2019第四屆超高層建筑論壇:上海中心大廈建筑結構設計關鍵技術(90頁).pdf
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上傳人:大寶
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2021-01-19
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1、丁潔民 ,陳繼良 上海中心大廈建筑結構設計關鍵技術 上海中心大廈簡介 結構設計概況 結構設計的關鍵技術 回顧與展望 匯報內容 一、上海中心大廈簡介 上海中心大廈 地理位置:中國上海 建筑高度:632m 建筑面積:580,000m2 設計時間:2008 竣工時間:2015 建筑設計:Gensler/TJAD 獲獎情況: 2016年世界最佳高層建筑 (CTBUH) 2016年杰出工程獎(IABSE) 2018年中國建筑學會建筑結構設計獎一等獎 2019年中國勘察設計協會優秀設計獎(建筑、結構、設備)一等獎 2019年上海市科學技術進步獎特等獎 中國地圖 上海中心大廈 SHANGHAI TOWER 2、金貿大廈 JINMAO TOWER 環球金融中心 WFC 1 上海中心大廈簡介 黃浦江 HUANGPU RIVER 上海中心大廈 SHANGHAI TOWER 上海中心大廈 SHANGHAI TOWER 長江 YANGTZE RIVER 上海地圖 上海中心大廈不金茂大廈、 環球金融中心用地相連,在 區域總體布局中三者的主要 朝向相互錯開,避免了對視 干擾,也有效保證了各自展 示形象的可能。 上海中心上海中心 金茂大廈金茂大廈 環球金融中心環球金融中心 1 上海中心大廈簡介 (1)區域定位 上海中心與東方明珠遙相呼應,成為統領浦江兩岸的制高點。 1 上海中心大廈簡介 (1)區域定位 1 上海中心3、大廈簡介 (2)項目定位及功能分布 項目定位 在滿足使用功能的前提下,將“上海中心”設 計成為滿足公眾審美層面不與業審美層面的標志性、 地標性建筑,成為建筑、人和諧共生的垂直城市。 垂直功能分布 酒庖休閑中心 辦公商務中心 商業中心 用地面積:30370m2 容積率:12.51 地上建筑面積:41萬m2 地下建筑面積:17萬m2 綠化率:30 建筑密度:45 建筑總高度:632m 1 上海中心大廈簡介 (3)技術經濟挃標 建設單位 (Client):上海中心大廈建設發展有限公司 方案及擴刜設計: 建筑設計:Gensler / TJAD 結構設計:Thornton Tomasetti / TJA4、D 機電設計:Cosentini Associates 施工圖設計 (LDI):同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司(TJAD) 風洞試驗:RWDI、西安大略大學(加拿大) 工料測量:利比工料測量師事務所 1 上海中心大廈簡介 (4)主要設計咨詢團隊 1 上海中心大廈簡介 (4)主要設計咨詢團隊 合作模式:外方設計團隊+中方設計團隊 方案設計初步設計施工圖設計 Gensler、Thornton Tomasetti 負責 TJAD負責TJAD參不 1 上海中心大廈簡介 (4)主要設計咨詢團隊 外方不中方合作需注意: 參考設計規范的選取(中國規范、地方規范) 項目當地的建筑制度(報規報建、超限審5、查) 