央視新大樓無(wú)疑是一座能夠瞬間擊中人的視覺(jué)和心靈的建筑。
央視大樓
央視新樓效果圖
央視新樓一隅
中央電視臺(tái)新臺(tái)址主樓懸臂鋼結(jié)構(gòu)對(duì)接處特寫(xiě)
鋼鐵巨人緊握雙手
隨著最后一顆螺栓被擰進(jìn)央視新大樓的合龍點(diǎn)，意味著央視新臺(tái)址主樓大懸臂合龍成功。
整個(gè)央視新大樓，可謂是鋼鐵構(gòu)建的“帝國(guó)”。整體用鋼量12.5萬(wàn)噸，是“鳥(niǎo)巢”用鋼量的3倍。其中使用到的鋼
構(gòu)件，沒(méi)有一個(gè)是相同的，這在世界上也是絕無(wú)僅有的。
挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)和重力
2002年，當(dāng)荷蘭大都會(huì)建筑師事務(wù)所庫(kù)哈斯公布央視新大樓的建筑設(shè)計(jì)方案時(shí)，人們簡(jiǎn)直不敢相信建筑可以做成這樣。即使到了今天，這座挑戰(zhàn)想象力的建筑已經(jīng) “扭曲”著屹立在北京東三環(huán)，人們依然驚奇，它是如何建成的。
“誰(shuí)說(shuō)結(jié)構(gòu)是不能重新設(shè)計(jì)的？誰(shuí)說(shuō)重力是不可戰(zhàn)勝的？”事實(shí)上，在上世紀(jì)末之前，庫(kù)哈斯的奇思妙想，在技術(shù)上還是不可能完成的。而在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)與施工中，又化為了一道道不斷需要逾越的坎。
2008年1月23日，高度達(dá)234米的央視新大樓全面開(kāi)始安裝
玻璃幕墻，其電視文化中心(CCTV)將在8月奧運(yùn)會(huì)期間投入使用，并進(jìn)行奧運(yùn)賽事直播。他們做了一個(gè)9米高的結(jié)構(gòu)模型，按照最不利的
荷載因素組合起來(lái)，放在一個(gè)能模擬地震的液壓平臺(tái)上，上面安裝了數(shù)百個(gè)
傳感器，用來(lái)監(jiān)控塔樓上1萬(wàn)多根構(gòu)件的位移，并測(cè)量在不同情況下哪個(gè)部位承受的壓力最大。“震到9度也沒(méi)有震壞，確定是安全的。”
這座全新的建筑，在北京的天空下，顯得格外的“扎眼”。
兩座豎立的塔樓雙向傾斜6度，在162米高處被14層高的懸臂結(jié)構(gòu)連接起來(lái)，兩段懸臂分別外伸67和75米，且沒(méi)有任何支撐，在空中合龍為L(zhǎng)形空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，總體形成一個(gè)閉合的環(huán)。
人們通常認(rèn)為摩天大樓應(yīng)該高聳入云，因此這樣一種回旋式結(jié)構(gòu)在建筑界并沒(méi)有現(xiàn)成的施工規(guī)范可循。
“從技術(shù)角度看，這個(gè)建筑最大的難度就是傾斜加懸挑。”中國(guó)工程設(shè)計(jì)大師、華東建筑設(shè)計(jì)研究總工程師汪大綏說(shuō)。
高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面最難的是3個(gè)問(wèn)題：傾斜、懸挑、扭轉(zhuǎn)，央視新大樓占了2項(xiàng)。汪大綏和他的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)央視新大樓的
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
尤其是，央視大樓傾斜的方向和懸挑的方向是一致的，就更給人一種視覺(jué)上的“搖搖欲墜”感。
由于北京位于地震帶上，這個(gè)貌似不穩(wěn)定的建筑，是否能經(jīng)受地震和大風(fēng)的襲擊，一直是人們議論的話題。施工前一些專家團(tuán)隊(duì)曾對(duì)央視新大樓進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為其結(jié)構(gòu)不太合理，如果一定要造，代價(jià)會(huì)很大。
“一個(gè)建筑方案的取舍，結(jié)構(gòu)不一定是一個(gè)決定性因素，如果希望建筑成為一個(gè)標(biāo)志的話，結(jié)構(gòu)就會(huì)退居第二。”汪大綏說(shuō)。
在這種情況下，央視新大樓既要保證安全性，又要體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，就給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很多需要研究的問(wèn)題。
對(duì)于
高層建筑來(lái)說(shuō)，
抗震、抗風(fēng)的最關(guān)鍵因素就是傾覆力矩，就是水平作用力與建筑高度的乘積。
另外，建筑在
地震作用下抗震性能的好壞，取決于建筑本身的延性，也就是建筑是否能在地震往復(fù)位移中快速地消耗地震的能量。“因此我們希望柱子有很好的耗能機(jī)制。”
央視新大樓的柱子采用的是
型鋼組合柱，是由
混凝土和鋼兩種材料組成的。出于抗震的要求，所使用的
鋼材必須要有很好的延性，可以發(fā)生很大的
變形，但在變形耗能的過(guò)程中又不至于發(fā)生損壞。
據(jù)介紹，一般建筑使用的型鋼組合柱中鋼的比例在10%~15%，但是央視新大樓出于對(duì)外形的考慮，希望柱子的尺寸小一點(diǎn)，因此提高了含鋼率，達(dá)到了30%。“含鋼量如此高的柱子，它的力學(xué)特性怎樣，之前不知道。”汪大綏說(shuō)。
