中國第一高樓現象級建造的背后

上海陸家嘴天際線
時隔上海中心大廈2016年運營8年后,中國這一最高建筑近日獲得國家科技進步二等獎,再度激起業界和社會的矚目。時光回溯至項目啟動之初的2007年,時任上海市委書記的習近平親自審定上海中心大廈項目,這一高樓從一開始便被寄予了厚望和超前的定位,承載著綠色、智慧、人文、國際一流的目標使命。在中國改革開放的浪潮中,眾多超高層建筑如雨后春筍般拔地而起,不斷刷新著天際線的高度。在上海,繼東方明珠塔、金茂大廈、環球金融中心等標志性建筑之后,為何仍需再筑一座更高的摩天大樓?這背后蘊含著怎樣的意義與價值?而其建設又耗費了多少人力、物力、財力的投入?為什么說它體現了“中國智慧”?
7月6日,既為慶賀建筑界獲得國家科技進步獎這一重大喜事,也為總結反思展望我國超高層技術,上海中心大廈的業主方、設計方、施工方代表——上海中心大廈建設發展有限公司原總經理顧建平教授、同濟建筑設計集團總工程師丁潔民教授、上海建工集團首席專家龔劍教授,在上海現代建筑科技館作了2個小時的報告和互動交流。時間之短其實遠不足以完整重現上海中心大廈背后的建造故事,不過從濃縮精華的分享中,依然感嘆其誕生的偉大和不易。它的背后是中國工程技術和創新能力的集中體現,體現了“大膽創新,小心驗證”的科研精神。用報告會主持人同濟大學建筑和城規學院李振宇教授的一句話總結十分貼切:“左手穩如泰山(理論研究創新),右手如抱嬰兒(施工實踐落地),千頭萬緒,落子無悔。”
500家參建方的協鳴齊奏
632米高,建筑面積58萬平方米,包含9個“垂直社區”和21個“空中花園”廣場,集商務、辦公、酒店、商業、觀光、會展等功能于一體,上海中心大廈因此又被稱為“垂直城市”。這是什么概念?顧建平介紹,這相當于上海老外灘從延安路到外白渡橋第一排建筑面積的總和。巨大的體量注定了這將是一場浩浩湯湯的建設行動。它涵蓋了從課題研究、方案策劃、施工圖設計,到施工建造、后期運營等全生命周期流程,橫跨勘察設計、機電設備、裝飾材料、機械制造、文化藝術等多個領域,聚集了從國家到地方政府、行業協會、企業高校等各方面的智慧力量,是舉全國乃至國際之力的杰出成果。
在上海中心大廈內部有一面長60米的榮譽墻,鐫刻有4300多名建設者、500家參建方的名字,以表彰他們對項目建設和運營作出的貢獻。據悉,從方案招標之初就吸引了十幾家單位競技,最終19個方案選一。而同濟建筑設計集團也打破了中國當時在地標性建筑方案設計上唯境外公司的境狀,與建筑設計公司Gensler、結構設計公司Thornton Tomasetti、機電設計公司Cosentini Associates共同參與方案和擴初設計,并負責后續施工圖設計。而僅設計咨詢單位又有50多家。其余主要參與單位有上海建工集團、上海建工一建集團、三一汽車制造有限公司、上海市機械施工集團、上??辈煸O計集團等。RWDI、西安大略大學(加拿大)參與風洞試驗。
從業主方來說,其重點關心的是綠色節能、舒適度、將來如何高效管理運維以及經濟效益;從設計方來說,不僅要解決技術上的難題,還要融入綠色、智慧、人文等理念;從施工落地方來說,則要做好施工組織方案,保證整個建造過程的安全、質量、工期、成本。而上海中心大廈作為600米級超高層建筑,面臨的挑戰大多無先例可考,比如上海軟土地基及市中心低影響條件下的樁基設計與基坑開挖、巨型結構的選型與抗風抗震設計、巨型玻璃幕墻的設計制作安裝、混凝土裂縫控制及超高泵送等問題。
丁潔民表示,該項目從方案設計到全面投入運營,歷時9年,是少有的按計劃準時推進的項目,其中上海建工集團作出了非常大的努力,否則有100個理由停100次。從這個意義上說,一個重大項目的成功,各方的協調與協作能力,或許比技術領先更為重要。顧建平表示,該項目于2008年制定投資預算,2020年完成決算,最終實際投資未超出預算。

