了解中國鋼結構建筑體系樣本
了解中國鋼結構建筑體系樣本
揚帆啟航的津塔（天津環球金融中心）不僅是天津新城市地標建筑，也是鋼板剪力墻結構的世界第一高樓，這在世界超高層建筑史上尚屬首例。
然而，明艷的光環背后往往是艱辛的探索。當上海華東建筑設計研究院接到津塔的設計標的時，也接受了一項挑戰。“這并不是一個簡單的建筑設計方案，而是一次突破。”上海華東建筑設計研究院工程師黃良說。
突破在于兩點：一是在國內沒有鋼板剪力墻結構的建筑規范情況下設計和應用這個體系；二是用該體系打造超高層建筑。
津塔是一座典型的純鋼結構超高層建筑，高336.9米，用鋼量為6.5萬噸，從地下4層至地上53層均采用核心筒鋼板剪力墻體系。
鋼板剪力墻結構是20世紀70年代發展起來的一種新型抗側力結構體系。鋼板剪力墻單元由內嵌鋼板和豎向邊緣構件(柱或豎向加勁肋)、水平邊緣構件(梁或水平加勁肋)構成。當鋼板沿結構某跨自上而下連續布置時，即形成鋼板剪力墻體系。鋼板剪力墻作為新型抗側力構件，具有較大的彈性初始剛度、大變形能力和良好的塑性性能、穩定的滯回特性等。
到目前為止，世界上采用鋼板剪力墻作為抗側力結構的建筑已達數十幢，主要分布于北美和日本等高烈度地震區。我國在《高層民用建筑鋼結構技術規程》中，明確了鋼板剪力墻的計算準則和方法，其設計角度是從避免鋼板發生屈曲破壞切入的，即以彈性屈曲強度作為鋼板剪力墻的設計極限狀態，沒有利用鋼板彈性局部屈曲后強度，通常稱之為厚鋼板剪力墻。而厚鋼板剪力墻用鋼量大成本較高，發展受到一定限制。
津塔整體建筑為筒中筒結構形式，由內側核心筒與外筒組成，核心筒開間較大，鋼板剪力墻的寬厚比也較大，采用厚鋼板剪力墻理念進行設計，成本將大幅度上升。因此，津塔辦公樓采用的是目前國際上比較流行的鋼板剪力墻設計理念。
鋼板剪力墻結構具有幾個突出特點，首先是可提高建筑的承載力，大約可提高30%，有效地降低了樓體的自重，抗震性能好；其次是鋼板剪力墻不用承受豎向重力荷載，與混凝土剪力墻相比，在核心筒和外框筒間能為大樓省出更大的使用空間；再次是最高可承受30.5米/秒的風壓和相當于2500年一遇的罕遇地震烈度。
“如果采用混凝土剪力墻，墻厚將達到1.3米~1.5米；鋼板剪力墻體系為0.3米，增加了建筑使用面積。建設時間也比常規的節省了一半。”黃良說。正是有了努力與突破，上海華東設計院在鋼板剪力墻體系方面，已經申請了4個發明專利。
“其實，作為抗力體系，這一體系很少在國內高層建筑中應用，多是實驗性項目，原因是其沒有建筑規范。”黃良表示，國外比如日本的建筑應用到最高也只有200多米，而津塔是336.9米。
為了使建筑安全可靠，上海華東設計院參照了美國以及歐洲的標準規范，對各個技術環節進行了反復比對。“這種體系在國內是首創，不是簡單照搬國外的設計，還需要滿足國內的相關要求與條件。”黃良指出。
這種條件首指國內的施工條件：津塔的柱、梁、薄型鋼板剪力墻、外部裝飾件、鋼樓梯等鋼構件多達2.7萬余件。其中，鋼柱直徑一般為1.6~1.7米，約20~30噸，最重的則達60噸，最重的單體構建（核心筒立柱）達48.5噸；桁架斜撐板厚為60~90毫米；標準層鋼板剪力墻高3.6米，寬3.3~7米，也就是說，單片標準層鋼板剪力墻的焊縫長度將達20.8米。如此“大塊頭”的鋼構件，無論是加工、運輸，還是安裝、焊接都需要很高的技術。
此外，鋼板剪力墻與核心筒柱連接方式為安裝螺栓+焊接，單塊單側安裝螺栓為30顆，要求施工測量精度高，最厚鋼板為100毫米，比其他鋼構件的焊接難度都大。一些建筑也有用鋼板剪力墻體系的，但大部分都是栓結完之后直接外包混凝土。像津塔寫字樓這樣的鋼板剪力墻，無論是其連接方式，還是其高度，在國際超高層建筑上都是首例。
為了解決這些難題，津塔采用樁筏基礎，結構形式為鋼管混凝土柱框架+核心鋼板剪力墻體系+外伸鋼臂抗側力體系，也稱作“筒中筒結構形式”，“筒”其實也就是一根根直徑在1.6~1.7米之間的鋼管，地下57根，地上53根，分核心筒與外框筒兩種。考慮到加工運輸及施工條件的限制，基本按照每3層樓(12.5米)1節鋼管進行分段安裝焊接。核心筒與外框筒間以鋼梁相連接成為層間地面，采用壓型鋼板組合樓板；核心筒鋼板剪力墻由鋼管(內灌混凝土)及薄型鋼板剪力墻等組成。
除了技術的挑戰外，建筑的設計方案還需要滿足開發商的需求。在美國，鋼板剪力墻體系是在結構封頂以后進行安裝的，以避免其不受豎向壓力的影響。如果按照這一設計手法執行，津塔的竣工時間將推后兩年。