設計信息的有效傳遞(設計理念、設計方法) 合作仸務分工明確(各自職責、相互合作) 方案設計:2008.062008.11 刜步設計: 2008.082009.11 施工圖設計:2008.092010.04 精裝飾設計:2009.012011.05 土建施工:2008.112014.12 全部營業:2017.01 1 上海中心大廈簡介 (5)工程項目總體進度安排 1 上海中心大廈簡介 Zone1Zone2 Zone3Zone4 Zone8Zone7Zone6Zone5 (6)建筑設計 幾何特征:由三段囿弧構成的囿導角三邊形(其中之一切角)作為上海中心外圍幾何的基本 構形,旋轉上升幵均勻縮小6、,演進為一個平滑光順的非線性扭曲面,形成了大廈獨特的立面造型。 1 上海中心大廈簡介 (6)建筑設計 幾何特征 1 上海中心大廈簡介 (6)建筑設計 幾何特征 1 上海中心大廈簡介 概況 建筑高度:632m 結構高度:580m 塔樓層數:地下5層,地上124層 大樓豎向劃分為9個區 1個裙房商業區 5個辦公區 2個酒店區 1個觀景區 每個區被2層高的設備層分隔 空調設備 電力設備 逃生區域 電梯設備 維修保養設備 1區:5層商業/會議 4區:13層辦公 9區:3層觀景/ 以上設備層 5層地下商業/停車 Zone1 Zone2 Zone3 Zone4 Zone5 Zone6 Zone7 Zone7、8 Zone9 3區:13層辦公 5區:14層辦公 6區:14層辦公 7區:15層酒店 8區:10層酒店 +5層精品辦公 2區:12層辦公 (6)建筑設計 豎向功能垂直城市 商務休閑層中庭 1 上海中心大廈簡介 (6)建筑設計 中庭空間:相當亍大樓各區的“ 社交不配套服務中心”,為各區1215層的人們提供餐廳、 商庖 等基本的配套服務,降低了人們下到地面的交通需求,即提高了運營效率,降低了能耗。 外幕墻 內幕墻 中庭 中庭 典型建筑平面示意 1 上海中心大廈簡介 (6)建筑設計 建筑平面圖 1 上海中心大廈簡介 (6)建筑設計 建筑平面圖 2 結構設計概況 2 結構設計概況 結構體系:巨型框架8、-核心筒-伸臂桁架 伸臂桁架伸臂桁架 核心筒核心筒 巨型柱巨型柱 環帶桁架環帶桁架 (1)結構體系 環帶桁架環帶桁架 伸臂桁架+伸臂桁架+ 環帶桁架環帶桁架 SRC巨型柱 (3.7mx5.3m,C70/Q345) 2 結構設計概況 (2)巨型柱 SRC巨型柱鋼骨 2 結構設計概況 ZONE68 ZONE9 ZONE14 ZONE56 ZONE78 上部為十字形布置 中部為切角方形布置 底部為方形布置 (3)核心筒 核心筒 2 結構設計概況 (3)核心筒 鋼板混凝土組合剪力墻 (1200mm,C60/Q345) 2 結構設計概況 (4)伸臂桁架不環帶桁架 外伸臂+ 環帶桁架 外伸臂+ 環帶桁架 9、環帶桁架環帶桁架 伸臂桁架 雙層環帶桁架 伸臂桁架位亍第 2、4、5、6、7、8區,環帶桁架位亍第 18區。 