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腾飞的东方巨龙--上海中心大厦工程关键技术获科技进步特等奖

日期: 2019-05-15
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它是中国最受瞩目的“超级工程”之一,被誉为 “腾飞的东方巨龙”。


腾飞的东方巨龙--上海中心大厦工程关键技术获科技进步特等奖


今天(5月15日)中午,上海市科学技术奖揭晓,特等奖再次爆出“双黄蛋”——“上海65米射电望远镜系统研制”和“上海中心大厦工程关键技术”同时获得科技进步特等奖。


如果说“上海65米射电望远镜系统研制”(天马望远镜)体现了重大科技突破“十年磨一剑”的漫长艰辛历程,那么“上海中心大厦工程关键技术”则刷新了上海科技乃至中国科技的新高度。


工程建设突破了传统层叠式超高层理念,首创了“垂直城市”超高层建筑模式,在建设过程中采用了多项新型建筑技术,克服了软土地基、高层建筑风振、大面积混凝土一次连续浇筑、超高混凝土泵送、钢结构精益建造等难题,以我国唯一突破600米、世界高度第二的建筑总高度、绿色环保节能的设计理念、螺旋式上升的建筑结构和极大的施工难度,成为中国最受瞩目的“超级工程”之一,被誉为“腾飞的东方巨龙”。


全球最快电梯、千吨阻尼器、空中花园、穹顶音乐厅……站在这座高达632米的垂直城市之巅,只能用两个字来形容——震撼!


让人意想不到的是,上海中心获得特等奖的硬核技术,居然因为“软”。


腾飞的东方巨龙--上海中心大厦工程关键技术获科技进步特等奖


一“软”:软土上插“钢针”怎么不倒?


腾飞的东方巨龙--上海中心大厦工程关键技术获科技进步特等奖

▲上海中心大厦建筑大数据,地下5层,地上127层,建筑高度632米。


建一座摩天大楼,就是一次国家乃至世界级建筑科技水平的大展示。作为陆家嘴地区超高层建筑群的“收官之作”,上海中心大厦从打桩到主楼核心筒结构封顶,可谓是千难万险、荆棘丛生。


建造摩天大楼,一个关键的难题就是搭设符合施工要求的钢平台体系。来自上海建工的大厦建设者们精心编制施工流程,反复验算对比技术参数,对原来金茂大厦、环球金融中心建设过程中使用的钢平台体系进行了改革和创新,最终形成了跳爬式液压整体自升钢平台脚手体系。这个脚手体系足有两个篮球场那么大,平台上可容纳150吨钢筋堆放,犹如一艘“空中航母”。这一关键装备,为复杂核心筒顺利施工提供了保障,使工程主体结构实现了从7天一层攀至3天一层的速度。


核心筒最难的就是高强度混凝土泵送、整体钢平台体系施工、超高层建筑安全管理。建设者们先后解决了应对上述问题的关键装备、关键技术。为保证高强混凝土超过600米的泵送高度,项目部和三一重工联手,研制出HBT90CH-2150D混凝土输送泵,这也是当时世界上最强最高的混凝土运输泵。这个输送泵一举创造了两个国内外新纪录——超大体积混凝土一次性浇筑6万立方米和实体结构混凝土一次输送达到610米的输送高度。


万丈高楼平地起,全靠基础来支撑。上海中心大厦高为632米,共125层,总重量达85万吨,当时支撑这栋超高层大厦的基础深度亦为中国之最。


建设者们建立了软土地区超高层沉降计算本构模型,突破了软土地基沉降发展历程精准难测的难题,突破软土打入式钢管桩的传统工艺,率先在350米以上超高层建筑中采用大直径超深钻孔灌注桩技术,使得裙房深度最大桩深64.8米,主楼最大桩深达到86.85米,这一超常规工程不仅在上海地区属首例,更是一举为此后超高层建筑采用钻孔灌注桩奠定了基础。


传统的打桩机不仅施工噪声大,而且产生的震动会对周围的建筑造成不同程度的影响。钻孔灌注桩采用的是地下打孔技术,不仅没有噪声,而且极大地减少了对周边建筑的影响。毕竟,金茂大厦开建的时候,浦东陆家嘴地区还没有几幢高层建筑,而到上海中心大厦施工时,已是高楼林立,地铁丛生。要在这么复杂的工况下建筑超高建筑,且不能影响周边高楼大厦的正常办公,其难度可想而知。


通过信息化施工手段,建设者们随时根据环境监测单位提供的监测报告调整施工方案和施工顺序,最大限度地做到在施工全过程中对建筑工地周边环境的保护。为保护周边环境,当时在上海开挖面积最大(2.2万平方米,相当于3.2个足球场),开挖深度最深(最深29.3米)、土方量最大(60多万立方米)的大厦裙房地下深基坑施工中,项目部采用独特的逆作法施工技术,成功打造了上海看不见的地下“高度”。绿色超高层施工方案的严格执行,确保了这座中国最高的绿色建筑过程精彩、结果完美。


