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珠江新城东塔已建高度接近400米 抗7级地震

文章出处:东莞联泰钢构发表时间:2014-04-26

 

 广州珠江新城东塔紧锣密鼓建设中,预计2月份高度将超过西塔成为广州第一高楼。  二十年前,广州第一次提出了珠江新城双子塔的设计,直到2010年亚运会,双子塔中只有西塔建成独立珠江边,而现在随着建设进度的加快,东塔的身型已日渐挺拔,已长得和西塔差不多一样高了。这对原本计划“孪生”的兄弟,由于分属不同的发展商,最后模样大相径庭———西塔圆润柔和,东塔方正刚硬。    

  西塔已亭亭玉立三年,其故事也已为媒体和公众所熟悉,而仍在悄悄“生长”的东塔则十分低调———除了早前公布的建筑外观效果图之外,外形设计理念、内部骨架结构、施工建设故事一直都蒙着面纱。趁着这次东塔建设高度接近400米(实际塔身加施工顶棚高度已超过400米),已接近并将于近期超越西塔的契机,南都记者分别采访了东塔的建筑设计单位美国KPF建筑事务所、结构设计单位奥雅纳工程咨询公司、结构施工单位中建钢结构公司等,用庖丁解牛的手法首次对东塔做一次完整的解密。


  结构

  8根500米高钢柱撑起塔身双层钢板墙厚达1.5米

  对于超高层建筑而言,建筑师可以抛开工程力学的限制,天马行空地做出各种变幻的造型,但是结构师必须回到现实,通过现代工程技术手段把复杂的建筑从图纸变成现实,让它坚固到能够抵抗超强台风、强烈地震、火灾、炸弹袭击等破坏。全球知名的奥雅纳工程咨询公司曾经帮广州塔设计了主体结构,这次它又被业主聘为东塔的结构师。

  “让东塔站立起来并不难,难的是在站立的同时还要兼顾空间景观和造价成本。”东塔结构顾问奥雅纳公司的工程师赵宏告诉南都记者。理论上,只要在东塔里密密麻麻塞满各种钢筋混凝土梁柱,结构自然足够坚固,但是这么做塔内空间将都被梁柱占据,真正可用于办公的建筑面积会很少,更重要的是,在里面工作生活的人则会被完全处于混凝土包裹之中,不仅阳光难以照射进去,从塔内朝外望视线里都是梁柱,这无异于灾难;而如果钢筋混凝土梁柱太少,塔身就会太脆弱,碰到台风地震容易变形或者倒塌。

  奥雅纳公司最初草拟了4套结构方案,分别是“筒中筒”方案、“巨型桁架加核心筒”方案、“伸臂巨型框架加核心筒”方案、“伸臂筒中筒”方案。四者之间最大的差别是钢梁的粗细和数量,还有布置方式是竖放、横放、斜放还是不规则。“设想一下,当你在东塔的办公室里从一扇大窗户远眺珠江,你显然希望窗户的面积越大越好,而且窗户最好不要被太多的横框分割,正是这一原则成为我们4套方案的首要比选标准。”赵宏说。

  按照这一原则,由于将空间视角切割得太碎,钢梁数量较多的“筒中筒”和“伸臂筒中筒”方案被否决了,而“巨型桁架加核心筒”虽然钢梁较少,但是需要斜向布置,相当于在一面镜子中加了一条对角线,这同样会影响视角,最终对空间景观影响最少的“伸臂巨型框架加核心筒”方案胜出,代价是高昂的造价———这种结构的造价是普通结构的1.17倍。

  经过复杂的计算机模拟计算,“伸臂巨型框架加核心筒”方案最终被进一步细化成两部分,相当于东塔有两套骨架:8根巨型钢柱加6道巨型环形钢桁架是主骨架,是东塔的主要受力系统;双层钢板剪力墙是次骨架,帮助主骨架分担受力。

  整套结构系统也是目前国内400米以上超高层建筑通用的结构体系———高度为507米的天津高银117大厦采用的是4根钢柱加9道环形桁架,632米的上海中心大厦则是12根巨柱加8道环形桁架,一度和东塔竞争华南第一高楼的660米深圳平安大厦则同样是8根巨柱,不过高度的提升使得它比东塔多用了一道环形桁架。
 

