中交国际中心结构设计管控实践

贺丛越

(中交天府成都实业有限公司，四川成都 610021)

1 工程概况

中交国际中心位于成都市天府新区中央商务区汉州路东侧，距中心城区天府广场约30 km，交通便利，配套完善。结构总高213.1 m，其中混凝土主体高170.3 m，以上为40 m高的钢结构塔冠。项目用地为商务设施用地，净用地18 469.67 m2，总建筑面积为159 971.88 m2，规划地上为：商业部分1～4层；办公部分4～39层(其中第12/23/34层为避难层)；酒店部分4～11层。地下三层，主要的设备房、酒店后勤和自行车库布置在负一层，地下室其余区域为汽车库。建筑效果图及模型见图1。

图1 建筑效果图及模型

本工程设计使用年限50 a，抗震设防烈度7度(0.10g)，设计地震分组第三组；抗震设防类别为重点设防类，安全等级二级；场地土类别为Ⅱ类。

2 方案阶段设计大原则的确立

一般而言，对200 m左右的超高层，结构造价约占建筑总成本的30 %，因此在满足安全适用的前提下，提高效率选择合适的结构体系对控制成本尤为重要。本项目主塔楼方案设计启动初期，在确保建筑设计有足够发挥空间的前期下，项目管理团队根据过往项目的经验，为各设计顾问制定了以下几个大原则。

2.1 塔楼高宽比

塔楼高宽比不大于7。塔楼高宽比是超高层影响造价的关键因素，超过规范适宜高宽比，需要较高的结构代价来满足刚度需求。建筑师根据明确的高宽比要求，完成了多个立面设计，设定楼层高度，层数及厘定各层面积等，有效提升了设计效率。

2.2 内筒高宽比

内筒高宽比不大于15。JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》规定核心筒宜贯通建筑物全高。核心筒的宽度不宜小于筒体总高的1/12，当筒体结构设置角筒、剪力墙或增强结构整体刚度的构件时，核心筒的宽度可适当减小。与高宽比类似，对内筒高宽比的控制实际为从宏观角度控制结构体系的刚度，当有可靠措施或者通过分析，结构指标满足规范要求时，允许突破。200 m左右的框架核心筒超高层结构技术成熟，内筒高宽比在1/12～1/15之间已非常常见。

2.3 结构长宽比

结构长宽比按规范要求控制在6以内。

2.4 核心筒平面面积与建筑平面面积之比

根据大量工程项目的经验总结，取15%～25%。

这个比值不宜太大亦不能太小，核心筒所占面积较大时，减少了建筑的使用面积，尤其对于办公楼这类商业建筑，显得不够经济且商业价值不大; 核心筒所占面积较小时，其抗侧刚度不够。

2.5 其他

(1)核心筒墙体面积占核心筒平面面积之比取0.14～0.19。

(2)外框架柱面积与核心筒外墙面积之比取1.0左右。

通过对类似项目工程经验的梳理总结，在方案设计初期通过对影响结构性能与成本的关键指标进行控制，有效地从源头上保证了设计的合理性与经济性。

3 结构设计管控和比选的重点

在设计中，对若干专题进行了研究和比选，通过深入的分析和比较为业主方的决策提供了强有力的支撑。

3.1 结构体系的优选

高度在200 m左右的超高层办公楼在超高层中占比最大，通常根据建筑的平面布局均为框架核心筒结构。从抗侧力构件的角度，一般需要设置两道防线，常用的组合是框架与筒体或者支撑进行组合。从对建筑功能的适应性出发，可供选择的结构体系为钢筋混凝土框架核心筒结构(中下部采用型钢柱和钢管柱)和混合结构，两种体系各有优缺点。

钢筋混凝土框架核心筒结构：技术成熟，应用普遍，具有刚度大，阻尼比大(0.05)，造价相对低廉等特点，在8度以下的低烈度区优势明显。即便超过300 m，采用混凝土材料仍有优秀的应用。例如深圳的汉国大厦，高312 m，75层，核心筒距离外框架柱跨度相对小(9 m)，楼盖采用混凝土体系仍然比较经济，施工图统计结构造价约2 700 元/m2。

混合结构：框架的梁柱为钢梁，钢管混凝土柱或型钢混凝土柱，筒体采用钢筋混凝土核心筒。此种体系重量相对轻，抗震性能好，刚度大，阻尼比0.035～0.04，施工快捷。造价介于混凝土和全钢结构之间。

从结构造价的角度，同条件下混合结构比钢筋混凝土结构成本提高约20%～30%。从耐久性的角度，混凝土的耐久性不低于结构使用年限，不存在防锈防腐防火的问题，后期维护成本低。

