中國尊工程技術淺析

陳雅璇

一、工程概況

中國尊選址于北京市朝陽區繁榮的CBD地段，其高度是北京建筑中最高的，地上建筑高528米，地上共108層、地下共7層，工程占地面積為1.15萬平方米，總建筑面積43.7萬平方米。可容納1.2萬人辦公，是集金融、辦公、商業、觀光為一體的北京市地標性建筑。其設計符合中國人傳統的審美觀，同時又不失時尚之氣，體現出莊重的東方神韻，尊頂高聳直入云端，與行頂天立地之勢不謀而合，其特殊地理位置更賦予了“中國尊”更加豐富的內涵。

二、中國尊基礎工程技術簡介

位于華北平原中部的北京，在數萬年的地質變化歷程中，經歷過劇烈的造山、沉積等地殼運動，形成了北京地區當前的地貌。伴隨著地殼運動的發展，褶皺變形和斷裂發育廣泛，巖漿活動也很頻繁，北京歷史上曾發生過較大的地震，因此抗震設計規范中將北京列為8度地震帶 。北京地區的巖性條件復雜，主要分為松散堆積物和密實的基巖。堆積物厚度從幾米到幾百米不等，主要為各類壤土、砂壤土、砂、卵礫石。

超高層建筑的建造中，基礎工程的設計與施工質量會對工程工期、造價、安全性等諸多方面產生很大的影響。為保證中國尊建筑的安全與經濟，就必須設計出一個堅實可靠的基礎來支撐上部結構傳來的荷載，因此在基礎設計施工前就必須縝密地進行場地的勘察工作。

勘察工作的第一步是鉆孔取樣，本工程最深的鉆孔達184米深，取樣共分為9個沉積層，每一沉積層的土粒徑都是由大到小的，及由圓礫卵石到中粒砂再到粉土最后過渡到粘土。

本工程場地與同將采用樁筏基礎的新中央電視臺相鄰，因此本工程參考了冶金工業工程質量監督檢測中心對中央電視臺的檢測報告，與本工程進行了對比，基于現場的試驗樁進行相同的測試，包含測定荷載沉降曲線，分析樁側表面摩擦系數變化特征，鉆孔灌注樁注漿施工工藝的優化等內容，最終擬合出了超長鉆孔灌注樁抗力性能、傳力性能等試驗參數，為設計施工提供了可靠的依據和參考。

綜合對比中央電視臺新址，中國尊最終決定采用樁筏基礎，將樁與筏視為一個整體，協同作用。中國尊樁基礎設計使用年限為50 年，安全等級設為最高的一級。面對地震作用時要求樁在中等強度的地震中保持變形在彈性變形范圍內；在面臨大地震時要求樁體不能屈服。根據上部荷載的應力分布情況設計不同長度的鉆孔灌注樁，盡可能地使樁端部插至巖體較密實的卵石持力層，如下圖所示。中國尊樁型共分為三種：位于核心筒和巨型柱下 P1 型、塔樓下其他區域 P2 型、塔樓與純地下室間過渡樁 P3型，如下表所示。

中國尊的鉆孔灌注樁示意圖

中國尊的樁型與樁長說明表

為了能設計出一個能支撐上部結構傳來的巨大荷載的基礎，計算與分析是至關重要的一步。對于超高層建筑來說，由于建筑高度比較高，對基礎的要求也會更加嚴格，基礎的總沉降和不均勻沉降量是決定超高層建筑安全可靠的關鍵指標，因此在進行基礎設計時，要將基礎的沉降指標作為控制條件，將樁筏視為一個整體，考慮地基土和基礎的相互作用，使用PLAXIS和ZSOIL等數值分析軟件進行差分計算分析，并利用BIM軟件實現從設計到施工的模擬以驗證其可行性。

