结桩基础板,小跨度使用钢结构现浇板,与全楼采用组合楼板的方案相比,总共节省了550毫米的高度,使得建筑在可使用层数上多出两层。


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事实上,楼板材料的变化并不是精确的按照功能来分别的。Steel floor Sandwich其实是从40层至酒店的最低一层。造成这种差异的原因是上下楼层柱子跨度不一致和玻璃幕墙的要求。因此在37层和40层之间增加3层高的“vierendeel frames"作为转换层。


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由于吊装的高度和混合性的使用功能,地面核心筒内共有21个电梯和道路井。核心筒随着层高的加大而减小,在第28层以上,三层公寓被设计井格形式的“egg crate”用于传力。

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大楼的核心筒足以提供建筑物所需的强度。 但是,伸臂桁架的数量随着高度的增加而减少,工程师们采用了许多方法通过加大其转动惯量以加大其刚度。 横墙延伸到核心筒外,为每个伸臂桁架提供支撑或“翼壁”。 在66-68层的核心筒位置,一个大型钢构件组成的“Hat truss“在核心筒与边柱之间传递力。

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“Hat truss”增加了结构的刚度,并确保建筑的横向加速度峰值仍低于高层建筑和城市人居委员会建议的0.015m / s2的限制4。 在结构完成之前,“Hat truss”没有组装完成,以避免由于核心筒和周边柱轴向相对关系的变化而引起大的轴力。


塔尖施工


'尖顶'是塔顶的60米高的纯钢结构尖顶,主要功能是公共走廊和教堂。 建筑师的设想是通过顶部建筑构件的逐步减少使建筑慢慢融入天空。具体的结构实现方法是核心筒建造至72层截止,上部采用钢结构方案。与下部结构不同的是,顶端的钢结构是外露式的,结构连接都清晰可见,体现了结构的美感。

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风洞试验表明,在距离地面300米处,碎片大厦顶部的平均风荷载为1.5kN / m2,边缘峰值为2.25kN / m2。施工尖顶的最大挑战是确保它可以在高空安全快速地建造。为了实现这一目标,整个“塔尖”结构被分成模块建造。每个钢结构模块重量不能超过8吨(施工的容重),同时需要体积适中,方便运输。它可以在没有临时支撑的情况下被吊起。

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在整个尖顶的施工过程中,采用了一种新颖的楼梯策略。在施工72层以下核心筒时,塔吊安装于核心筒上部。核心筒施工完成后,利用位于72层的主塔吊,专门安装一个底部位于54层边框柱上的辅助塔吊。然后利用这个辅助塔吊将主塔吊拆除回收再用辅助塔吊完成塔顶的吊装。

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结语


2014年,全球知名桩基调查机构安波利斯(Emporis)在超过100米的新建摩天大楼中选出最佳建筑,伦敦的碎片大厦获得了第一名。评委会高度称赞了碎片大厦设计,碎片式的玻璃设计非常独特,塔楼比较复杂,十分醒目。

在天气晴好的日子,游客在观光区可以俯瞰整个伦敦方圆六十多公里的风景。


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参考资料

[1] the Shard at London Bridge R.Agrawal,      J.Parker, R.Slade

[2]赵丹. 伦敦碎片大厦[J]. 商业, 2014 (19): 34-43.

[3]Building the Shard. Wealth Creation

[4]The Shard:Structure Engineering

[5]西欧之巅——伦敦碎片大厦

[6]百度图片


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