中交國際中心結構設計管控實踐

賀叢越

(中交天府成都實業有限公司，四川成都 610021)

1 工程概況

中交國際中心位于成都市天府新區中央商務區漢州路東側，距中心城區天府廣場約30 km，交通便利，配套完善。結構總高213.1 m，其中混凝土主體高170.3 m，以上為40 m高的鋼結構塔冠。項目用地為商務設施用地，凈用地18 469.67 m2，總建筑面積為159 971.88 m2，規劃地上為：商業部分1～4層；辦公部分4～39層(其中第12/23/34層為避難層)；酒店部分4～11層。地下三層，主要的設備房、酒店后勤和自行車庫布置在負一層，地下室其余區域為汽車庫。建筑效果圖及模型見圖1。

圖1 建筑效果圖及模型

本工程設計使用年限50 a，抗震設防烈度7度(0.10g)，設計地震分組第三組；抗震設防類別為重點設防類，安全等級二級；場地土類別為Ⅱ類。

2 方案階段設計大原則的確立

一般而言，對200 m左右的超高層，結構造價約占建筑總成本的30 %，因此在滿足安全適用的前提下，提高效率選擇合適的結構體系對控制成本尤為重要。本項目主塔樓方案設計啟動初期，在確保建筑設計有足夠發揮空間的前期下，項目管理團隊根據過往項目的經驗，為各設計顧問制定了以下幾個大原則。

2.1 塔樓高寬比

塔樓高寬比不大于7。塔樓高寬比是超高層影響造價的關鍵因素，超過規范適宜高寬比，需要較高的結構代價來滿足剛度需求。建筑師根據明確的高寬比要求，完成了多個立面設計，設定樓層高度，層數及厘定各層面積等，有效提升了設計效率。

2.2 內筒高寬比

內筒高寬比不大于15。JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》規定核心筒宜貫通建筑物全高。核心筒的寬度不宜小于筒體總高的1/12，當筒體結構設置角筒、剪力墻或增強結構整體剛度的構件時，核心筒的寬度可適當減小。與高寬比類似，對內筒高寬比的控制實際為從宏觀角度控制結構體系的剛度，當有可靠措施或者通過分析，結構指標滿足規范要求時，允許突破。200 m左右的框架核心筒超高層結構技術成熟，內筒高寬比在1/12～1/15之間已非常常見。

2.3 結構長寬比

結構長寬比按規范要求控制在6以內。

2.4 核心筒平面面積與建筑平面面積之比

根據大量工程項目的經驗總結，取15%～25%。

這個比值不宜太大亦不能太小，核心筒所占面積較大時，減少了建筑的使用面積，尤其對于辦公樓這類商業建筑，顯得不夠經濟且商業價值不大; 核心筒所占面積較小時，其抗側剛度不夠。

2.5 其他

(1)核心筒墻體面積占核心筒平面面積之比取0.14～0.19。

(2)外框架柱面積與核心筒外墻面積之比取1.0左右。

通過對類似項目工程經驗的梳理總結，在方案設計初期通過對影響結構性能與成本的關鍵指標進行控制，有效地從源頭上保證了設計的合理性與經濟性。

3 結構設計管控和比選的重點

在設計中，對若干專題進行了研究和比選，通過深入的分析和比較為業主方的決策提供了強有力的支撐。

3.1 結構體系的優選

高度在200 m左右的超高層辦公樓在超高層中占比最大，通常根據建筑的平面布局均為框架核心筒結構。從抗側力構件的角度，一般需要設置兩道防線，常用的組合是框架與筒體或者支撐進行組合。從對建筑功能的適應性出發，可供選擇的結構體系為鋼筋混凝土框架核心筒結構(中下部采用型鋼柱和鋼管柱)和混合結構，兩種體系各有優缺點。

鋼筋混凝土框架核心筒結構：技術成熟，應用普遍，具有剛度大，阻尼比大(0.05)，造價相對低廉等特點，在8度以下的低烈度區優勢明顯。即便超過300 m，采用混凝土材料仍有優秀的應用。例如深圳的漢國大廈，高312 m，75層，核心筒距離外框架柱跨度相對小(9 m)，樓蓋采用混凝土體系仍然比較經濟，施工圖統計結構造價約2 700 元/m2。

混合結構：框架的梁柱為鋼梁，鋼管混凝土柱或型鋼混凝土柱，筒體采用鋼筋混凝土核心筒。此種體系重量相對輕，抗震性能好，剛度大，阻尼比0.035～0.04，施工快捷。造價介于混凝土和全鋼結構之間。

從結構造價的角度，同條件下混合結構比鋼筋混凝土結構成本提高約20%～30%。從耐久性的角度，混凝土的耐久性不低于結構使用年限，不存在防銹防腐防火的問題，后期維護成本低。