2 結構設計概況 標準層:155mm厚組合樓板(79mm厚現澆混凝土板+76mm厚壓型鋼板) 加強層:200mm厚組合樓板 (5)樓面體系 上海中心地塊上海中心地塊 2 結構設計概況 (6)地基基礎 樁型:鉆孔灌注樁(后注漿) 樁徑:1000mm 樁長:核心區56m,擴展區52m 基礎持力層:9-2-1層粉砂 單樁承載力:10000kN 總樁數:947根 核心區:樁長56米,共247根 擴展區:樁長52米,共700根 2 結構設計概況 (6)地基基礎 核心區 擴展區 3 結構設計的關鍵10、技術 3.1 風工程找形中的建筑結構設計 3.2 巨型結構體系選型不研究 3.3 電渦流TMD技術的研究不應用 3.4 外幕墻結構設計不建造 3.5 數字化設計不建造 3.1 風工程找形中的建筑結構設計 3.1 風工程找形中的建筑結構設計 隨著建筑高度的丌斷增加 ,結構抗側剛度趨亍變柔、阻尼降低, 結構對風作用更加敏感。 通過采用氣勱優化技術,可有效減小結構風荷載響應,從而降低結構造價。 常用氣動優化技術上海中心 1建筑物平面外形優化 平面輪廓優化 角部修正囿弧倒角 2建筑物立面外形優化 錐形化立面、階梯縮進平面沿立面收縮 隨高度改變平面形狀平面形狀隨高度扭轉 3改變局部形態附加開洞、附加擾流11、翼等 超高層建筑常用氣勱優化技術 塔樓外表皮旋轉120 塔樓豎向收縮到55% 210180 150120 90 25%40%55%70%85% (1)空氣勱力造型破壞了漩渦脫落的一致性,從而減小橫 風向響應。 3.1 風工程找形中的建筑結構設計 高雷諾數試驗 (1:85) 無組織的漩渦脫落 3.1 風工程找形中的建筑結構設計 (1)空氣勱力造型破壞了漩渦脫落的一致性,從而減小橫 風向響應。 130 120 110 100 90 120是美學和工程學的最佳結合點 丌同扭轉角方案基底傾覆力矩對比 扭轉角/()基底傾覆力矩/Nm比例 06.22x1010100% 1005.18x101083% 1112、04.92x101079% 1204.75x101076% 1804.18x101067% 不方錐形大樓相比,基底傾覆彎矩減小24%。 方錐形造型扭轉造型 (2)明顯減小了結構的橫風向響應 3.1 風工程找形中的建筑結構設計 3.2 巨型結構體系選型不研究 巨型框架(巨型柱+環帶桁架) + 核心筒 + 伸臂桁架 += 巨型柱 環帶桁架 核心筒伸臂桁架 (1)上海中心大廈結構體系 巨型柱+環帶桁架核心筒 + 伸臂桁架整體結構 3.2 巨型結構體系選型與研究 (1)上海中心大廈結構體系 3.2 巨型結構體系選型與研究 同濟大學振勱臺試驗 (1:50) 中國建科院振勱臺試驗 (1:40) 振動臺試驗13、 型鋼混凝土柱(SRC)鋼管混凝土柱(CFT) 從受力角度,CFT巨型柱截面尺寸大,方鋼管約束效應消失, 需要做分腔處理,SRC巨型柱滿足受力性能要求, 從吊裝和焊接角度,型鋼混凝土柱較有優勢。 5.3m 3.7m 3.2 巨型結構體系選型與研究 (2)巨型柱截面選型 0 100 200 300 400 500 600 700 00.0050.010.0150.02 彎矩(彎矩(MN m) 轉角位移轉角位移Rot(rad) 巨型柱延性系數達到2.81,接近亍 3.0(常規混凝土構件),表明巨型柱延性較好。 巨型柱延性曲線 混凝土開裂 鋼筋不鋼骨強化屈服截面轉角極限截面轉角 巨型柱延性分析 3.14、2 巨型結構體系選型與研究 (2)巨型柱截面選型 地上核心筒墻體最大厚度為1200mm, 采用單層鋼板剪力墻;滿足大震下的延 性以及承載力要求。 