1、 14 特别访谈 Building Structure 天津高银117大厦项目之施工图及基础设计 受访嘉宾：包联进，华东建筑设计研究总院结构副总工程师，天津高银117大厦项目结构专业负责人 建筑结构：考虑到本项目的特殊性，在接受该项目时，对基础设计方面进行了哪些调研和准备工作？ 包联进：高银117大厦建筑高度597m，地上117层，结构高度587m，高宽比达到9.0，是目前国内结构高度最高、高宽比最大的超高层建筑之一。结构采用巨型支撑筒+钢筋混凝土核心筒的筒中筒抗侧力体系，四个角柱面积达到45m2，在竖向荷载作用下角柱轴力高达 1350MN（设计值）。天津地处海河冲积平原，7 度半的抗震设防烈
2、度，在软土地基上建造如此高、细柔且体型特殊的建筑，确实给结构设计带来巨大挑战。好在华东院总部在上海，上海与天津的地基一样，同属软土地基，地质条件较差，建造超高层建筑地基存在先天不足，但长期以来我们一直与软土地基打交道。我们既有上海环球金融中心(高492m)超高层结构设计成功经验，又参与了正在建设中的上海中心大厦（高632m）结构设计的第三方咨询顾问工作，前年建成的天津最高建筑天津津塔（高 333m）也出自华东院之手。我们对类似高度、地质条件的超高层建筑基础设计进行了充分的调研，包括实测沉降数据、超长桩型选型和静载试桩报告、基础筏板内力分析和实测变形和应力以及基础施工方案等。另一方面，ARUP
3、初步设计的成果也给本项目设计奠定了很好的基础。因此，尽管本项目基础设计难度很大，但我们有足够信心和把握完成基础设计乃至上部结构设计。 图1 天津高银117大厦塔楼施工高度突破300m 建筑结构：由于高度超高，在考虑基础埋设方面是如何兼顾安全和经济的？ 包联进：按照国内现行规范按要求，采用桩基础时，基础埋深可取房屋高度的1/18。高银117塔楼高度接近600m，按照规范要求基础埋深至少大于33m。天津地区为软土地基，33m的基础埋深其基坑支护施工费用是相当大的，且土方工程很大，基础施工周期大大加长。由于高银117项目地下室范围很大，单层面积达到10万m2，目前地下四层（含地下一夹层）的设置已满足
4、建筑功能要求。因此从建筑功能角度来看，基础埋深不必太深；另外结构设计通过采取合理的桩基布置，控制基础底面的零应力区等措施，最终确定结构基础埋深为 26.4m，为建筑高度的 1/22.6，超过规范限值。当然，我们理解规范要求的值也是根据以往工程经验的建议值，我们通过计算分析，基础的抗倾覆和抗滑移验算均满足规范要求，基础埋深可以适当放松要求。表1罗列的国内外超高层建筑基础埋深大都突破了我们国家规范建议值，也是我们设计可以借鉴的。 超高层项目基础埋深统计 表1 项目 地点 塔顶结构高度/m 埋深/m 埋深与高度比 迪拜塔 迪拜 828 30 1/27.6 上海中心 上海 632/575 31.4 1
5、/18.3 天津高银117大厦 天津 597 26.4 1/22.6 希尔斯大厦 芝加哥 527/442 13.7 1/32 上海环球金融中心 上海 492 21.4 1/23 国际金融广场 香港 484 21.4 1/22.4 金茂大厦 上海 420/333 14.6 1/22.9 建筑结构：由于地下室共计 4 层，可能会存在基坑支护设计和地下室结构构件产生冲突和共用的问题（如：基坑支护和地下室外墙的关系、内支撑立柱和塔楼墙柱的关系等），在协调地下室设计和基坑支护设计方面，双方是如何合作的？ 包联进：本工程结合地质条件、基础埋深以及地下室平面形状，从经济性角度出发，采用了“两墙合一”的地下连