腾飞的东方巨龙--上海中心大厦工程关键技术获科技进步特等奖

▲用不锈钢包裹的柱子,采用镂空工艺,特别像梵高的作品《星空》。


此外,针对钻孔灌注桩直径大、超深的特点,建设者们率先在国内软土超高层中采用非锁口管套铣接头新工艺,突破超深地墙施工瓶颈,采用先进的钻孔桩施工设备,使得钻孔灌注的钢筋混凝土桩的设计承载力达到了3000吨,955根钻孔桩大大降低了钢材使用量,使得整体造价节约了60%以上。这些技术为我国百米级超深地下连续墙应用奠定了坚实的基础。


二“软”:水晶宫怎样不惧台风?


腾飞的东方巨龙--上海中心大厦工程关键技术获科技进步特等奖

上海中心大厦设计摆脱了高层建筑传统的外部结构框架,设计了旋转、不对称的外部立面,使风载降低24%,实现了美学与风工程的最佳结合。这种“内刚外柔”的新型巨型结构设计理论体系,更是首创设计了主体结构与外围柔性悬挂支撑结构变形协同一体的双层表皮玻璃幕墙。


腾飞的东方巨龙--上海中心大厦工程关键技术获科技进步特等奖

这种外幕墙玻璃的墙钢结构支撑体系结构非常复杂,以主体结构八道桁架层为界,共分为9区,每区幕墙自我体系相对独立,是世界上首次在超高层安装14万平方米柔性幕墙,共有20357块不同大小曲面的玻璃需要安装,被业界定义为“世界顶级幕墙工程”,难度系数堪称世界之最。


整个玻璃幕墙体系,不仅需要克服上下跨度大、支撑玻璃幕墙钢环梁构建超长等难题,更要综合考量如何在台风、地震、高低温、幕墙玻璃板块自重加载等各种环境因素影响下,对幕墙变形及结构安全实施有效的控制。


经过对比,上海中心外幕墙工程选择了在支撑结构体系关键点上安装允许结构伸缩的“可滑移支座”方案,赋予外幕墙在外界作用下能在设计允许范围内发生竖向或水平位移,如此一来,就可以避免幕墙结构因应力过大而破坏,做到以柔克刚。而其120度旋转向上收分的外形设计,不仅为大楼降低了24%的风荷载,也可以有效抵御台风的影响。


为确保在狂风、暴雨和高压等恶劣条件下,上海中心外幕墙的各项性能达到设计要求,杜绝“玻璃雨”,外幕墙经过了水密性能、气密性能、抗风压性能、平面内变形性能的“四性测试”,以及150%设计荷载下结构安全等性能指标的试验,以保证安全。


设计师还为外幕墙的玻璃设置了重重防护:第一道防护——使用超白玻璃,与普通钢化玻璃相比,自爆率接近于零。第二道防护——玻璃中加胶片,即使玻璃在剧烈的锤击试验下慢慢破裂,所有碎片也能牢牢附着在胶片上,不会落地。


同时,双层幕墙之间的空腔成为一个温度缓冲区,就像热水瓶胆一样,避免室内直接和外界进行热交换,采暖和制冷的能耗比单层幕墙降低50%左右。


双层玻璃幕墙的设计,使得建筑内空中庭形成了独立的生物气候区,大大改善了大厦内的空气质量。与传统的直线型建筑相比,上海中心大厦的内部圆形立面使其眩光度降低了14%。


江南地区的雨水充沛,于是大厦顶端被巧妙地设计成了螺旋形,可以用来收集雨水,然后进行回收再利用。在大厦顶部,还安装了功力强大的风力涡轮发电机,大自然的风,为这座直立的城市提供源源不断的绿色电能——270台500瓦的风力发电机,每年可以产生118.9万千瓦小时的绿色电力。


“上海中心大厦是一座‘绿色’摩天楼。”上海中心大厦工程关键技术项目主要完成人、上海建工集团技术总监朱毅敏说,尽管当时许多摩天楼都采用了一些绿色节能技术,但在国内同时取得中国绿色建筑评价体系和美国LEED绿色建筑认证体系的摩天大楼中,上海中心大厦可谓是首开先河。


“作为世界未来超高层建筑的代表,上海中心大厦以生态、节能、环保、以人为本为灵魂,定位于打造一个资源高度集约化、能源高度节约化,实现人、建筑、城市与自然和谐共存的绿色超高层建筑。上海中心大厦在科技上,在节地、节水、节能、节材、室内环境质量及运营管理等方面采用了43项绿色建筑适用技术。”


朱毅敏介绍,设计师从蓝图开始,就为这座摩天大厦精心打造与之并肩的绿色环保“智慧高度”。


三“软”:住进钢筋水泥还能身心愉悦?


