建筑结构访谈丨京城第一高楼“中国尊”结构技术挑战——访项目方案和初步设计负责人刘鹏

北京CBD核心区Z15地块中国尊(简称中国尊)（图1）地上总建筑面积约35万m2，建筑高度约为528m(至塔冠幕墙顶)，地上共108层。中国尊将是继北京国贸三期A塔楼后北京规划设计并建造的最高建筑物，预计将成为全球类似抗震设防水准下的最高建筑。

中国尊项目的业主单位是中信和业投资有限公司，设计由五家公司组成的设计联合体完成，其中奥雅纳负责结构设计的方案和初步设计阶段，北京市建筑设计研究院负责施工图设计。项目的方案设计和初步设计历时两年多。

图1 塔楼整体和CBD核心区鸟瞰图

（由KPF公司提供）

塔楼外形以中国古代用来盛酒的器具“尊”为意象，大楼平面基本为方形，底部尺寸约为78m×78m，在大楼的中上部平面尺寸略为收进，“腰线”最小部位约为结构标高为385m，平面尺寸为54m×54m（图2），向上到顶部平面尺寸又略为放大，但顶部平面尺寸小于底部平面尺寸，约为69m×69m。（回复关键词“中国尊”，即可获取有关该项目结构设计的内容）

图2 结构典型平面布置图

本刊有幸采访到中国尊项目方案和初步设计的负责人——奥雅纳公司副董事、奥雅纳北京办公室结构负责人刘鹏，他和我们分享了一些有关该项目在结构设计中遇到的技术挑战。以下是部分访谈内容，更多内容请见2014年7月《建筑结构•技术通讯》。

《建筑结构》：本项目采用了参数化设计方法，相对于传统设计手段，其优势体现在哪些方面？采用该方法后对于结构工程师的工作带来哪些便利？

刘鹏：本项目的结构体系与天津高银117有很多类似之处，但本项目的难点在于其曲面的造型。由于立面呈尊形（图3,4），每个楼层的外轮廓尺寸均不相同，角部的圆弧倒角半径也每层不同。

图3 整体立面效果图和“尊”的几何尺寸

（由KPF公司提供）

图4 塔冠建筑效果图及结构布置示意图

（建筑效果图由KPF公司提供）

更重要的是，在方案设计阶段建筑师对大楼曲线的不同几何定义进行了多次的研究，对于每个方案，作为结构工程师都需要给出量化的性能结果，以便于业主和设计团队做出决策。参数化的结构设计方法（图5）使得我们可以和建筑师的几何模型无缝对接，实时生成相应的结构模型，大大节省了工作量，加快了响应速度。

图5 参数化设计

《建筑结构》：本项目地处北京，抗震设防烈度为8度，与国内同类型超高层建筑相比，在受力特性方面有何特别之处？在超限审查环节，哪些方面的问题是参与该项目设计工作的各方共同关心的，各方是如何协调解决的？

刘鹏：本项目是国内目前8度区建设中的最高楼，完成后在全世界同等设计烈度下也是最高的建筑物。与其他7度区的超高层相比，抗震设计方面的要求更高，值得一提的是：

（1）在方案初期经过协调选取了较大的建筑底盘尺寸，有效降低了高宽比，为结构的可行性创造了条件。同时在建筑上也凸显了收腰造型的效果，达到了双赢的结果。

（2）功能业态的统一为形成单一形式的外框巨型结构创造了重要的条件。

（3）顶部尺寸放大给收腰部的核心筒提出了更高的抗震性能要求，这一点由弹塑性分析结果发现，并对其进行相应加强。

（4）本项目还存在的一个挑战是如何在8度区较好土质条件下满足剪重比的要求。这方面也是在与超限审查专家组的多次沟通，对结构体系进行了多次的优化和调整，最终达成了一个各方均满意的设计，项目的演变过程见图6。

图6 项目的演变过程

《建筑结构》：巨型柱作为关键受力构件之一，其截面选型受到诸多因素制约，在总结和吸收类似工程成功经验的同时，如何做到最优选择？

刘鹏：本项目的巨型柱均采用钢管混凝土柱（图7~9），第0区为六边形的多腔钢管混凝土巨型柱，与天津高银117类似。以上各区基本上是矩形钢管混凝土柱，与台北101和深圳京基100大楼类似。钢管混凝土已经成为一种成熟的施工技术，与钢骨混凝土截面相比，具有不用模板、避免钢筋锚固的复杂性的优点，同时，钢管与巨型斜撑等钢构件的连接也较为方便，但需要注意的是需要保证内部混凝土的浇筑质量和组合结构受力的整体性。