从成都地区的自然条件，结构主体的高度，对建筑功能的适应性，施工便利度，结构成本等角度分析，经过综合的测算与比较，本项目采用钢筋混凝土框架核心筒结构。

3.2 核心筒竖向收进研究

为了提高平效，探讨了超高层核心筒竖向收进的可行性。一般而言，核心筒基于下列原因在竖向会有变化：随着电梯分区的变化而变化；随着竖向空间形态的变化而变化；随着体型的变化而变化。由于体型的变化，有些建筑物越往上越小，电梯井道在高区越往上越少，或者核心筒按分区逐区消减。

对于本项目，在讨论分区的适用性时需要关注下面三个问题：首先，核心筒内设备竖向管井不能对齐，需要进行转换处理。其次，收进容易造成核心筒刚度的突变和不均衡，引起偏心，若收进，最好两端同时内缩。再次，外轮廓不变的情况下，筒体收进后框架柱距离筒体的距离显著增大。需要设置从边缘的剪力墙上设置转换内柱，否则跨度太大影响净高或经济性。

经过通盘考虑，本项目核心筒不内收，通高设置。

3.3 框架柱选型

为了提高底部框架柱的抗震性能，减小截面尺度，底部框架柱可采用型钢柱，钢管柱，钢管叠合柱等形式(图2)，设计时对框架柱的选型方案进行比选。

图2 框架柱选型示意

钢管柱因防火防腐费用高且需后期维护，本项目不采纳，经过测算，同样的含钢率下，钢管混凝土叠合柱承载力/型钢柱承载力=130 %。因钢管叠合柱考虑了钢管的套箍约束效应，承载力高，在成本上比型钢柱有较大的优势，是本项目的首选。

型钢柱和叠合柱都要同时考虑钢筋和钢板的连接和避让，节点的施工难度比普通钢筋混凝土柱复杂。本项目摒弃规程中的常规较复杂的做法，叠合柱的节点直接采用钢管上开矩形洞口，让钢筋穿进的方式，此方案大幅度减少了施工的复杂性和难度。设计时采取实体有限元分析来评估穿洞方案的可行性，有限元分析表明(图3)，本节点方案满足结构受力要求。

图3 叠合柱开洞节点实体有限元分析

3.4 塔冠采用屈曲约束支撑(BRB)可行性研究

钢结构塔冠为钢框架支撑结构体系，在设计初期对比了普通钢支撑和屈曲约束支撑(BRB)的两种方案。框架-防屈曲支撑(BRB)具有如下优点(图4)：

图4 防屈曲支撑布置

(1)由于防屈曲支撑不存在平面外失稳的问题，和普通钢支撑相比具有更高的承载力，用钢量较普通支撑更小；

(2)防屈曲支撑在小震下为结构提供刚度，合理调整结构平面和竖向刚度；

(3)在设防烈度地震作用和罕遇地震作用下，防屈曲支撑结构体系具有耗能能力好、充分发挥钢材性能的优点。

两种方案对比的结论为：

(1)采用BRB支撑可满足结构的各项计算指标要求；

(2)采用BRB后，钢结构截面有所减小，节约钢构件造价120万；

(3)共采用BRB构件114根，每根BRB构件造价1～1.5万元，其本身的造价与节约钢材的造价基本相当，在本项目上无明显优势。

因此，后续方案采用普通钢支撑方案。

3.5 塔冠转换桁架的优化

顶部钢框架通过转换桁架与下部的混凝土结构相连，初期将钢柱下插至屋面下一层形成整体桁架。经过优化，改进为在屋面标高以上形成整体的转换桁架，避免了室内形成下插钢柱影响使用功能的不利影响(图5)。

图5 钢框架转换体系示意

3.6 塔楼基础方案的比选

塔楼采用大直径人工挖孔嵌岩灌注桩，框架柱下一柱一桩，核心筒区域布设群桩，根据核心筒内外墙的荷载分布比例，桩的布置兼顾局部平衡(图6)。

图6 塔楼基础平面布置

桩端持力层为中风化泥质粉砂岩，岩石饱和单轴抗压强度标准值为7.0 MPa。

对于内筒的桩基布置，考虑了三种方案(图7)。

方案一 方案二 方案三图7 核心筒下桩基布置方案

方案一：均匀布桩，桩径1.5 m，共55根。外圈墙下的桩几乎都不与竖向构件重合。传力不直接，筏板应考虑桩的冲切厚度和配筋均较大。

方案二：调整内部桩为梅花布设，外圈为椭圆桩。椭圆桩有效保证了桩距，但施工风险较圆桩大，护壁需特殊考虑，同等条件下受力效率不如圆桩。

方案三：核心筒采用直径接近的桩，核心筒外墙与桩完全重合，内筒多数桩与剪力墙重合。桩径2.2～2.4 m，共36根。此方案兼顾了局部平衡，传力直接简单，筏板配筋小，为最终方案。