一區鋼板組合剪力墻布置 鋼 骨 鋼 板 鋼板組合剪力墻放大示意 3.2 巨型結構體系選型與研究 (3)核心筒截面選型 混凝土流淌孔鋼板墻連接高強螺栓鋼板加勁肋栓釘 鋼板混凝土剪力墻構造 3.2 巨型結構體系選型與研究 (3)核心筒截面選型 數量8 outriggers6 outriggers6 outriggers5 outriggers 位置1/2/3/4/5/6/7/82/4/5/6/7/81/3/5/6/7/83/5/6/7/8 第一階周期(s15、)8.919.059.159.2 最大層間位移角h/510h/505h/500h/495 研究設置5道、6道和8道伸 臂桁架等丌同方案對結構 的影響,最終確定沿結構 豎向共布置6道伸臂桁架。 伸臂桁架 + 環帶桁架 環帶桁架 3.2 巨型結構體系選型與研究 (4)伸臂桁架截面選型 雙層環帶桁架的作用:環帶桁架不巨型柱形成巨型框架結構 雙層環帶桁架 3.2 巨型結構體系選型與研究 (5)環帶桁架截面選型 伸臂桁架不巨型柱連接節點 (比例1:8) 伸臂桁架不核心筒連接節點 (比例1:8) 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室 伸臂桁架不巨型柱連接節點、伸臂桁架不核心筒連接節點試驗研究 3.2 巨型結16、構體系選型與研究 (6)關鍵節點截面選型 3.3 電渦流TMD技術的研究不應用 (1)創新技術不成果 首次將電磁渦流技術引入到超高層建筑TMD阻尼系統中,有效提高了TMD的工作效率不穩定性; 將TMD重量由1200噸降低到1000噸,顯著降低了TMD不主結構的造價; 塔樓頂部風致加速度減少43%,塔樓上部舒適度大幅度提高。 黏滯阻尼TMD系統 (重1200噸) 電磁渦流TMD系統 (重1000噸) 3.3 電渦流TMD技術的研究與應用 (2)阻尼器系統構成 阻尼器由4部分構成: 鋼支撐框架體系 吊索 質量塊 電渦流系統及限位環 鋼支撐框架 吊索(共4組) 質量塊 電渦流系統及 限位環 3.3 17、電渦流TMD技術的研究與應用 電渦流TMD實物圖 臺風下上海中心大廈響應數據 電渦流TMD風振實況(125層) 臺 風 塔樓側向變形 2018.7 安比 2019.8 利奇馬 設計值 最大風速 (m/s) 303750 電渦流TMD最大擺幅 (mm) 5007502000 塔樓結構頂點位移 (mm) 190300500 塔樓結構頂點加速度 (m/s2) 0.0350.0840.150 電渦流TMD實物圖 臺風與設計值 相關數據 3.4 外幕墻結構設計不建造 + 外幕墻外幕墻支撐結構主體結構及內幕墻 上海中心大廈 幕墻系統構成:內幕墻+外幕墻支撐結構+外幕墻 上海中心大廈 結構特點: 內幕墻為常18、規的囿形造型,然而外幕墻為扭曲收縮上升造型。 外幕墻 內幕墻 中庭 外幕墻 設備層 中庭 內幕墻 上海中心大廈 結構特點: 內幕墻為常規的囿形造型,然而外幕墻為扭曲收縮上升造型。 外幕墻創新的采用懸掛式幕墻系統,實現優美的建筑外形不廣闊的 內部空間。 豎向荷載分段傳遞,水平荷載逐層傳遞。 CWSS幕墻支撐結構 各類荷載作用下,幕墻不主體塔樓之間存在較大豎向相對變形 (小亍 100mm)。 水平荷載下變形示意 豎向荷載下變形示意 風/地震 3.4 外幕墻結構設計與建造 設計6種活勱節點構造,釋放約束,吸收變形 交叉拉索內端節點限位約束 底環梁水平伸縮節點交叉支撐內端節點短支撐內端節點 底環梁豎向19、伸縮節點 3.4 外幕墻結構設計與建造 設計6種活勱節點構造,釋放約束,吸收變形 3.4 外幕墻結構設計與建造 豎向滑勱節點試驗 3.4 外幕墻結構設計與建造 上海中心外幕墻的建筑不結構設計非常復雜,尤其是節點 和構造設計。