  东塔的8根巨型钢柱为钢柱内浇灌高强度混凝土做成,钢柱中下粗上细,最高达为515米,最大横截是5.6米乘3.5米,以陆地上体型最大动物的大象为例,单根巨柱上可以并排站立两只成年非洲象,整根巨柱需要12个巨汉才能围抱。为了加强底部支撑力,东塔底部承重墙最厚度达1 .5米,墙内加装了两层厚达5厘米的钢板,这种钢板墙不仅可以增加东塔结构的坚固程度,更比普通钢筋混凝土墙薄了3厘米,使得东塔底部的可利用空间更大。

 造型

  线条方正刚硬东南西北四面各不同

  如果你有三件华美的礼服,显然你不会希望它们完全相同或者相似,相反,你会希望它们款式、材质和颜色各不相同。432米的西塔、600米的广州塔、530米的东塔就是所在区域的三件款式不同的礼服。

  最早建成的西塔造型为通透的圆边三角水晶柱,塔身下粗上细、线条为柔和渐变的曲线;而广州塔则是不规则的椭圆形,上下粗腰部细、线条为扭曲的直线;而东塔的造型近乎为顶部高低错落的方正直筒,线条为刚硬的直线。

  由于最初东西塔的建筑构想是造型对称的“孪生双塔”,因此在一般公众眼里,东西塔现在造型差别太大似乎是一种遗憾:看上去不具备对称的几何美感,但是在K PF建筑事务所看来,东塔现在的方正直筒造型其实自有深意:西塔、广州塔和东塔在珠江边形成了一个等腰三角形,三者分别是三角形的三个顶点,从高空俯视,广州塔的横截面为椭圆形,西塔为圆边三角形,东塔为基本方正的矩形,三者造型各异,看上去错落有致,形成“视觉上的乐趣”。

  更重要的是,在K PF设计师的眼里,西塔和广州塔两者的造型复杂多变,已经是这个区域的空间焦点,形成了“自身英雄主义般宏大”的风格,因此他让东塔反其道而行之,做一栋简单、自然、实用的超高层建筑即可。

  不过,东塔外形虽然看上去方正朴实,但设计师在一些建筑细节上却又匠心独运。虽然外形方正,但是从东南西北各个角度看,东塔的外形是完全不同的:从南面看东塔顶部呈四节,高低错落;从北面看整个塔身则没有分节,是一个浑然一体、没有变化的尖角直筒;从西面看塔身又变为三节,东面看只有两节。

  更重要的是,这种分节的设计并不仅仅是为了追求不同的外形变化,而是符合建筑功能的需求,如果不分节,则整栋建筑只有一个顶部观景平台。而东塔采取分节设计之后,三个分节处形成了三个露天观景平台:底部的办公区顶部平台在66层朝西,可以看夕阳西落;中部的国际公寓区顶部平台在91层朝东,可以看日出东方;而对景观要求最高的五星级酒店平台在112层,平台完全开敞,可朝东南西面远望,即可以看日出日落,又可以欣赏珠江。

  施工

  使用两台“塔吊之王”安装170吨钢结构

  东塔的施工总包单位为中建四局和中建三局,钢结构施工单位为中建钢构公司,除此之外还有机电安装、通信线网、幕墙安装等各项专业分包施工单位,最高峰时有将近3600人同时在东塔工地上施工。整个东塔项目于2009年9月28日正式开工,至今已经4年过去,东塔目前的在建高度已经接近400米,就快要和432米的西塔看齐,计划在2015年封顶,2016年投入使用。

  为了把东塔建设得足够牢固,施工总包单位制定了厚达816页的施工操作手册,要求所有的施工人员都必须按照操作手册的规范流程施工,确保最后建成的东塔可以满足106项国家质量标准,52项工程建设行业规范标准的要求。

  在长达7年的工期中,整个东塔需要克服的工程难题不计其数,但其中最重要的是两项:一是将重达9.4万吨的钢结构按照图纸的要求、精确到毫米地在空中进行定位、拼装、焊接;另一项则是将混凝土从地面输送到530米的高空进行浇灌。