從成都地區的自然條件，結構主體的高度，對建筑功能的適應性，施工便利度，結構成本等角度分析，經過綜合的測算與比較，本項目采用鋼筋混凝土框架核心筒結構。

3.2 核心筒豎向收進研究

為了提高平效，探討了超高層核心筒豎向收進的可行性。一般而言，核心筒基于下列原因在豎向會有變化：隨著電梯分區的變化而變化；隨著豎向空間形態的變化而變化；隨著體型的變化而變化。由于體型的變化，有些建筑物越往上越小，電梯井道在高區越往上越少，或者核心筒按分區逐區消減。

對于本項目，在討論分區的適用性時需要關注下面三個問題：首先，核心筒內設備豎向管井不能對齊，需要進行轉換處理。其次，收進容易造成核心筒剛度的突變和不均衡，引起偏心，若收進，最好兩端同時內縮。再次，外輪廓不變的情況下，筒體收進后框架柱距離筒體的距離顯著增大。需要設置從邊緣的剪力墻上設置轉換內柱，否則跨度太大影響凈高或經濟性。

經過通盤考慮，本項目核心筒不內收，通高設置。

3.3 框架柱選型

為了提高底部框架柱的抗震性能，減小截面尺度，底部框架柱可采用型鋼柱，鋼管柱，鋼管疊合柱等形式(圖2)，設計時對框架柱的選型方案進行比選。

圖2 框架柱選型示意

鋼管柱因防火防腐費用高且需后期維護，本項目不采納，經過測算，同樣的含鋼率下，鋼管混凝土疊合柱承載力/型鋼柱承載力=130 %。因鋼管疊合柱考慮了鋼管的套箍約束效應，承載力高，在成本上比型鋼柱有較大的優勢，是本項目的首選。

型鋼柱和疊合柱都要同時考慮鋼筋和鋼板的連接和避讓，節點的施工難度比普通鋼筋混凝土柱復雜。本項目摒棄規程中的常規較復雜的做法，疊合柱的節點直接采用鋼管上開矩形洞口，讓鋼筋穿進的方式，此方案大幅度減少了施工的復雜性和難度。設計時采取實體有限元分析來評估穿洞方案的可行性，有限元分析表明(圖3)，本節點方案滿足結構受力要求。

圖3 疊合柱開洞節點實體有限元分析

3.4 塔冠采用屈曲約束支撐(BRB)可行性研究

鋼結構塔冠為鋼框架支撐結構體系，在設計初期對比了普通鋼支撐和屈曲約束支撐(BRB)的兩種方案。框架-防屈曲支撐(BRB)具有如下優點(圖4)：

圖4 防屈曲支撐布置

(1)由于防屈曲支撐不存在平面外失穩的問題，和普通鋼支撐相比具有更高的承載力，用鋼量較普通支撐更小；

(2)防屈曲支撐在小震下為結構提供剛度，合理調整結構平面和豎向剛度；

(3)在設防烈度地震作用和罕遇地震作用下，防屈曲支撐結構體系具有耗能能力好、充分發揮鋼材性能的優點。

兩種方案對比的結論為：

(1)采用BRB支撐可滿足結構的各項計算指標要求；

(2)采用BRB后，鋼結構截面有所減小，節約鋼構件造價120萬；

(3)共采用BRB構件114根，每根BRB構件造價1～1.5萬元，其本身的造價與節約鋼材的造價基本相當，在本項目上無明顯優勢。

因此，后續方案采用普通鋼支撐方案。

3.5 塔冠轉換桁架的優化

頂部鋼框架通過轉換桁架與下部的混凝土結構相連，初期將鋼柱下插至屋面下一層形成整體桁架。經過優化，改進為在屋面標高以上形成整體的轉換桁架，避免了室內形成下插鋼柱影響使用功能的不利影響(圖5)。

圖5 鋼框架轉換體系示意

3.6 塔樓基礎方案的比選

塔樓采用大直徑人工挖孔嵌巖灌注樁，框架柱下一柱一樁，核心筒區域布設群樁，根據核心筒內外墻的荷載分布比例，樁的布置兼顧局部平衡(圖6)。

圖6 塔樓基礎平面布置

樁端持力層為中風化泥質粉砂巖，巖石飽和單軸抗壓強度標準值為7.0 MPa。

對于內筒的樁基布置，考慮了三種方案(圖7)。

方案一 方案二 方案三圖7 核心筒下樁基布置方案

方案一：均勻布樁，樁徑1.5 m，共55根。外圈墻下的樁幾乎都不與豎向構件重合。傳力不直接，筏板應考慮樁的沖切厚度和配筋均較大。

方案二：調整內部樁為梅花布設，外圈為橢圓樁。橢圓樁有效保證了樁距，但施工風險較圓樁大，護壁需特殊考慮，同等條件下受力效率不如圓樁。

方案三：核心筒采用直徑接近的樁，核心筒外墻與樁完全重合，內筒多數樁與剪力墻重合。樁徑2.2～2.4 m，共36根。此方案兼顧了局部平衡，傳力直接簡單，筏板配筋小，為最終方案。