待上海中心建造完成后,匯總了幕墻設計的 研究成果,亍 2015年出版了與著上海中心大廈懸掛式幕 墻結構設計。 幕墻支撐結構:從上至下 幕墻系統施工安裝順序 3.4 外幕墻結構設計與建造 3.4 外幕墻結構設計與建造 幕墻玱璃板塊:從下至上 幕墻系統施工安裝順序 上海中心 外景施工中 上海中心幕墻交叉拉桿 上海中心中庭 3.5 數字化設計不建造 + (1) 基亍參數化技術的建20、筑找形 約2萬多塊玱璃單元 3.5 數字化設計與建造 RHINO(建筑) + SAP2000(結構) 結構師隨形而勱; 根據建筑師調整后的形體, 迅速調整幕墻結構; 利用程序實現人機互勱。 (2) 基亍參數化技術 的結構設計 3.5 數字化設計與建造 復雜設備層的結構機電協同設計,大幅降低現場安裝工程的迒工率。 (3) 基亍數字 化技術的復雜設備層協同設計 3.5 數字化設計與建造 (4) 基亍數字 化技術的鋼結構構件不深化加工 3.5 數字化設計與建造 設計階段工廠階段現場階段 第一階段:基 礎模型創建 第二階段:加 工組裝精度 第三階段:施 工測量修正 實物模型 建造過程:數字化全程預控 21、(4) 基亍數字 化技術的鋼結構構件不深化加工 3.5 數字化設計與建造 建造過程:數字化全程預控 數據分析 測 量 數 據 返 回 BIM 模 型 中 模型數據與測量數據比對 設計模型 CNC數控加工構件實物構件組裝 測量 鋼結構構件損耗丌超過 2噸; 鋼結構、幕墻加工圖效率提高200%,施工過程無一迒工; 提前發現幵處理各種碰撞問題超過 10萬個; 機電管線減少60%現成工作量,實現70%管道制作預制率。 3.5 數字化設計與建造 (5) 數字建造技術應用價值 4 回顧不展望 4.1 建筑層高 4.2 環帶桁架 4.3 鋼板混凝土組合剪力墻 4.4 樁基礎不筏板 4.5 高強材料 4.6 22、柔性懸掛支撐幕墻 4.7 電渦流TMD 4 回顧與展望 借劣數字化技術,綜合考慮各與業之間的協調,優化樓層凈高,建筑層高可降低 20cm以上。 4.1 建筑層高 機電管線綜合 二維無法完成的任務 機電管線綜合 二維無法完成的任務 辦公層高:4.5m 酒店層高:4.3m 雙層環帶桁架 4 回顧與展望 4.2 環帶桁架 設計采用雙層環帶桁架,提高結構側向剛度。如再設計,可將內層環帶去掉,保留外層環帶桁架。 環帶桁架豎向荷載分配 外層環帶桁架分擔的豎向荷載比例較多。 從豎向荷載傳遞的重要性來看,外層環 帶桁架較內層環帶桁架更加重要。 內層桁架 外層桁架 雙層環帶桁架 鋼板墻連接高強螺栓 鋼板加勁肋栓23、釘(間距150mm) 鋼板混凝土剪力墻構造方式 混凝土流淌孔 4 回顧與展望 4.3 鋼板混凝土組合剪力墻 地下室2區采用鋼板混凝土組合剪力墻,栓釘間距150mm。通過實踐表明,建議采用內埋鋼 骨的鋼筋混凝土剪力墻,栓釘間距可加倍(300mm),以減少施工難度,加快施工進度。 地下室地下室2區:區: 鋼板混凝土組合剪力墻鋼板混凝土組合剪力墻 38區: 標準層:鋼筋混凝土剪力墻 加強層:內埋鋼桁架剪力墻 鋼筋混凝土剪力墻(內埋鋼骨) 重慶江北嘴國際金融中心 地理位置:中國重慶 建筑高度:470m 建筑面積:240,000m2 設計時間:2018 項目設計:TJAD 建筑層高:辦公層4.2m 酒庖24、層3.9m 中國地圖 中國重慶江北嘴國際金融中心 6F 56F 68F 整體結構CFT巨柱次框架核心筒環帶桁架(單層,8道) 33F 22F 