图7 最终采用的双重抗侧力结构体系

图8 巨型框架周边结构空间关系示意图

图9 巨型柱布置俯视图

《建筑结构》：弹塑性计算分析能直接验证结构体系的抗震性能是否合理，并且得到第三方设计单位的计算验证，请谈谈弹塑性的计算工作对指导本结构设计起到哪些有益的指导作用？

刘鹏：弹塑性时程分析对本项目的设计有重要的指导作用。我们和第三方弹塑性分析单位中国建筑科学研究院的结果相互印证，得出收腰处和顶部楼层的核心筒需要进行特别加强的结论，进而指导了结构设计的调整。在本项目的弹塑性时程分析中，我们也发现了地震波对分析结果的判断有影响，这也说明现在的非线性弹塑性时程分析仍然是一个较为复杂的计算手段，需要对相关理论有深入的理解，而不能仅仅依靠软件。

《建筑结构》：由于塔楼为超高层建筑，导致传递到柱底的轴力是非常巨大的，在基础设计方面，最终的基础形式是如何考虑多种因素并加以合理确定的？

刘鹏：（1）桩型确定方面：根据相关地勘资料并参考邻近项目经验，采用钻孔灌注桩，并进行桩端与桩侧复式后压浆施工。采用性质很好的第12层卵石、圆砾层为桩端持力层，有效桩长达40.1~44.6m，不同区域考虑桩径分别采用1000mm与1200mm。基于地勘资料提供的参数进行估算，并且经过试桩静载荷试验确定，两种桩型的单桩承载力分别可达到14500kN与16000kN。

（2）桩基布置方面（图10）：充分考虑了2011版基础规范的变刚度调平设计精神，在荷载巨大的核心筒与巨柱范围，布置单桩承载力及刚度较大的桩（桩径1200mm）；在塔楼其他荷载相比较小的区域，则布置单桩承载力及刚度较小的桩（桩径1000mm）。

图10 塔楼基础结构平面布置示意

（3）筏板布置方面。筏板采用变厚度布置，在荷载较大的塔楼区域筏板厚度6500mm，荷载较小的纯地下室部分筏板厚度2500mm，两部分过渡区域筏板厚度4500mm。并考虑到荷载传递到筏板的上部结构荷载巨大，筏板范围向东西两侧扩大，来容纳更多基桩承担上部荷载。并且在地下室巨柱和核心筒外侧设置翼墙，来使荷载分布更平均，同时可以增强筏板抗冲切承载力。

目前桩基筏板方案，由设计团队经过充分的上部结构-地基-桩基协调变形分析后，不论在承载力方面还是总沉降、差异变形方面，均可满足现行规范的相关要求。

受访嘉宾介绍：刘鹏，奥雅纳公司副董事，奥雅纳北京办公室结构负责人。英国结构工程师学会会员，香港工程师学会会员。参与/负责许多中国大陆及香港地区项目的结构设计工作，其中包括北京CBD核心区中国尊项目（528m）、中国国际贸易中心3期国贸大楼（330m）、天津高银117大楼项目（597m）、北京财富三期（258m）、大连裕景中心（380m）、中央电视台总部大楼、香港环球贸易广场（497m）等。

有关中国尊项目结构设计的详细内容请见《建筑结构》杂志的4篇文章：

题目：《北京CBD核心区Z15地块中国尊结构设计和研究》；作者：刘鹏，殷超，程煜，朱岩松，刘允博，吴海，李夏，杨名流，刘浩，李振兴；单位：奥雅纳工程顾问。

题目：《结构参数化设计在北京CBD核心区Z15地块中国尊中的应用》；作者：程煜,刘鹏,Dorothee Citerne,刘允博,马超,殷超；单位：奥雅纳工程顾问。

题目：《中国尊大厦外框筒建筑-结构一体化设计方法》；作者：齐五辉，宫贞超，常为华，杨蔚彪；单位：北京市建筑设计研究院有限公司。

题目：《中国尊大厦桩筏协同作用计算与设计分析》；作者：孙宏伟,常为华,宫贞超,王媛；单位：北京市建筑设计研究院有限公司。

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