上海中心大厦建设发展有限公司总经理顾建平则指出,上海中心大厦不仅仅是一座超高层建筑,更是一座垂直的城市,其建筑面积差不多是老外滩第一排建筑面积的总和,可同时容纳3万人从事各种活动。“它是一座竖起来的外滩”。


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上海中心建有21座空中花园。花园就设在双层幕墙的中间区域,成为一个巨大的客厅,同时布置有大面积绿化装饰。人们在这里不仅可以驻足聊天,还能眺望陆家嘴及外滩沿岸的风景。空中花园仿佛在摩天大楼内引入了高空自然环境,可减少超高层建筑给人带来的压抑感。


腾飞的东方巨龙--上海中心大厦工程关键技术获科技进步特等奖

▲令人心旷神怡的中庭花园。


在上海中心,有9个垂直社区,每个社区的高度为12—15层。整座大厦内的电梯多达154部,为垂直运输提供保障。而其中运营速度最快的电梯,要数3台可以直达大厦118层、119层观光层的超高速电梯了。


电梯从地下二层启动,只见屏幕上显示着电梯的即时速度:每秒18米!经过的楼层数字不停跳动,只需55秒,就到达了119楼观景台。这三部电梯,已经超越秒速16.83米的台北101电梯,成为全球最快电梯。


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▲世界最快电梯里的显示屏。


为避免电梯高速移动产生的震动和风声造成乘客不适,电梯特别采用特殊导轨和流线型外罩,移动起来相当平稳,即使在地上竖起一枚钱币,也能做到纹丝不动。


位于上海中心126层的“上海慧眼”,工程学名叫做阻尼器。这是为了削减强风下高层晃动的专业工程装置,它由吊索、质量块、阻尼系统和主体结构保护系统四个部分组成,高达30米的“慧眼”造型令人耳目一新。在清新的视觉感受下,它实际上是一个重达1000吨的超级巨无霸,作为目前世界上最重的摆式阻尼器质量块,它和吊索构成一个巨型复摆,与主体结构产生的共振,能消减大楼晃动。


腾飞的东方巨龙--上海中心大厦工程关键技术获科技进步特等奖

▲世界上很多高楼都将阻尼器所在楼层向公众开放,成为一个必不可少的旅游景点。


上海中心的阻尼器,和其它高楼阻尼器有很多不同。“和以往阻尼器利用机械原理不同,上海中心首创了世界上第一个引入电磁原理的阻尼器,由上海材料所自主研发,填补了世界空白。”顾建平表示,这一技术上的提升,令大厦内90%的人能感受到较大的舒适度。


作为一座立体的“文化社区”,除了将“笨头笨脑”的阻尼器制成一件有着深刻寓意的艺术品,“上海慧眼”所在的第125层和126层,还是一座神圣的文化殿堂。


“上海慧眼”顶部,有着一个直指苍穹的圆洞。经过精心的声学设计,“上海慧眼”阻尼层将会经常上演全世界的“天籁之音”,站在这个离天空最近的地方,在美妙的旋律下,也许人们可以真正感受何谓“天人合一”。


四“软”:维护钢铁巨人怎么万无一失?


现在,我国建筑行业普遍应用BIM技术。但在当时像上海中心大厦这样全面运用BIM技术的高层建筑并不多见。


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▲上海中心大厦观光层,有一种世界在我脚下既视感。


据机施集团总裁助理贾宝荣介绍,打开上海中心大厦工程总承包项目部BIM工作室的电脑,一个虚拟的上海中心大厦就呈现在眼前:密密麻麻的设计线条、一幅幅彩色三维图,准确勾勒出摩天大楼各部位的“骨骼”。图中有一些显眼的“红色”,技术人员说这是提示设计发生了“碰撞”:风管“撞”了钢梁,擦窗机“碰”到外幕墙支撑,钢结构“触”及内幕墙……这些在三维模型里一目了然,可以马上调整、优化。


BIM中的M,原先是英文Model(即模型)的缩写,不过,在上海中心大厦建设者眼里,M更应理解为Manage(即管理)。因为这里的BIM技术,已覆盖上海中心大厦的“全生命周期”,从深化设计、施工组织,到进度管理、成本控制、质量监控等,改变着传统的工作方式。


比如,上海中心大厦的双层幕墙,每层有140多块各不相同的玻璃幕墙包裹,整个大楼2万多块幕墙构件无一相同。按传统施工法,很难高精度安装。用BIM技术在电脑中精确计算、三维演示,每块构件到了施工现场,将现场测量的数据输入电脑与理论数据相比对,通过实际情况与理论模型合模后,可以使玻璃幕墙成品的误差控制在1毫米以内。


上海中心大厦的生命周期预计在100年左右,未来的运营、使用、维修等,建设者们也通过BIM技术进行了论证。(来源:新民晚报)


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