中国第一高楼现象级建造的背后
上海陆家嘴天际线
时隔上海中心大厦2016年运营8年后,中国这一最高建筑近日获得国家科技进步二等奖,再度激起业界和社会的瞩目。时光回溯至项目启动之初的2007年,时任上海市委书记的习近平亲自审定上海中心大厦项目,这一高楼从一开始便被寄予了厚望和超前的定位,承载着绿色、智慧、人文、国际一流的目标使命。在中国改革开放的浪潮中,众多超高层建筑如雨后春笋般拔地而起,不断刷新着天际线的高度。在上海,继东方明珠塔、金茂大厦、环球金融中心等标志性建筑之后,为何仍需再筑一座更高的摩天大楼?这背后蕴含着怎样的意义与价值?而其建设又耗费了多少人力、物力、财力的投入?为什么说它体现了“中国智慧”?
7月6日,既为庆贺建筑界获得国家科技进步奖这一重大喜事,也为总结反思展望我国超高层技术,上海中心大厦的业主方、设计方、施工方代表——上海中心大厦建设发展有限公司原总经理顾建平教授、同济建筑设计集团总工程师丁洁民教授、上海建工集团首席专家龚剑教授,在上海现代建筑科技馆作了2个小时的报告和互动交流。时间之短其实远不足以完整重现上海中心大厦背后的建造故事,不过从浓缩精华的分享中,依然感叹其诞生的伟大和不易。它的背后是中国工程技术和创新能力的集中体现,体现了“大胆创新,小心验证”的科研精神。用报告会主持人同济大学建筑和城规学院李振宇教授的一句话总结十分贴切:“左手稳如泰山(理论研究创新),右手如抱婴儿(施工实践落地),千头万绪,落子无悔。”
500家参建方的协鸣齐奏
632米高,建筑面积58万平方米,包含9个“垂直社区”和21个“空中花园”广场,集商务、办公、酒店、商业、观光、会展等功能于一体,上海中心大厦因此又被称为“垂直城市”。这是什么概念?顾建平介绍,这相当于上海老外滩从延安路到外白渡桥第一排建筑面积的总和。巨大的体量注定了这将是一场浩浩汤汤的建设行动。它涵盖了从课题研究、方案策划、施工图设计,到施工建造、后期运营等全生命周期流程,横跨勘察设计、机电设备、装饰材料、机械制造、文化艺术等多个领域,聚集了从国家到地方政府、行业协会、企业高校等各方面的智慧力量,是举全国乃至国际之力的杰出成果。
在上海中心大厦内部有一面长60米的荣誉墙,镌刻有4300多名建设者、500家参建方的名字,以表彰他们对项目建设和运营作出的贡献。据悉,从方案招标之初就吸引了十几家单位竞技,最终19个方案选一。而同济建筑设计集团也打破了中国当时在地标性建筑方案设计上唯境外公司的境状,与建筑设计公司Gensler、结构设计公司Thornton Tomasetti、机电设计公司Cosentini Associates共同参与方案和扩初设计,并负责后续施工图设计。而仅设计咨询单位又有50多家。其余主要参与单位有上海建工集团、上海建工一建集团、三一汽车制造有限公司、上海市机械施工集团、上海勘察设计集团等。RWDI、西安大略大学(加拿大)参与风洞试验。
从业主方来说,其重点关心的是绿色节能、舒适度、将来如何高效管理运维以及经济效益;从设计方来说,不仅要解决技术上的难题,还要融入绿色、智慧、人文等理念;从施工落地方来说,则要做好施工组织方案,保证整个建造过程的安全、质量、工期、成本。而上海中心大厦作为600米级超高层建筑,面临的挑战大多无先例可考,比如上海软土地基及市中心低影响条件下的桩基设计与基坑开挖、巨型结构的选型与抗风抗震设计、巨型玻璃幕墙的设计制作安装、混凝土裂缝控制及超高泵送等问题。
丁洁民表示,该项目从方案设计到全面投入运营,历时9年,是少有的按计划准时推进的项目,其中上海建工集团作出了非常大的努力,否则有100个理由停100次。从这个意义上说,一个重大项目的成功,各方的协调与协作能力,或许比技术领先更为重要。顾建平表示,该项目于2008年制定投资预算,2020年完成决算,最终实际投资未超出预算。
