央視新大樓無疑是一座能夠瞬間擊中人的視覺和心靈的建筑。
央視大樓
央視新樓效果圖
央視新樓一隅
中央電視臺新臺址主樓懸臂鋼結(jié)構(gòu)對接處特寫
鋼鐵巨人緊握雙手
隨著最后一顆螺栓被擰進央視新大樓的合龍點，意味著央視新臺址主樓大懸臂合龍成功。
整個央視新大樓，可謂是鋼鐵構(gòu)建的“帝國”。整體用鋼量12.5萬噸，是“鳥巢”用鋼量的3倍。其中使用到的鋼
構(gòu)件，沒有一個是相同的，這在世界上也是絕無僅有的。
挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)和重力
2002年，當荷蘭大都會建筑師事務所庫哈斯公布央視新大樓的建筑設(shè)計方案時，人們簡直不敢相信建筑可以做成這樣。即使到了今天，這座挑戰(zhàn)想象力的建筑已經(jīng) “扭曲”著屹立在北京東三環(huán)，人們依然驚奇，它是如何建成的。
“誰說結(jié)構(gòu)是不能重新設(shè)計的？誰說重力是不可戰(zhàn)勝的？”事實上，在上世紀末之前，庫哈斯的奇思妙想，在技術(shù)上還是不可能完成的。而在現(xiàn)實設(shè)計與施工中，又化為了一道道不斷需要逾越的坎。
2008年1月23日，高度達234米的央視新大樓全面開始安裝
玻璃幕墻，其電視文化中心(CCTV)將在8月奧運會期間投入使用，并進行奧運賽事直播。他們做了一個9米高的結(jié)構(gòu)模型，按照最不利的
荷載因素組合起來，放在一個能模擬地震的液壓平臺上，上面安裝了數(shù)百個
傳感器，用來監(jiān)控塔樓上1萬多根構(gòu)件的位移，并測量在不同情況下哪個部位承受的壓力最大。“震到9度也沒有震壞，確定是安全的。”
這座全新的建筑，在北京的天空下，顯得格外的“扎眼”。
兩座豎立的塔樓雙向傾斜6度，在162米高處被14層高的懸臂結(jié)構(gòu)連接起來，兩段懸臂分別外伸67和75米，且沒有任何支撐，在空中合龍為L形空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，總體形成一個閉合的環(huán)。
人們通常認為摩天大樓應該高聳入云，因此這樣一種回旋式結(jié)構(gòu)在建筑界并沒有現(xiàn)成的施工規(guī)范可循。
“從技術(shù)角度看，這個建筑最大的難度就是傾斜加懸挑。”中國工程設(shè)計大師、華東建筑設(shè)計研究總工程師汪大綏說。
高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面最難的是3個問題：傾斜、懸挑、扭轉(zhuǎn)，央視新大樓占了2項。汪大綏和他的團隊負責央視新大樓的
結(jié)構(gòu)設(shè)計。
尤其是，央視大樓傾斜的方向和懸挑的方向是一致的，就更給人一種視覺上的“搖搖欲墜”感。
由于北京位于地震帶上，這個貌似不穩(wěn)定的建筑，是否能經(jīng)受地震和大風的襲擊，一直是人們議論的話題。施工前一些專家團隊曾對央視新大樓進行評估，認為其結(jié)構(gòu)不太合理，如果一定要造，代價會很大。
“一個建筑方案的取舍，結(jié)構(gòu)不一定是一個決定性因素，如果希望建筑成為一個標志的話，結(jié)構(gòu)就會退居第二。”汪大綏說。
在這種情況下，央視新大樓既要保證安全性，又要體現(xiàn)經(jīng)濟性，就給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很多需要研究的問題。
對于
高層建筑來說，
抗震、抗風的最關(guān)鍵因素就是傾覆力矩，就是水平作用力與建筑高度的乘積。
另外，建筑在
地震作用下抗震性能的好壞，取決于建筑本身的延性，也就是建筑是否能在地震往復位移中快速地消耗地震的能量。“因此我們希望柱子有很好的耗能機制。”
央視新大樓的柱子采用的是
型鋼組合柱，是由
混凝土和鋼兩種材料組成的。出于抗震的要求，所使用的
鋼材必須要有很好的延性，可以發(fā)生很大的
變形，但在變形耗能的過程中又不至于發(fā)生損壞。
據(jù)介紹，一般建筑使用的型鋼組合柱中鋼的比例在10%~15%，但是央視新大樓出于對外形的考慮，希望柱子的尺寸小一點，因此提高了含鋼率，達到了30%。“含鋼量如此高的柱子，它的力學特性怎樣，之前不知道。”汪大綏說。
汪大綏解釋說，測試含鋼量30%的柱子延性，屬于構(gòu)件基本力學行為的試驗，必須把含鋼量從低到高，一點點做上去，做的時候還需要力的不同比例。要進行大量的試驗，來驗證高含鋼率組合柱的受力性能。