上海中心大廈
中國建造的一次“革命”
鉆孔灌注樁及后注漿工藝,巨型框架-核心筒-伸臂桁架結構,減少高層風振影響的電渦流調諧質量阻尼器、千米級超高層建造整體鋼平臺模架及輸送泵裝備……這些今天在超高層建筑應用中比比皆是的技術,在當時卻是超前探索。據悉,該項目在科研經費上的投入就有1.5億元,為之開展的課題研究、模型試驗以及獲得的獎項、專利發明就數不勝數。表面上是造一棟高樓,背后堪稱是以樓為載體對我國超高層技術開展的研究。它不僅對后續的超高層項目產生了輻射效應,更極大地推動了我國建筑工程等多個行業的技術進步,填補了多個領域標準規范的空白。
上海建工集團首席專家龔劍介紹,在樁基和基坑工程上,該項目摒棄了傳統的打入式鋼管樁工藝,率先將鉆孔灌注樁工藝應用于350米以上的超高層建筑。通過樁端后注漿技術,單樁極限承載力顯著提升,解決了上海軟土地基樁基承載力不足的問題。同時,項目還建立了軟土卸荷影響深度和深層滑移帶理論,為微變形控制的基坑分區支護奠定了基礎,實現了基礎工程的經濟、環保與工期的綜合最優。在深度25米以上的軟土基坑中,項目采用了主樓圓形順作與裙房逆作相結合的綠色建造支護技術,有效節約了工期。此外,針對塔樓圓形基坑,項目還提出了軟土地區明挖順作圓形基坑剛深比的概念,用于評估其適用性和經濟性。同時,研發的信息化遠程實時監測監控與動態設計控制集成技術,確保了深大圓形基坑的安全穩定。
在混凝土施工上,該項目發明了高強度、低水化熱、低收縮混凝土裂縫控制成套技術,攻克了大體積混凝土澆筑裂縫控制的難題;提出了基于溫度梯度理念的大體積混凝土溫度控制技術,并研發了C70低收縮高抗裂高強混凝土。通過采用混凝土減縮劑,成功解決了地下首層開裂問題。同時,項目研制的超高壓力混凝土輸送泵,成功將120MPa超強混凝土泵送至上海中心620米高度,創下了當時的世界紀錄。此外,超高壓耐磨抗爆混凝土輸送管的研發,也有效解決了超高層泵送過程中的堵管、漏漿、爆管等問題。項目還完成了國家科技支撐計劃項目《千米級超高層建造整體鋼平臺模架及輸送泵裝備研發與示范》研究,發明了下置頂升和上置提升智能控制模架設計與應用,實現了全過程爬升作業的智能控制。

數智建造

基礎施工
同濟建筑設計集團總工程師丁潔民指出,在巨型結構設計上,該項目首次在600米級超高建筑中采用了“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”的主體結構體系,這一創新設計包括實腹式鋼骨混凝土巨型柱、雙鋼板混凝土組合剪力墻以及雙層箱型布置的環帶桁架,極大地提升了超高結構的抗力性能。同時,體形扭轉、圓弧倒角、楔形立面的綜合氣動優化技術,以及120°旋轉向上的曲面建筑外表皮造型,使有效風荷載效應降低24%。

120°扭轉
在柔性幕墻設計上,該項目首次設計了“吊桿-環梁-徑向支撐”的超高建筑巨型外柔內剛雙層幕墻支撐結構系統,并發明了五種類型的柔性連接滑移支座裝置,解決了復雜連接技術難題,實現了幕墻支撐系統板塊本體與主結構之間的變形協同。
上海中心大廈建設發展有限公司原總經理顧建平介紹,上海中心大廈通過建筑本體綠色創新及綠色集成技術應用,實現了節能、節水、節電、節材與環境保護的顯著成效。綜合節水率達43%、節能率達54.3%,年減少碳排放2.5萬噸,節省結構造價3億元,節省材料2萬多噸,阻尼器質量塊重量減少200噸。此外,項目前瞻性地引入了三道空調過濾系統,實現疫情期間空調的正常開啟。基于這一項目,促使住建部出臺了《綠色超高層建筑評價技術細則》,使其成為全球超高層領域首棟榮獲中國三星和美國LEED-CS鉑金認證雙重最高等級綠色建筑。電梯速度、行程、載荷均創造世界紀錄,而空調箱低頻噪音控制技術的突破更是推動了中國空調箱生產技術的進步,跨越了10至20年的水平。阻尼器3D音響技術和雕塑、音樂、光影秀集成一體,實現了科技與藝術的完美結合。