6、续墙+内支撑的基坑支护形式。地下连续墙在施工阶段为基坑支护体，在使用阶段为地下室的外墙，起挡土和止水双重功能。基坑支护水平传力体系采用钢筋混凝土内支撑形式。混凝土支撑拆除后可废物利用，用来填充基础筏板厚度优化后的高差。15 Building Structure 特别访谈 内支撑的立柱桩尽可能地利用主体结构工程桩，节省了工程造价和施工周期。高银117塔楼竖向构件如核心筒剪力墙、巨柱以及斜撑等截面面积较大，如果在塔楼平面范围内设置内支撑，要避开这些巨型的竖向构件难度很大。在基坑围护设计中，在塔楼范围设置了 2 道直径为 188m的国内最大直径的圆环支撑体系（图2,3），既方便了基坑取土，主体塔楼结
7、构施工也不受支撑的影响。我认为，只有结构设计与基坑围护设计紧密结合，以业主和工程的最大利益为出发点，才能有如此完美的协调。主体结构设计和基坑围护设计均为华东院完成，也为主体结构设计和基坑围护设计工作的紧密合作创造了条件。 图2 基坑围护平面示意 图3 地下室围护结构圆环支撑体系 建筑结构：本工程在嵌固端的选取和计算分析方面与普通高层建筑的设计存在哪些差异，是如何解决的？ 包联进：高层建筑为了简化计算分析过程，结构嵌固端一般取结构0.000层（B0层）或地下一层楼面，但需满足地下室抗侧刚度大于嵌固层以上楼层抗侧刚度的两倍以上以及嵌固端所在楼层楼板无开大洞等要求。对常规高度的高层建筑，当考虑了塔楼
8、周边一定范围地下室结构刚度或地下室外墙刚度时，容易满足上述刚度要求。 但对本工程结构高度近600m的超高层建筑来说，在不考虑层高的差异因素时，要求地下室某一层的抗侧刚度达到塔楼上部结构抗侧刚度的两倍，需要增设如图4所示的刚度很大的翼墙，对建筑功能有较大影响。简化分析表明，对类似本工程结构抗侧刚度巨大的超高层建筑，计算模型嵌固端放在0.000层（B0层）是不合理的。当地下室周边土体为土质较差的软土层，模型的嵌固端宜直接设置在基础筏板顶面（B3层）。如果周边土体为基岩类等硬土层，可适当考虑土体的侧向约束，其约束作用可通过设置一定刚度的水平弹簧来实现。 图4 地下室翼墙布置平面图 建筑结构：请简单介
9、绍一下本工程所在场地地质情况有何特点？对本工程的基础设计存在哪些难度和影响？ 包联进：根据本项目提供的场地地质勘察报告，拟建场区表层为厚约25m的人工堆积层，其下至深度约2025m左右（基坑开挖深度范围）为黏性土、粉土、砂土交互地层。基底附近土层以黏性土为主（夹粉土、砂土），基底以下至最大勘探深度 196.4m 之间主要以黏性土、粉土为主，中间夹有多层厚度变化较大的砂层。其中压缩性相对较低的土层：河床河漫滩相沉积Q3cal的粉砂2层、粉土3层；浅海滨海相沉积Q3bm的粉砂2 层；河床河漫滩相沉积Q3aal的粉土2层；滨海三角洲相沉积Q23mc的粉砂3层、粉砂5层及河床河漫滩相沉积Q21al的粉
10、砂1层。综合起来，本工程场地地质具有以下特点：地基承载力低，有明显的粉砂、粉质黏土、粉土互层的特点，地下水位高，地下水对结构有弱腐蚀性。 16 特别访谈 Building Structure 高银 117 塔楼初步分析基底平均压应力达到2000kN/m2。在土层分布极其复杂、地基承载力较低的软体地基上建造如此高的超高层建筑，对基础埋深要求、建筑物的沉降控制、塔楼倾斜度控制、主塔楼与两侧裙楼、周边纯地下室之间的基础变形协调，以及主塔楼地基基础的整体稳定性桩型选择、基础耐久性设计以及基坑支护设计和施工都带来很大的挑战。 建筑结构：在桩型选择方面，是如何结合工程所在场地的具体情况和当地基础施工经验进