  整个东塔的用钢量为9.4万吨,这些钢材是被切割成各种不规则几何形状的钢结构然后再拼装起来,最重的单个钢构件是环形钢桁架,重达170吨,最轻钢构件是预安装钢结构用的固定钢片,南都记者一只手就可以提起来。所有钢结构都是中建钢构公司直接从钢厂采购钢坯,再自主锻造加工成符合施工图纸的形状,运输到工地后用3台塔吊吊至530米的高空进行悬空安装和焊接的。

  为了能够吊得起170吨的钢构件,东塔现场有两台世界上民用建筑领域起吊重量最大的塔吊M 1280D,号称“塔吊之王”,目前世界上只有40多台,专门用于超高建筑施工时吊装超重、超大尺寸的钢构件。它的单臂可以吊起100吨,单条吊绳为直径5厘米粗的钢绳,最长可以拉长到850米,东塔是广州城建史上首次出动M 1280D的单体建筑。值得一提的是,东塔施工现场还有一台起吊重量稍小的M 900D,这台吊机曾经在建设西塔时使用过。

  混凝土浇灌方面,东塔需要把最高强度为C80的混凝土从地面输送到530米的塔顶,为此中建四局专门向三一重工定制了两台H B T 90C H -2150D的超高压输送泵,这种泵机不仅可以把混凝土送到东塔顶部,施工时的噪音还能降低到70分贝以下,降低噪音污染。

防灾

  可抗7度地震和百年一遇台风

  按照国内超高层建筑的安全标准,530米高的东塔必须满足使用100年的要求,在这期间还必须能够抵抗可能发生的地震、台风、火宅、爆炸袭击等极端灾难。为了满足这一点要求,东塔的工程师想出了各种办法,并且使用了先进的电脑模拟分析和实验室模拟检测。

  防震审查方面,在2010年,广州市建委专门分别成立了以住房和城乡建设部科技委专家徐培福研究员、容柏生院士为组长的两个专家组,东塔项目的塔楼、裙楼部分进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

  审查结果认为,东塔结构上为地震灾害提供了两道防护,第一道防护是8根巨型钢柱加6道巨型环形钢桁架的主骨架,第二道防护是双层钢板剪力墙,这两道防护解决了东塔超高和细长而产生的结构刚度不足的问题,以及东塔在台风和地震时的结构安全性和使用舒适性。中国建筑科研院还在实验室内做了一个高13.2米、按1:40比例缩小的东塔建筑模型进行地震试验,试验结果显示,在7度地震的情况下,东塔结构保持较好的完整性,塔顶最大的位移幅度大约为50厘米到60厘米之间,整体仍能保持结构的完整性,而且关键构建完好,只有轻微损坏并且可以修复。

  由于东塔除了530米的塔楼之外,还有一栋60米高的裙楼,在地震中两者是完全独立的抗震个体,为了避免地震中两者互相变形产生挤压,工程师也专门在两者衔接处预留了50厘米宽的一道细缝作为抗震缝,经过计算,地震中塔楼和裙楼在衔接处的变形和位移各自不会超过20厘米,因此50厘米的抗震缝完全可以起到保护两者不产生互相挤压的作用。

  和抗地震相比,东塔的防台风作用更为实际,毕竟广州本身并不属于地震多发带,但是强台风则是每年都有。东塔项目为此分别委托了两家风洞试验室R WD I和B M I,采取不同的分析方法和试验仪器对抗风性能进行独立模拟和研究。试验结果显示,在50年一遇的台风中,东塔的顶部最大位移为50至60厘米,而在100年一遇的台风中最大位移为70厘米,这一幅度对于塔身来说完全是安全的。