減少高層風振效應的阻尼器
由周緒紅、丁烈云、鄭時齡、葉可明等院士專家組成的驗收委員會,對該項目技術成果也給予了高度的評價——13項研究成果總體達到國際先進水平,其中8項更是達到了國際領先水平。此外,該項目還榮獲了國際獎項8項以及國內獎項9項。
同濟大學建筑和城規學院教授李振宇在回顧這一項目時感慨:“中國建造和中國制造一樣,是國家發展的重要支柱?!?/span>
如果再做一次上海中心大廈
在報告會上,丁潔民對上海中心大廈的技術作了總結和新的思考,表示如果再做一次,他會從以下7個方面有進一步的優化。
1.降低建筑層高。借助數字化技術,綜合考慮各專業之間的協調,優化樓層凈高,建筑層高還可以降低20厘米以上。一層減少20厘米或許不多,但累積起來數字是驚人的。
2.去掉內層環帶桁架。經實測和理論分析,外層環帶分擔的豎向荷載比例較多,如再設計,可將內層環帶去掉。
3.采用內埋鋼骨混凝土剪力墻。通過實踐表明,采用內埋鋼骨的鋼筋混凝土剪力墻,效果與鋼板混凝土組合剪力墻一樣,但可以減少施工難度、加快施工進度。
4.樁基承載力取值可以進一步提高,筏板厚度可以進一步減少。
5.隨著工程技術的發展,混凝土強度可采用C100等級以上,鋼材強度可采用Q420等級以上。
6.幕墻支撐結構可進一步優化,比如吊桿系統、環梁尺寸、節點類型等。
7.通過實際應用,TMD質量塊可進一步優化到800噸左右,節省造價。
丁潔民介紹,基于上海中心大廈設計經驗,470米高的重慶江北嘴國際金融中心項目以及500米高的中國國際絲路中心項目都作了技術改進。
在顧建平的下一個項目浦西第一高樓上,他發出愿景:“在限高令下,除了高度不能超越,其他都能超越?!?/span>他還表示,盡管當前中國建設速度有所減緩,但在國際市場上,我們有著強勁的競爭力和廣闊的市場前景。


上海中心大廈工程關鍵技術專家報告會
地標性建筑設計理念的理性回歸
據會上透露,上海中心大廈的含鋼率控制在4%至6%的范圍內,遠低于央視總部大樓30%的含鋼率。決算造價達180億元,在扣除土地成本和利息后,每平方米的成本約為17000元,這在當時的市場環境下依然展現了其高度的經濟性。顧建平在前幾年曾進行過一項估算,若將其中40萬平方米的面積進行資產證券化,當時的預估價值高達508億元,顯示出約2倍的溢價空間。
針對過去一些城市存在的建筑貪大、媚洋、求怪,特色缺失和文化傳承堪憂等現狀,2016年中共中央、國務院發布了《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》,提出“適用、經濟、綠色、美觀”的八字方針,旨在防止片面追求建筑外觀形象,強化公共建筑和超限高層建筑設計管理。同時,鼓勵國內外建筑設計企業充分競爭,培養既有國際視野又有民族自信的建筑師隊伍。如今,建筑界正逐漸轉變觀念,開始追求更為理性、實用和綠色的設計方向。
本次報告會吸引了眾多勘察、設計、施工、建材企業參與,上海鑫潮建筑科技有限公司、北京東方雨虹防水工程有限公司等單位就超高層建筑節能、防水、基礎、結構、電力、隔音、舒適度等問題,與專家進行了互動交流。其中就節能問題,丁潔民表示,設計上海中心大廈時國家還沒有提出“雙碳”概念,所以未來還將引入“降低隱含碳”的理念,讓低碳貫徹建筑工程全生命周期,確保在建筑設計、施工、使用乃至拆除的各個階段都能落實降碳措施。
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