汪大綏解釋說(shuō)，測(cè)試含鋼量30%的柱子延性，屬于構(gòu)件基本力學(xué)行為的試驗(yàn)，必須把含鋼量從低到高，一點(diǎn)點(diǎn)做上去，做的時(shí)候還需要力的不同比例。要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證高含鋼率組合柱的受力性能。
經(jīng)過(guò)測(cè)試，30%高含鋼率組合柱在大震作用下，延性和鋼柱基本相近，具有很好的抗震性能。“雖然高含鋼率組合柱是在央視新大樓特定條件下的產(chǎn)物，以后也沒(méi)有必要推廣，但重要的是我們摸到了高含鋼率柱子的特性。”汪大綏說(shuō)。
另外，一般建筑的柱子只是在地震發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)局部受拉或瞬間受拉。而央視新大樓塔樓由于傾斜，有些柱子是永久性受拉。為了使永久性受拉柱堅(jiān)固可靠，經(jīng)受得住地震和大風(fēng)的侵襲，設(shè)計(jì)還采用了高
強(qiáng)度的
錨栓，把柱子牢牢
地錨固在
底板里。
“這是大樓唯一采用進(jìn)口鋼材的地方，錨栓受拉
承載力達(dá)到每平方厘米1萬(wàn)公斤，一般建筑的使用也就是4000~5000公斤。這種做法在房屋建筑中也很少用到。”
為了確保安全，汪大綏告訴記者，他們做了一個(gè)9米高的結(jié)構(gòu)模型，按照最不利的荷載因素組合起來(lái)，放在一個(gè)能模擬地震的液壓平臺(tái)上，上面安裝了數(shù)百個(gè)傳感器，用來(lái)監(jiān)控塔樓上1萬(wàn)多根構(gòu)件的位移，并測(cè)量在不同情況下哪個(gè)部位承受的壓力最大。“震到9度也沒(méi)有震壞，確定是安全的。”
如何實(shí)現(xiàn)需要的斜率？
對(duì)于這種從未實(shí)踐過(guò)的建筑形式，央視新大樓的施工模擬顯得異常重要。“大樓要通過(guò)特別的施工模擬分析，真實(shí)地反映建造過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。”
傾斜的建筑，都存在P—△效應(yīng)，也就是說(shuō)，建筑結(jié)構(gòu)在外力的作用下，會(huì)進(jìn)一步增加側(cè)移值，并且引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件產(chǎn)生附加
內(nèi)力。由于P—△效應(yīng)的影響，將降低結(jié)構(gòu)的承載力和結(jié)構(gòu)的
整體穩(wěn)定。
按照設(shè)計(jì)，央視大樓的塔樓傾斜度為6度，如果建筑在建造過(guò)程中不斷加大傾斜度，“我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)我們需要的斜率呢？”
“也就是說(shuō)，我們勢(shì)必需要一個(gè)反向的變形，但每一個(gè)點(diǎn)要反向傾斜多少，不是一句話說(shuō)得清楚的。我們需要根據(jù)施工過(guò)程中的變形情況反向變形，這對(duì)我們這個(gè)大樓非常重要。”
而為了控制變形，建筑的重量越輕越好。但央視新大樓如此龐大，以至于僅鋼結(jié)構(gòu)自身就重達(dá)12.5萬(wàn)噸，再加上
樓板及玻璃幕墻的重量以及施工過(guò)程中使用的荷載(
設(shè)備、人)的重量，對(duì)控制結(jié)構(gòu)變形提出了巨大挑戰(zhàn)。
“對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，除了結(jié)構(gòu)自身的重量外，其他的荷載能晚點(diǎn)上就晚點(diǎn)上。等2個(gè)塔樓通過(guò)懸臂連起來(lái)后形成一個(gè)完整的整體后再施加其他重量，對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響就比較小。”汪大綏說(shuō)。
但對(duì)于三種重量施加順序的控制，對(duì)于需要在2008年北京奧運(yùn)之前局部投入使用的央視新大樓來(lái)說(shuō)，這種建造速度顯得太過(guò)奢侈。施工進(jìn)度是必須有一定保證的。
“結(jié)構(gòu)和混凝土樓板、玻璃幕墻應(yīng)該保持怎樣的施工順序關(guān)系，以使得結(jié)構(gòu)的位移能夠控制，這需要做很多分析，這方面工作的深度在之前的高層建筑大樓建設(shè)中從來(lái)沒(méi)有遇到過(guò)。”汪大綏說(shuō)。
央視新大樓的外表貌似“魚(yú)鱗”，共10萬(wàn)平方米的玻璃幕墻上，分布了27400余塊強(qiáng)烈的不規(guī)則幾何圖案。這些由槽
鋼構(gòu)成的斜交叉網(wǎng)格打破了單調(diào)重復(fù)的玻璃墻面結(jié)構(gòu)，使之成為一個(gè)看起來(lái)獨(dú)立且浮動(dòng)的菱形玻璃結(jié)構(gòu)體。
但這些，并不是為了追求別具一格的視覺(jué)效果。“幕墻外皮本身就形成很高的結(jié)構(gòu)。”汪大綏說(shuō)。這種不規(guī)則的交叉網(wǎng)格反映了從日常的荷載到強(qiáng)地震的不同情況下結(jié)構(gòu)受力的分布模式。在受力較大的區(qū)域網(wǎng)格的
密度較大，而在承載富余的地方則稀疏一些。
借助于精細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬所確定的這些網(wǎng)格，為的是確保每個(gè)對(duì)角線大梁能夠均勻承受分布不均的重量所帶來(lái)的壓力，進(jìn)而使壓力基本都能沿著系統(tǒng)傳遞下去，并找到導(dǎo)入地面的最佳路徑。
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