上海中心大厦
中国建造的一次“革命”
钻孔灌注桩及后注浆工艺,巨型框架-核心筒-伸臂桁架结构,减少高层风振影响的电涡流调谐质量阻尼器、千米级超高层建造整体钢平台模架及输送泵装备……这些今天在超高层建筑应用中比比皆是的技术,在当时却是超前探索。据悉,该项目在科研经费上的投入就有1.5亿元,为之开展的课题研究、模型试验以及获得的奖项、专利发明就数不胜数。表面上是造一栋高楼,背后堪称是以楼为载体对我国超高层技术开展的研究。它不仅对后续的超高层项目产生了辐射效应,更极大地推动了我国建筑工程等多个行业的技术进步,填补了多个领域标准规范的空白。
上海建工集团首席专家龚剑介绍,在桩基和基坑工程上,该项目摒弃了传统的打入式钢管桩工艺,率先将钻孔灌注桩工艺应用于350米以上的超高层建筑。通过桩端后注浆技术,单桩极限承载力显著提升,解决了上海软土地基桩基承载力不足的问题。同时,项目还建立了软土卸荷影响深度和深层滑移带理论,为微变形控制的基坑分区支护奠定了基础,实现了基础工程的经济、环保与工期的综合最优。在深度25米以上的软土基坑中,项目采用了主楼圆形顺作与裙房逆作相结合的绿色建造支护技术,有效节约了工期。此外,针对塔楼圆形基坑,项目还提出了软土地区明挖顺作圆形基坑刚深比的概念,用于评估其适用性和经济性。同时,研发的信息化远程实时监测监控与动态设计控制集成技术,确保了深大圆形基坑的安全稳定。
在混凝土施工上,该项目发明了高强度、低水化热、低收缩混凝土裂缝控制成套技术,攻克了大体积混凝土浇筑裂缝控制的难题;提出了基于温度梯度理念的大体积混凝土温度控制技术,并研发了C70低收缩高抗裂高强混凝土。通过采用混凝土减缩剂,成功解决了地下首层开裂问题。同时,项目研制的超高压力混凝土输送泵,成功将120MPa超强混凝土泵送至上海中心620米高度,创下了当时的世界纪录。此外,超高压耐磨抗爆混凝土输送管的研发,也有效解决了超高层泵送过程中的堵管、漏浆、爆管等问题。项目还完成了国家科技支撑计划项目《千米级超高层建造整体钢平台模架及输送泵装备研发与示范》研究,发明了下置顶升和上置提升智能控制模架设计与应用,实现了全过程爬升作业的智能控制。
数智建造
基础施工
同济建筑设计集团总工程师丁洁民指出,在巨型结构设计上,该项目首次在600米级超高建筑中采用了“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”的主体结构体系,这一创新设计包括实腹式钢骨混凝土巨型柱、双钢板混凝土组合剪力墙以及双层箱型布置的环带桁架,极大地提升了超高结构的抗力性能。同时,体形扭转、圆弧倒角、楔形立面的综合气动优化技术,以及120°旋转向上的曲面建筑外表皮造型,使有效风荷载效应降低24%。
120°扭转
在柔性幕墙设计上,该项目首次设计了“吊杆-环梁-径向支撑”的超高建筑巨型外柔内刚双层幕墙支撑结构系统,并发明了五种类型的柔性连接滑移支座装置,解决了复杂连接技术难题,实现了幕墙支撑系统板块本体与主结构之间的变形协同。
上海中心大厦建设发展有限公司原总经理顾建平介绍,上海中心大厦通过建筑本体绿色创新及绿色集成技术应用,实现了节能、节水、节电、节材与环境保护的显著成效。综合节水率达43%、节能率达54.3%,年减少碳排放2.5万吨,节省结构造价3亿元,节省材料2万多吨,阻尼器质量块重量减少200吨。此外,项目前瞻性地引入了三道空调过滤系统,实现疫情期间空调的正常开启。基于这一项目,促使住建部出台了《绿色超高层建筑评价技术细则》,使其成为全球超高层领域首栋荣获中国三星和美国LEED-CS铂金认证双重最高等级绿色建筑。电梯速度、行程、载荷均创造世界纪录,而空调箱低频噪音控制技术的突破更是推动了中国空调箱生产技术的进步,跨越了10至20年的水平。阻尼器3D音响技术和雕塑、音乐、光影秀集成一体,实现了科技与艺术的完美结合。