三、中國尊上部結構形式淺析

中國尊塔樓整體建筑設計取意于中國傳統文化中的酒樽，曲線造型別具一格，作為北京的標志性建筑之一，彰顯其獨特的神韻。建筑主體高度為528米，樓層截面為從下往上，先變小后變大的方形樓板設計，為確定樽型詳細的外形尺寸包括底面尺寸、腰部縮放比例以及細部參數，設計師設計了同比例縮小的不同設計模型，把它們置于風洞或模擬地震的儀器上進行試驗并選出其中力學性能最優的一組設計，這為減小整體結構在風荷載和地震作用下響應提供了最優化的外形基礎。

與國內外超高層建筑先例類似，中國尊結構形式也為筒中筒結構體系，但由于“樽”形外表的特殊，結構外筒與外玻璃幕墻的聯系就成了設計的挑戰之一。為了使內外筒的質量中心與建筑的幾何中心線重合，內筒的設計為等截面設計，截面尺寸為39m×39m，從水準面一直向上延伸至頂層；外筒四角由四根巨型柱組成，巨型柱直接依靠鋼桁架彼此聯系在一起，此外玻璃幕墻與結構外筒之間也實現了最大程度的貼合。作用在外筒上的水平荷載通過連梁傳遞到內筒，連梁在整體結構中均勻布置，有利于結構的抗扭中心與幾何中心的重合。處于八度設防區的超高層結構也需要采取一些特殊設計來抵抗水平地震作用及高樓風荷載作用，雙連梁的設置有利于在地震中吸收地震能量，增加結構延性，減少主體承重結構的能量比例。

巨型柱是外筒承重體系中最主要的承重骨架，與一般柱構件不同，中國尊的巨型柱為了迎合酒樽式的外形而被做成了單支“雙曲線”的形狀。巨型柱可被劃分至鋼管混凝土的范疇，其最大截面積可達60多平方米，內部被分隔成多個腔室，每個腔室內又根據不同的設計需求布置各種型鋼、鋼板、鋼筋等作為巨型柱內部的骨架，內填混凝土，在巨型柱外鋼板的約束下，內部混凝土的抗壓能力大幅度提升，內部密實的混凝土也能使外部鋼板發生種種失穩、屈曲情況，鋼板與混凝土協同受力，使整體構件的抗力性能（抗彎、剪、扭）以及穩定性都會增強,在往復荷載作用下，鋼管的約束也會提升構件的延性來保障安全。由于巨型柱的受力情況十分復雜，內部構造極其繁瑣，直接使用外側的鋼板作為支護模板能夠大大減小工程量并保證柱體內混凝土澆筑的施工質量。此外，鋼管混凝土相比較于普通的混凝土柱在軸壓比相同的情況下，對材料的利用率會更高，因此能夠大幅減小截面尺寸從而節約成本，同時也能減少建筑自重。

在保證結構同時滿足抵抗垂直荷載和水平荷載的前提下，設計師優化了斜撐桁架與框架體系的布置，使它們位于同一斜平面上，以增加內部空間的使用率。對于關鍵節點的加強也使得結構能在地震作用下滿足剛度需求，使節點晚于構件破壞；一些次框架在極端工況下會先于主體結構破壞，吸收一部分能量，余下的應力會在主體結構中重新分布，形成一條新的有效傳力途徑，保證的結構整體穩固性和安全性。

四、總結與展望

中國尊作為北京最高的地標建筑，同時也是目前世界上位于8度抗震設防烈度區在建的最高建筑，面對如此艱巨的設計挑戰，設計師克服了許多技術難題，對建筑行業的發展做出了卓越貢獻，為高烈度地震區的超高層建筑的設計施工開辟了先河。中國尊還將綠色和可持續性發展的生態文明理念貫徹始終，通過調節建筑物的結構高度和方位朝向，充分利用冬季陽光和夏季自然風的流動，減少了冬季供暖以及夏季制冷的使用；建立起一套區域能源系統，實現區域集中供冷供熱，減少20%～40%的能源消耗，堪稱中國乃至世界的建筑典范。