4 結構體系的確立

根據方案階段的設計原則和設計條件，經過全方位的設計比選，最終呈現的方案為鋼筋混凝土核心筒結構和頂部鋼結構支撐框架豎向混合結構。塔樓為切角矩形，核心筒為矩形，長寬比為1.52，高寬比為4.76，內筒高寬比為13.3，核心筒面積占平面面積約22 %，核心筒墻體面積與核心筒平面面積之比為0.16，外框架柱面積與核心筒外墻面積之比為0.7。體系的宏觀尺度與指標符合前述的設計原則。

塔樓角部有八根向內傾斜的斜柱，傾角約3°。斜柱在重力荷載下產生附加彎矩，但提高了整體穩定性和剛度。

鋼結構塔冠位于頂部，有較大的鞭梢效應，門型體型為風荷載作用下有利體型。塔冠局部鋼柱通過轉換桁架與下部混凝土主體相連，有局部轉換。

本塔樓為辦公樓，根據建筑布局的高度較大之特點，主體結構采用較為成熟的鋼筋混凝土框架核心筒結構，核心筒為鋼筋混凝土結構。塔冠為鋼框架支撐體系，局部鋼管柱通過40F～41F空腹鋼桁架轉換。標準層平面布置見圖8。

核心筒采用現澆鋼筋混凝土，混凝土剛度大，耐火性能好，初始造價和后期維護費用均較低。核心筒厚度基于設計強度和抗側力剛度并考慮樓層上下剛度比而定，外墻自低區的900 mm變化為高區的400 mm，筒內橫墻厚度為300 mm，對于兩電梯廳間長墻，為滿足墻體穩定性要求，在滿足建筑的電梯設計條件下，增設250 mm混凝土隔墻，減少內橫長墻的無支長度。連接轉換鋼骨梁的頂層外墻筒內暗埋鋼骨并往下延伸一層。核心筒四大角和短墻肢內埋鋼骨。

考慮建筑立面的漸變效果，同時為保證豎向結構連續性，平面四個角部的8根框架柱隨外立面采用斜柱形式，其中四根斜至16F變為直柱，四根斜至頂板，最大的斜角度為3°。

15F樓面以下采用鋼管混凝土疊合柱，以提供足夠的剛度和強度，改善抗震延性要求，又使框架柱截面相對較小，疊合柱內含鋼率分別為3.5 %、4.18 %，疊合柱以上設兩層過渡層，8根斜柱鋼管上延到16F，其余設芯柱。17F以上為鋼筋混凝土柱。高區對應于塔冠鋼柱的八根框架柱內，鋼柱下延2F，變為鋼骨混凝土柱。

圖8 標準層平面布置

樓面采用單向布置的鋼筋混凝土樓面梁，外框柱距內筒距離為11.40～11.9 m，梁截面除滿足強度、剛度及裂縫控制

要求外，同時應滿足建筑凈高和機電走管要求。40F大屋面層支撐鋼結構塔冠的梁為型鋼混凝土梁。

核心筒內板厚120 mm；設備避難層板厚為：120 mm。核心筒外板厚為100～130 mm；地下室頂板板厚180 mm，斜柱直柱轉換樓層16F板厚為150 mm，混凝土大屋面板厚200 mm。2F、3F樓板板厚120 mm。其余板厚120 mm。

塔冠功能上為觀光廊橋和設備平臺，從標高170.20至標高213.00，塔冠為門型造型，門型桁架跨度為47.6 m，平面長向兩側的豎向構架的厚度均為5.5 m。

5 結 論

本工程結構屬于超B級高度的超限高層建筑，建成后將重塑天府新區的城市天際線。針對項目的特殊性及復雜性，在充分總結類似復雜項目的設計和施工經驗的基礎上，連同各專業設計顧問，從項目最初就積極探討各種可行方案，和相關運營單位協調磋商，為項目的積極推進，成本控制等提供了有力的支撐。

(1)在方案設計階段，通過對大量工程經驗的梳理總結，通過控制高寬比，內筒高寬比，筒體面積比等若干關鍵指標，為結構的可行性和經濟性提供了保障。

(2)對結構體系、基礎方案、框架柱選型等若干專題進行研究，對設計的合理性提供決策支撐。

(3)超高層項目通用為地標項目，功能復雜建造成本高，無論其使用功能包括辦公酒店還是商業，業主方及潛在的客戶群均對景觀、舒適度、可持續發展等方面有很高的要求。作為業主，還格外關注項目的成本控制，因此業主方要充分協調設計團隊各專業及運營團隊，在盡量滿足建筑功能的前期下，不斷探索不同的解決方案。這種全方位全流程的介入，強有力的把控了項目設計階段的關鍵點，為類似項目的管理提供經驗參考。

[1] JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2] GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] 趙攀宇，張莎，曾靖皓, 等. 中交國際中心超高層塔樓結構設計[J].建筑結構，2013，46(S1):11-17.