11、行权衡的？理论上，要充分发挥桩基承载能力，选取桩身强度与桩土层承载力相等是最佳效果，在具体设计时，是如何兼顾这两方面的？ 包联进：概念设计阶段曾对三种桩型方案：灌注桩、钢管桩以及矩形桩进行了研究。从设计、审批、施工可行性以及经济性等几个方面综合考虑，决定采用灌注桩方案。 详细岩土工程勘察报告建议采用5或12 1粉砂层作为桩基持力层。因天津地区土层有明显的粉砂、粉质黏土、粉土互层的特点，可以采用桩侧与桩底后注浆技术来加强桩与土层之间的摩阻力和端阻力，并同时作为控制沉降的一种手段。由于本场地存在地下承压水，桩基础必须靠近地面处施工，加上持力层5或12 1层的埋置深度较深，有效桩长76/96m的桩基
12、入土深度达到100/120m。当地超长钻孔灌注桩的应用较少，所以对施工工艺要求较高。为此进行了两组破坏性试桩(共 8 根)，目的是取得更具体的桩基设计与施工参数，从而确定最终桩基方案。 从试桩结果来看，大部分试桩均压至最大荷载42000kN且未发生破坏。综合两组试验试桩结果可知，单桩承载力由桩身强度控制，桩顶沉降量主要是由超长桩的桩身压缩引起的，不同桩长的桩基承载力和桩基沉降差异不大。考虑施工质量的控制以及造价因素，设计最终采用5层粉砂层作为桩基持力层，采用桩端桩侧复式注浆的形式进行加强，桩端全断面进入持力层不小于2m，桩基直径1000mm，有效桩长76m，梅花形布桩，桩中心距3m，桩身混凝土
13、强度等级C50。 因此，在超高层建筑基础设计中，桩型选择、配筋构造以及布桩方式应综合考虑场地地质状况、上部荷载需求、施工可行性以及结构造价因素，慎重确定。 建筑结构：后注浆技术在本工程桩基础设计中得到应用，其对单桩承载力的提高给基础设计带来哪些联动效应？ 包联进：灌注桩后注浆技术（包括桩端和桩侧复式注浆）可显著提高桩的承载力，增强桩的稳定性，减小桩基沉降。本项目的地质条件适合采用后注浆技术，尤其是塔楼的有效桩长超过70m，桩侧注浆可显著提高单桩承载力。单桩承载力的提高，可使基桩尽可能布置在塔楼平面的投影范围，减小塔楼的沉降和差异沉降，也可有效减薄筏板厚度，减小基础埋置深度，从而提高基础结构的经
14、济性。 建筑结构：本工程选择桩筏基础，其中，筏板板厚的合理确定是关键性因素，若采用传统的计算方法会面临板厚超厚的问题，在这方面做了哪些研究工作，使得筏板厚度取值做到了经济合理？另外，基于建筑功能的要求，一般集水井、电梯井的设置，会使得筏板局部面临较大的下沉，会导致筏板局部更厚，且造价和施工难度也会有所提升，这方面的工作和各专业如何协调的？ 包联进：基础筏板厚度一般由筏板冲切或筏板弯矩等承载力要求控制。在超高层建筑中，由于竖向构件的轴力巨大（竖向荷载或倾覆力矩作用），前者更多占主导因素。因此，合理确定有关冲切承载力的相关参数及采取提高筏板抗冲切承载力的措施就显得非常重要，如筏板有效冲切高度、冲切
15、力的选取、冲切体范围的选取，以及筏板混凝土90d后期强度的利用和在巨柱冲切体范围配置柱状抗冲切钢筋等构造措施。 本工程初步设计基础筏板厚度7.5m，经过华东院施工图优化设计后厚度减小至6.5m。由于桩基和围护施工已先期完成，因此，基础筏板底面标高保持不变（否则需接桩）。筏板结构面标高与建筑面标高之间1m 高差用来布置地下三层的大量集水坑（集水坑深度 1000mm），避免了筏板厚度由于集水坑的削弱作用需要在板底进行补强。筏板板底和板面均是平的，没有任何高差变化，筏板高度内无深坑（电梯井道至B3层），工程桩等的桩头处理以及基础建筑防水层施工得以大大简化，既节约了施工周期，又确保了施工质量。 建筑结