44F 80F 92F 結構體系:鋼管混凝土柱巨型框架+鋼筋混凝土核心筒 =+ 典型結構平面布置 矩形CFT柱 (3.4mx3.2m=10.9m2,C70/Q390) 中國重慶江北嘴國際金融中心 框架柱不剪力墻 鋼筋混凝土剪力墻(內埋鋼骨) (1200mm, C60/Q355) 中國重慶江北嘴國際金融中心 基亍上海中心大廈設計經驗,本項目的改進之處: 建筑層高降低,辦公層層高4.2m,酒庖層層高 3.9m; 設置單層環帶桁架,不巨型柱形成巨型框架; 巨型25、柱截面尺寸優化,截面面積控制在10m2左右; 剪力墻采用內埋鋼骨的鋼筋混凝土剪力墻。 中國國際絲路中心 地理位置:中國西安 建筑高度:500m 建筑面積:275,000m2 設計時間:2017 建筑設計:SOM 結構設計:TJAD / SOM 建筑層高:辦公層4.2m 酒庖層 3.9m 中國地圖 中國國際絲路中心 整體外框架混凝土核心筒 =+ 伸臂桁架 剛性伸臂 阻尼伸臂 結構體系:外框架+混凝土核心筒+伸臂桁架 L98 L7879 L5860 L3638 中國國際絲路中心 低區結構平面布置 SRC柱 (3.4mX3.7m=11.6m2 ,C60/Q355) 鋼筋混凝土剪力墻(內埋鋼骨) (126、600mm, C60/Q355) 框架柱不剪力墻 中國國際絲路中心 基亍上海中心大廈設計經驗,本項目的改進之處: 建筑層高降低,辦公層層高4.2m,酒庖層層高 3.9m; 部分伸臂桁架引入黏滯阻尼器,形成黏滯阻尼伸臂; 巨型柱截面尺寸優化,截面面積控制在10m2左右; 剪力墻采用內埋鋼骨的鋼筋混凝土剪力墻。 4 回顧與展望 4.4 樁基礎不筏板 樁基采用大直徑超長后注漿鉆孔灌注樁,試樁承載力特征值達到13000kN以上,設計承載力 特征值取10000kN,建議取值11000kN12000kN。 場地內進行了一組試驗 承壓樁試樁 樁端、樁側聯合后注漿 承壓樁試樁 樁端后注漿 承壓樁試樁 常規灌注27、樁 試樁 4 回顧與展望 4.4 樁基礎不筏板 上海中心樁筏基礎通過改變樁長和布樁方式控制筏板中心和邊緣的計算差異沉降,最終筏板 厚度取6m,建議取值5.5m左右。 樁長短的變化 (52m/56m) 樁布置密度的變化 (正方形:梅花形=1:1.25) 筏板厚6m 4 回顧與展望 4.5 高強材料 隨著工程技術的發展,混凝土強度可采用C100等級以上,鋼材強度可采用Q420等級以上, 可減小構件截面尺寸約20%25%。 SRC巨型柱 (3.7mx5.3m,C70/Q345) 鋼板混凝土組合剪力墻 (1200mm,C60/Q345) 主樓第一區外幕墻安裝 分區懸掛柔性幕墻支撐結構 4 回顧與展望 4.6 柔性懸掛支撐幕墻 外幕墻采用分區懸掛柔性幕墻支撐結構。幕墻支撐結構可進一步優化,比如吊桿系統、環梁尺寸、 節點類型等。 電渦流TMD系統 (重1000噸) 4 回顧與展望 4.7 電渦流調諧質量阻尼器(TMD) 質量塊(1000t) 采用電渦流技術,將TMD質量由1200噸降低到1000噸。通過實際應用,質量塊可進一步優化 到800t左右,節省造價。 質量塊(1000t) 謝謝! 謝謝所有不會嘉賓!
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上傳時間:2023-12-28
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