這一時間表被開發商否決。怎么辦？這一問題擺在了華東設計院的面前。
討論異常激烈。最后，華東設計院提出了“給鋼板剪力墻體系加熱”的操作手法。這一操作手法在國際上幾乎沒有應用案例。華東設計院的結論是：鋼板剪力墻體系在地震的作用下會搖晃，加熱后，其晃動幅度會減小，其原理如同水中浮木一樣，避免了豎向壓力的影響。
“通過一些創新和突破，很好地解決了技術上的難題。”黃良說。
這一方案的實施，加上中建一局強大的施工能力，創造了兩天一層的建設速度，成為國內外超高層建設速度之最。
“這是我的設計初衷。希望在天津打造一片建筑群，突出海河美麗的濱水區域，能在天際線上標注這一城市中心。”津塔設計者SOM公司的Brian Lee指出。
其實，在設計之初，天津市政府即向項目業主方金融街（天津）置業有限公司提出了明確的要求，津塔必須設計為標志性建筑。通過一系列設計手法的應用，津塔成為了地標性建筑。
Brian Lee認為，是中國文化與自己所堅持的理念成就了津塔的設計。“建筑與構造方式如何豐富其為人們所創造的體驗”是他堅持的理念。此前，他在接受媒體采訪時也指出，很多情況下，在提出解決方案之前，盡量理解問題所在——場地、肌理、功能、建筑使用者、材質、實施方法、預算、地區精神面貌和文化，并通過處理上述問題可得出獨特的解決方案。“我不喜歡強加某種風格或教條，我愿意在優雅的建設過程中尋求美與靈感。”
因此，津塔的設計就是在追求美與靈感，借鑒中國傳統折扇的藝術造型，設計出了一棟呈揚起風帆狀的建筑。
這是一個頗具靈感與實用的設計手法。外部的玻璃幕墻運用縱向多折面的折紙造型，使得形體龐大的超高層建筑看上去顯得格外輕盈而秀美，從而削減了超大建筑體量的沉重感。在內部，整體建筑由內側核心筒與外筒組成，核心筒與外筒間以鋼梁相連接成為層間地面，而核心筒則由若干電梯井及薄型鋼板剪力墻組成。津塔由70個標準層與4個桁架層組成，每個桁架層暗含一個設備層，每隔14層設一個加裝斜向支撐的桁架層（亦稱為桁架區），用以加固自身結構。
此外，折扇三角形的窗戶可以有效增加其采光面積。設計師在津塔每層都設計了64個凸出的陽角空間，巧妙地增加了平面上的周長，使室內辦公室在每個凸出的玻璃幕墻位置得到超出一般辦公樓所能享有的180度的視覺效果。津塔頂端的葵花形觀景平臺是特別設計的透光結構，擁有整個大樓最好的采光。
“冰蓄冷制冷+低溫送風+變風量”組合式制冷系統，是目前建筑暖通系統中最為先進的系統技術，也是津塔經過多輪討論后最終采用的制冷方式。
“冰蓄冷就是利用夜間相對低廉價格的電制冰，第二天白天把冰冷量釋放出來，這樣可以減少白天機械運行的時間，節省了運行的費用。”上海華東設計研究院暖通設計師魏煒表示，同時，津塔項目選用的是空氣變風量系統，可以根據不同區域溫度需要設置調節風量，達到一個比較舒適的效果。
然而，這一組合在津塔這樣的超高層項目中應用，絕非易事。魏煒指出，津塔的特殊高度對暖通系統的水系統的分區影響很大：高度越高，系統的承壓越大，這就要求在不同的部位設置分級設備。“津塔的高度有300多米，而暖通設備在地下4層，這么高的壓力，設備承受不了。因此，我們在中間設置了一級冷熱交換站和二級交換站，以分散系統的承壓。”魏煒表示。
另外，津塔整體封閉性非常好，也對室內環境提出了更高的要求。一般來說，室內環境包括溫度、濕度及空氣品質。在這方面，上海華東設計研究院也進行了有效的設計，如在濕度上，在不同樓層、區域設置終端自動檢測系統，并根據建筑的朝向、使用情況，定時進行加濕處理，并凈化空氣。
作為超高層建筑，供電的可靠性至關重要。為了穩定地將電源輸送到高層，保障未來入住客戶的用電量，津塔項目從天津市電力公司引來了兩條35千伏的電源，在45層和60層分別設置了兩個變電所，并另設了兩臺柴油發電機作為備用電源。
上海華東設計研究院電力設計師韓鳳明指出，他們在津塔寫字樓電力系統設計上也創造了一個國內第一。一般情況下，高層建筑的電力都采用兩次降壓的模式，先是從35千伏降到10千伏，再從10千伏降到0.4千伏。但是，兩次降壓方案，會產生較大的變壓系統運行能耗，并且需要兩級變壓器系統設備的投入。而津塔設計師們突破了常規和習慣，創造性地采用了35千伏直降到0.4千伏的一級變壓系統，既有效保證了節能，也降低了設備的投入。另外，在目前國內的超高層建筑的設計中，將35千伏電力一直送到津塔這樣高的樓上的這種系統，可能還算是第一個。
