横跨4栋高楼,这座“躺着”的摩天大楼建在250米高空

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  我们早已对摩天大楼习以为常,但你见过横着的摩天大楼吗?就在今年5月底,重庆朝天门的来福士广场上,一座“横版摩天大楼”正式对外开放。

  

  (一)横版摩天楼,其实是一座水晶观景长廊

  说它是一座大楼是小看它,准确地说,它是一座建筑群,由8座超高层塔楼和一个6层商业裙楼组成,是一个集高档住宅、甲级写字楼、商场、服务公寓、酒店、餐饮会所为一体的大型城市综合体。

  水晶长廊修建在4栋250米高的大楼顶端,整体为钢架结构,长300米,宽30米,高22.5米,建筑面积1.56万平方米,总重4万吨,是国内首个超200米高空的超长超重弧形观景天桥。

  

  直上直下的高楼造起来相对容易,经过几十年的技术积累,如今的爬模施工、泵送混凝土等技术已经十分成熟,在国内的摩天大楼建造中,“三天一层”的速度已经成为了施工的标配。

  可是,要把这个四万吨的空中连廊运到250米高的塔楼上,这在国内完全没有先例可供参考。

  按照工期要求,空中连廊必须在各塔楼主体结构封顶后马上开始施工,这样可以保障裙楼商场提前开始营业。因此,施工方最后确定了“桁架整体提升”的方案。

  简单来说就是,将这条水晶长廊分成7段,其中四段在塔楼的楼顶,在塔楼封顶后直接进行施工,另外三段在四座塔楼之间,起连接作用,这三段连廊采用地面拼装、液压同步整体提升进行安装建设。

  

  (连廊节段顶升示意)

  每一个抬升的桁架段长24米,重900多吨,提升速度控制在每小时4-6米,每个节段都由六根钢索固定,钢索的上端悬挂在两侧塔楼的楼顶,通过牵引钢索,将桁架连廊逐渐吊装至楼顶位置,并与预先建好的楼顶段连接。

  每个连廊共有6个抬升点,这些抬升点必须保持行动完全一致,才能确保连廊的稳定和安全。

  为此,在提升过程中,项目还利用激光测距仪实时监测提升高度,利用应力应变监测仪实时监测杆件受力状况,采用行程及位移传感监测和计算机控制全自动实现同步动作、负载均衡、姿态矫正、受力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能,以保障整个提升过程中的安全。

  除了这些传统手段外,施工方还利用BIM进行了多塔楼与天桥的综合施工模拟与天桥全过程仿真施工模拟的手段,让施工人员对整个施工过程烂熟于心。

  来福士项目位于两江(长江、嘉陵江)交汇处,风荷载对施工的影响很大,在研究过程中,按照重庆市十年一遇大风进行计算,确定4级风及4级风以下可正常提升,4级风以上采取拉结措施,防止起吊中的连廊与塔楼发生碰撞。

  连廊起吊完成后,真正的施工难点——合龙工作才刚刚开始。

  早在提升之前的地面拼装过程中,抬升连廊的对接口坐标就已经预先进行了严格的控制。对接时,将抬升段的坐标与楼顶部坐标进行依次对接,就可以顺利合龙。

  然而,在吊装过程中,由于受力等原因,节段必定会产生一定的变形和偏移,这就会给合龙造成相当的困难,必须依靠节段上大量的传感器对吊装节段进行位置监测,并根据传感器数据进行及时调整,将合龙过程的精度控制到误差允许的范围内,确保结构的安全。

  (二)长300米重4吨,这样的空中连廊安全吗?