4 结构体系的确立

根据方案阶段的设计原则和设计条件，经过全方位的设计比选，最终呈现的方案为钢筋混凝土核心筒结构和顶部钢结构支撑框架竖向混合结构。塔楼为切角矩形，核心筒为矩形，长宽比为1.52，高宽比为4.76，内筒高宽比为13.3，核心筒面积占平面面积约22 %，核心筒墙体面积与核心筒平面面积之比为0.16，外框架柱面积与核心筒外墙面积之比为0.7。体系的宏观尺度与指标符合前述的设计原则。

塔楼角部有八根向内倾斜的斜柱，倾角约3°。斜柱在重力荷载下产生附加弯矩，但提高了整体稳定性和刚度。

钢结构塔冠位于顶部，有较大的鞭梢效应，门型体型为风荷载作用下有利体型。塔冠局部钢柱通过转换桁架与下部混凝土主体相连，有局部转换。

本塔楼为办公楼，根据建筑布局的高度较大之特点，主体结构采用较为成熟的钢筋混凝土框架核心筒结构，核心筒为钢筋混凝土结构。塔冠为钢框架支撑体系，局部钢管柱通过40F～41F空腹钢桁架转换。标准层平面布置见图8。

核心筒采用现浇钢筋混凝土，混凝土刚度大，耐火性能好，初始造价和后期维护费用均较低。核心筒厚度基于设计强度和抗侧力刚度并考虑楼层上下刚度比而定，外墙自低区的900 mm变化为高区的400 mm，筒内横墙厚度为300 mm，对于两电梯厅间长墙，为满足墙体稳定性要求，在满足建筑的电梯设计条件下，增设250 mm混凝土隔墙，减少内横长墙的无支长度。连接转换钢骨梁的顶层外墙筒内暗埋钢骨并往下延伸一层。核心筒四大角和短墙肢内埋钢骨。

考虑建筑立面的渐变效果，同时为保证竖向结构连续性，平面四个角部的8根框架柱随外立面采用斜柱形式，其中四根斜至16F变为直柱，四根斜至顶板，最大的斜角度为3°。

15F楼面以下采用钢管混凝土叠合柱，以提供足够的刚度和强度，改善抗震延性要求，又使框架柱截面相对较小，叠合柱内含钢率分别为3.5 %、4.18 %，叠合柱以上设两层过渡层，8根斜柱钢管上延到16F，其余设芯柱。17F以上为钢筋混凝土柱。高区对应于塔冠钢柱的八根框架柱内，钢柱下延2F，变为钢骨混凝土柱。

图8 标准层平面布置

楼面采用单向布置的钢筋混凝土楼面梁，外框柱距内筒距离为11.40～11.9 m，梁截面除满足强度、刚度及裂缝控制

要求外，同时应满足建筑净高和机电走管要求。40F大屋面层支撑钢结构塔冠的梁为型钢混凝土梁。

核心筒内板厚120 mm；设备避难层板厚为：120 mm。核心筒外板厚为100～130 mm；地下室顶板板厚180 mm，斜柱直柱转换楼层16F板厚为150 mm，混凝土大屋面板厚200 mm。2F、3F楼板板厚120 mm。其余板厚120 mm。

塔冠功能上为观光廊桥和设备平台，从标高170.20至标高213.00，塔冠为门型造型，门型桁架跨度为47.6 m，平面长向两侧的竖向构架的厚度均为5.5 m。

5 结 论

本工程结构属于超B级高度的超限高层建筑，建成后将重塑天府新区的城市天际线。针对项目的特殊性及复杂性，在充分总结类似复杂项目的设计和施工经验的基础上，连同各专业设计顾问，从项目最初就积极探讨各种可行方案，和相关运营单位协调磋商，为项目的积极推进，成本控制等提供了有力的支撑。

(1)在方案设计阶段，通过对大量工程经验的梳理总结，通过控制高宽比，内筒高宽比，筒体面积比等若干关键指标，为结构的可行性和经济性提供了保障。

(2)对结构体系、基础方案、框架柱选型等若干专题进行研究，对设计的合理性提供决策支撑。

(3)超高层项目通用为地标项目，功能复杂建造成本高，无论其使用功能包括办公酒店还是商业，业主方及潜在的客户群均对景观、舒适度、可持续发展等方面有很高的要求。作为业主，还格外关注项目的成本控制，因此业主方要充分协调设计团队各专业及运营团队，在尽量满足建筑功能的前期下，不断探索不同的解决方案。这种全方位全流程的介入，强有力的把控了项目设计阶段的关键点，为类似项目的管理提供经验参考。

[1] JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2] GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 赵攀宇，张莎，曾靖皓, 等. 中交国际中心超高层塔楼结构设计[J].建筑结构，2013，46(S1):11-17.