减少高层风振效应的阻尼器
由周绪红、丁烈云、郑时龄、叶可明等院士专家组成的验收委员会,对该项目技术成果也给予了高度的评价——13项研究成果总体达到国际先进水平,其中8项更是达到了国际领先水平。此外,该项目还荣获了国际奖项8项以及国内奖项9项。
同济大学建筑和城规学院教授李振宇在回顾这一项目时感慨:“中国建造和中国制造一样,是国家发展的重要支柱。”
如果再做一次上海中心大厦
在报告会上,丁洁民对上海中心大厦的技术作了总结和新的思考,表示如果再做一次,他会从以下7个方面有进一步的优化。
1.降低建筑层高。借助数字化技术,综合考虑各专业之间的协调,优化楼层净高,建筑层高还可以降低20厘米以上。一层减少20厘米或许不多,但累积起来数字是惊人的。
2.去掉内层环带桁架。经实测和理论分析,外层环带分担的竖向荷载比例较多,如再设计,可将内层环带去掉。
3.采用内埋钢骨混凝土剪力墙。通过实践表明,采用内埋钢骨的钢筋混凝土剪力墙,效果与钢板混凝土组合剪力墙一样,但可以减少施工难度、加快施工进度。
4.桩基承载力取值可以进一步提高,筏板厚度可以进一步减少。
5.随着工程技术的发展,混凝土强度可采用C100等级以上,钢材强度可采用Q420等级以上。
6.幕墙支撑结构可进一步优化,比如吊杆系统、环梁尺寸、节点类型等。
7.通过实际应用,TMD质量块可进一步优化到800吨左右,节省造价。
丁洁民介绍,基于上海中心大厦设计经验,470米高的重庆江北嘴国际金融中心项目以及500米高的中国国际丝路中心项目都作了技术改进。
在顾建平的下一个项目浦西第一高楼上,他发出愿景:“在限高令下,除了高度不能超越,其他都能超越。”他还表示,尽管当前中国建设速度有所减缓,但在国际市场上,我们有着强劲的竞争力和广阔的市场前景。
上海中心大厦工程关键技术专家报告会
地标性建筑设计理念的理性回归
据会上透露,上海中心大厦的含钢率控制在4%至6%的范围内,远低于央视总部大楼30%的含钢率。决算造价达180亿元,在扣除土地成本和利息后,每平方米的成本约为17000元,这在当时的市场环境下依然展现了其高度的经济性。顾建平在前几年曾进行过一项估算,若将其中40万平方米的面积进行资产证券化,当时的预估价值高达508亿元,显示出约2倍的溢价空间。
针对过去一些城市存在的建筑贪大、媚洋、求怪,特色缺失和文化传承堪忧等现状,2016年中共中央、国务院发布了《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》,提出“适用、经济、绿色、美观”的八字方针,旨在防止片面追求建筑外观形象,强化公共建筑和超限高层建筑设计管理。同时,鼓励国内外建筑设计企业充分竞争,培养既有国际视野又有民族自信的建筑师队伍。如今,建筑界正逐渐转变观念,开始追求更为理性、实用和绿色的设计方向。
本次报告会吸引了众多勘察、设计、施工、建材企业参与,上海鑫潮建筑科技有限公司、北京东方雨虹防水工程有限公司等单位就超高层建筑节能、防水、基础、结构、电力、隔音、舒适度等问题,与专家进行了互动交流。其中就节能问题,丁洁民表示,设计上海中心大厦时国家还没有提出“双碳”概念,所以未来还将引入“降低隐含碳”的理念,让低碳贯彻建筑工程全生命周期,确保在建筑设计、施工、使用乃至拆除的各个阶段都能落实降碳措施。
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