  “和广州塔内部加装一个水箱阻尼器作为防风措施不同,东塔现有的结构完全可以满足安全要求,不需要再加装额外的阻尼器。”奥雅纳工程师侯胜利解释说。

  防火方面,东塔所有的钢结构表面都涂上了5厘米至3厘米厚的防火材料,保证它们能承受3小时的高温火烧,同时东塔还在23、40、56、67、79、92层设置了避难层,大概每隔12层就有一道避难层。按照估计,东塔建成后塔楼使用人数大约为8000人,6道避难层的设置也使得万一火灾发生,所有人都可以在一分钟之内就近疏散到避免层的安全地带。同时,塔顶还设有一个可装1700立方米水的消防水池,塔身内部也大大小小分布着数个消防水箱,一旦发生火灾,除了消防队员从外部喷水救火之外,顶部和塔身的消防水箱都可以打开,利用水流的重力自上而下的倾泻灭火。

专访东塔设计师

  市内不同地方看东塔会看到它不同的样子

    记者:有人说,尽管西塔比东塔矮,但是由于菱形斜交网格外筒结构,西塔的施工比东塔更困难,你认同吗?影响超高层建筑“建设难易”的主要因素有哪些?

  Forth B agley:广州西塔采用的是斜交网格外筒结构(diagrid struc-ture),我们可以清楚地从西塔的立面看出这种结构,尤其是在晚上有灯光时。但在东塔的设计上,K PF和英国奥雅纳工程咨询公司则决定选用巨型钢柱的结构方案,因为这种结构能构建出更加有机的外观造型,也更适宜于东塔的多个不同内部使用功能。

  我们没有选择利用外露的结构去定义东塔的地标形象,而是希望广州东塔立面表面上的陶土板(terrocotta)能够成为这栋建筑物的一个最主要的认知形象。此外,广州东塔有很多既定的用途,建成后它将提供办公空间、五星级酒店(R O SEW O O D H O TEL)(注:根据施工组织设计,未来东塔的96层至112层为五星级酒店)也将进驻东塔,此外这里还将建设公寓,一些饭店和一个俱乐部。因此,东塔需要有一个足够灵活的结构体系,来适应这些多样且不同的用途。

 记者:你如何理解东塔在珠江新城C BD中乃至整个广州中扮演的建筑角色?东塔和西塔不对称,你觉得是遗憾还是创新?为什么东塔设计最终呈现目前的方形?你认为与西塔协调吗?

  Forth B agley:我们也希望广州东塔可以为广州新的高空轮廓线增添上浓墨重彩的一笔。在这个区域中,广州东塔属于三个超高层建筑之一,所以,对我们来说最重要的是,使东塔外观能够独立地呈现出与众不同的特质,但同时与其他主要的高层建筑物保持一种风格上的和谐统一,使得广州整体高空轮廓线既有视觉感,又能作为这座国际化大都市的象征。

  而东塔的一个重要设计元素就是非对称形式的切割状塔顶设计(carved tow ertop),恰恰因为这种非对称性才能使其与周边不同的城市环境发生有趣的对话。切割形成的梯级型后退(高层建筑物上部外墙逐层缩进,使底处获得更多的光线和空气)(carved setbacks)可以提供出平台屋顶和室外空间,更重要的是,它们还和临近的高楼高度遥相呼应。

  此外,我们一直都在探究,把东塔建设成在城市不同地区看会呈现出不同外形的建筑物。我的意思是,既然广州东塔不是一个对称的建筑,因此从城市不同的地方看东塔,就会呈现出不同的样子。这和广州塔以及西塔这些漂亮的呈对称性的建筑物有所区别。

  记者:K PF设计方案的优势和被业主认可的亮点在哪里?在对东塔进行设计的过程中,有什么难忘的事?

  Forth B agley:东塔设计中的两个显著特征,一个就是我刚才谈过的它的外形,另一个则是它的建筑表面。

  东塔的表面设计采用的是凸槽状的陶土板,这种材料不仅能体现出东塔的竖向整体性,而且还能给在夜晚被点亮。我们选用了浮雕般的外观形式和建筑物立面的陶板材料,以求与临近的西塔相和谐。例如我们选用的玻璃,就和西塔的玻璃在颜色和反射率上很相似,但是我们还在陶土板上添加了一层洁白的冰纹釉面,因此东塔将能够在白天阳光的照射下和夜晚高楼照明的灯光中,反射出光彩。