16、构：由于筏板计算的复杂性，计算假定和计算模型均对其有较大影响，本工程是如何结合具体情况予以分析计算的？ 包联进：为研究上部结构对筏板的变形和内力的影响，建立了3个有限元模型，计算简图如图5所示。筏板下桩基础采用竖向弹簧模拟，弹簧刚度取为7.27104kN/m。模型中实体单元和板单元交接位置完全耦合。筏板和结构楼盖采用壳单元模拟，剪力墙和巨柱采用实体单元模拟。 从计算分析结果来看，3 个模型的筏板最大沉降值分别为162，132，129mm，最小沉降值分别为41，82，84mm。模型 1 的最大沉降值以及沉降差（不均17 Building Structure 特别访谈 匀沉降）是3个模型中最大的，
17、模型2和模型3的筏板沉降曲线分布和最大沉降值差异较小。图5的筏板von Mises 应力图对比也表明模型 2 和模型 3 比较接近，且两模型核心筒区域的筏板应力均比模型1小。 上述 3 个模型的计算对比分析表明，对高银 117塔楼的筏板沉降、内力进行分析时，宜考虑上部结构刚度的影响。由于地下室布置翼墙，且筏板厚度较厚，考虑地下室范围的结构刚度已可以达到足够精度。目前筏板沉降分析手段有较多的计算假定，其理论依据有待进一步完善。本工程通过对塔楼基础结构进行沉降观测，对基础底板下的孔隙水压力及土压力、底板钢筋混凝土的应力和应变进行监测，以准确反映建筑物的实际沉降程度和沉降趋势，分析沉降原因及验证设计
18、参数的准确性。 从我院参与设计和咨询的上海环球金融中心、天津津塔以及上海中心大厦等项目的沉降实测值来看，华东院采用的基于沉降实测的考虑上部结构刚度的基础筏板计算分析方法是可靠和基本准确的。目前高银 117塔楼核心筒已施工至高 300m 左右，最大实测沉降值20mm。 (a) 模型1（仅筏板结构） (b) 模型2（筏板+地下四层结构） (c) 模型3（筏板+地下四层+地上六层结构） 图5 不同模型的筏板von Mises应力图 建筑结构：巨型柱柱脚的合理设计也是非常重要的一个方面，基于柱底轴力和柱脚尺寸均非常巨大，在该方面的设计工作是如何考虑的？ 包联进：目前在现行规范和设计手册中很少涉及巨型柱
19、柱脚节点构造。因此，结合工程受力特点以及巨型柱的截面类型，巨柱柱脚节点需要量身定制般的构造。巨柱柱脚的设计目标同巨柱，即中震弹性和大震不屈服。根据荷载组合分析，只有大震不屈服工况柱脚出现拉力，最大拉力值为300MN（考虑剪力墙连梁刚度退化），其余工况巨柱柱脚承担压力。巨大的柱脚轴向压力可通过翼墙等扩散至筏板，关键是拉力和剪力的抵抗。本工程采用露出式柱脚构造（图6），辅以高强锚栓系统承担大震下的拉力，利用抗剪键抵抗水平剪力，是基于以下几点考虑： 图6 巨柱柱脚节点 （1）高强锚栓系统（75，屈服强度1080kN/m2）具有抗拉强度高，与筏板纵筋冲突少、方便施工的特点。 （2）地下室范围巨柱与翼墙
20、连接，巨柱的内力已有效扩散至筏板。 （3）巨柱柱脚的弯矩、剪力与轴力相比，承载力要求较低。 （4）巨柱为多腔钢管混凝土，钢柱脚底板可采用环板构造，巨大的轴向压力可通过混凝土直接传递至筏板。 （5）露出式柱脚可充分利用筏板厚度，提高筏板抗冲切承载力。 （6）如采用埋入式，巨柱柱脚不可避免与筏板的顶面纵筋冲突，筏板钢筋有较大削弱，钢柱安装定位需要额外固定措施，给土建和钢构施工均带来难度。 （7）延长钢结构加工制作周期。钢柱可延迟至筏板混凝土养护结束时进场，增加近3个月的加工周期。 本工程巨柱柱脚构造设计充分考虑了巨柱的受力特点、翼墙的作用以及筏板的施工可行性，给施工带来极大便利。华东院作为北京 CBD 地区 Z15 中国尊项目的结构顾问，了解到该项目也参考了高银117塔楼巨柱柱脚节点构造，基本采用了类似的柱脚构造。因此，本工程巨柱柱脚构造是合理可靠的。