經(jīng)過測試，30%高含鋼率組合柱在大震作用下，延性和鋼柱基本相近，具有很好的抗震性能。“雖然高含鋼率組合柱是在央視新大樓特定條件下的產(chǎn)物，以后也沒有必要推廣，但重要的是我們摸到了高含鋼率柱子的特性。”汪大綏說。
另外，一般建筑的柱子只是在地震發(fā)生往復運動時局部受拉或瞬間受拉。而央視新大樓塔樓由于傾斜，有些柱子是永久性受拉。為了使永久性受拉柱堅固可靠，經(jīng)受得住地震和大風的侵襲，設(shè)計還采用了高
強度的
錨栓，把柱子牢牢
地錨固在
底板里。
“這是大樓唯一采用進口鋼材的地方，錨栓受拉
承載力達到每平方厘米1萬公斤，一般建筑的使用也就是4000~5000公斤。這種做法在房屋建筑中也很少用到。”
為了確保安全，汪大綏告訴記者，他們做了一個9米高的結(jié)構(gòu)模型，按照最不利的荷載因素組合起來，放在一個能模擬地震的液壓平臺上，上面安裝了數(shù)百個傳感器，用來監(jiān)控塔樓上1萬多根構(gòu)件的位移，并測量在不同情況下哪個部位承受的壓力最大。“震到9度也沒有震壞，確定是安全的。”
如何實現(xiàn)需要的斜率？
對于這種從未實踐過的建筑形式，央視新大樓的施工模擬顯得異常重要。“大樓要通過特別的施工模擬分析，真實地反映建造過程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。”
傾斜的建筑，都存在P—△效應，也就是說，建筑結(jié)構(gòu)在外力的作用下，會進一步增加側(cè)移值，并且引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件產(chǎn)生附加
內(nèi)力。由于P—△效應的影響，將降低結(jié)構(gòu)的承載力和結(jié)構(gòu)的
整體穩(wěn)定。
按照設(shè)計，央視大樓的塔樓傾斜度為6度，如果建筑在建造過程中不斷加大傾斜度，“我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)我們需要的斜率呢？”
“也就是說，我們勢必需要一個反向的變形，但每一個點要反向傾斜多少，不是一句話說得清楚的。我們需要根據(jù)施工過程中的變形情況反向變形，這對我們這個大樓非常重要。”
而為了控制變形，建筑的重量越輕越好。但央視新大樓如此龐大，以至于僅鋼結(jié)構(gòu)自身就重達12.5萬噸，再加上
樓板及玻璃幕墻的重量以及施工過程中使用的荷載(
設(shè)備、人)的重量，對控制結(jié)構(gòu)變形提出了巨大挑戰(zhàn)。
“對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，除了結(jié)構(gòu)自身的重量外，其他的荷載能晚點上就晚點上。等2個塔樓通過懸臂連起來后形成一個完整的整體后再施加其他重量，對結(jié)構(gòu)變形的影響就比較小。”汪大綏說。
但對于三種重量施加順序的控制，對于需要在2008年北京奧運之前局部投入使用的央視新大樓來說，這種建造速度顯得太過奢侈。施工進度是必須有一定保證的。
“結(jié)構(gòu)和混凝土樓板、玻璃幕墻應該保持怎樣的施工順序關(guān)系，以使得結(jié)構(gòu)的位移能夠控制，這需要做很多分析，這方面工作的深度在之前的高層建筑大樓建設(shè)中從來沒有遇到過。”汪大綏說。
央視新大樓的外表貌似“魚鱗”，共10萬平方米的玻璃幕墻上，分布了27400余塊強烈的不規(guī)則幾何圖案。這些由槽
鋼構(gòu)成的斜交叉網(wǎng)格打破了單調(diào)重復的玻璃墻面結(jié)構(gòu)，使之成為一個看起來獨立且浮動的菱形玻璃結(jié)構(gòu)體。
但這些，并不是為了追求別具一格的視覺效果。“幕墻外皮本身就形成很高的結(jié)構(gòu)。”汪大綏說。這種不規(guī)則的交叉網(wǎng)格反映了從日常的荷載到強地震的不同情況下結(jié)構(gòu)受力的分布模式。在受力較大的區(qū)域網(wǎng)格的
密度較大，而在承載富余的地方則稀疏一些。
借助于精細的計算機模擬所確定的這些網(wǎng)格，為的是確保每個對角線大梁能夠均勻承受分布不均的重量所帶來的壓力，進而使壓力基本都能沿著系統(tǒng)傳遞下去，并找到導入地面的最佳路徑。
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