  这座“躺着的摩天大楼”最让人担心的,莫过于它的抗震性能。

  这样的结构被称作“异形结构”,它在地震下的表现与传统结构的楼房是完全不同的,需要单独进行研究。空中连廊结构需要面临风荷载和地震的双重考验,尤其需要考虑塔楼与连廊之间的相互作用,连廊的结构体系和连接方式都需要重点考虑。

  来福士广场的空中连廊与塔楼之间采用的是一种动态的连接方式,也就是说,它们之间不是刚性地结合在一起的,而是通过摩擦摆式的抗震支座和阻尼器间接相连。

  当地震发生时,廊桥与塔楼之间发生相对位移,抗震支座可以释放地震能量,辅以黏滞阻尼器减小连桥的总位移,减小支座的滑动半径。

  

  (空中廊桥与塔楼的连接示意图)

  滑动支承的变形可以释放因地震导致的廊桥结构内力,提高廊桥的抗震能力,进而减少廊桥的用钢量,减轻结构自重,进一步削弱地震响应。

  采用这种办法,连廊还可以形成连续结构,去除其内部的所有变形缝,不影响玻璃连廊的外观和幕墙设计。

  而且,黏滞阻尼器协助吸收地震能量和连桥滑移量,减小连桥与塔楼的相对位移,避免过大的局部变形缝,对建筑结构和机电设备的伤害最小。

  

  (摩擦摆式抗震支座)

  由于隔震支座和黏滞阻尼器的采用,建筑的最大需求反力对工程师们而言是可预估的,这简化了抗震节点的设计,使得支承连桥的转换梁与转换结构易于满足大震下性能目标。

  此外,与一般的一次性吸能减震支座不同,连廊采用的摩擦摆式支座具有自恢复功能,这使得在大风或者小震这些非极端条件下,节点的使用寿命更长,进而使得大楼在极端环境中安全系数更高。

  

  (摩擦摆式抗震支座的地震反应示意)

  同时,连廊也采取了许多其它手段来提高抗震性能。

  在总体设计上,连桥主结构形成刚度较好的盒形桁架结构,自身刚度和承载力分布均匀,减小了连桥自身相对位移导致的次应力。主桁架的主要构件为方钢管,局部抗扭能力强,在主次桁架弦杆所在的平面上,还增设了交叉水平支撑以提高平面内的刚度。

  (三)对于空中连廊,消防设计是个大挑战

  来福士大厦的空中连廊,可以称得上是全国难度系数最高的消防设计。

  首先,大楼位于坡地上,又位于重庆朝天门核心区,两江交汇处,给区域性消防带来很大的挑战。

  功能设计方面,它有110万方的体量,有一个地下室,地下室上面又有六层的裙房,上面又有六幢塔楼,因此疏散体系和消防救援体系必须具有相当大的体量。

  消防楼梯无法进入空中连廊,传统消防疏散手段的使用都受到很大的限制,由于重庆的复杂地形,裙楼的屋顶是塔楼的首层,消防车道同时也是裙楼屋顶通道,因此这个屋顶就必须要承受60吨重的消防车的运行。对整个裙楼的结构设计来说,这是一个重大挑战。

  为了解决这些问题,消防设计师们进行了三大自主创新。

  空中连廊本质是拱形屋架,不是常规的大空间,因此设计师采取了特殊的防火分隔方式,设计理念类似防火隔离带,在酒店大堂与餐饮区之间,砌起一个4米高的玻璃墙,4~19米以上还有空间连续性,这样既保证了消防安全,又保证了防火安全。

  常规思路认为,空中连廊20米的楼梯转到塔楼的12米楼梯是不安全的,设计师们转换了思路,采用转换的方式,从空中连廊转到避难层,再从避难层转到塔楼里面。避难层起到了重要的转换作用,竖向疏散就成为了横向疏散。转换层的设计,可以减少瓶颈效应,比传统的垂直疏散的效果更优。

  此外,设计师还采用了穿梭电梯辅助疏散的技术。穿梭电梯的可靠性强,大大提高了疏散人员的安全性。在过去的上海环球金融中心、深圳平安中心等工程上,这一设计被证明可以有效地提高疏散效率。

  

  水晶长廊的消防系统,代表着国内建筑消防设计的最高水平。通过水晶长廊积累的设计经验和理念可以在其它超高层建筑的建设中得到应用。

  结语

  来福士广场的投资总额超过240亿元,总建筑面积超过112万平方米,广场地下整合了陆地和水运的各种公共交通设施,成为朝天门一带的交通枢纽,观景天桥拥有270°天际观景台、50米无边际泳池,和屋顶花园,我们可以在高空俯瞰3D魔幻的重庆,感受重庆滨江璀璨夜景。

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  编辑| 史文慧

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