深圳汉京中心位于深圳市福田区,建筑高度350m,塔楼结构高度为320m,其上有30m高的幕墙。建筑功能为多功能写字楼,地上70层,带6层商业裙房和4层地下室。建筑效果如图1所示。

　　 建筑平面示意及坐标系如图2所示。竖向交通区和办公区在平面上完全分离是本项目的最大特点。标准层平面尺寸约为66m×48m,竖向交通区完全后置,与办公区仅通过中间一条2.5m宽的走廊相连,实际上形成了“南塔(办公区)+北塔(竖向交通区)+中间弱连接”的双塔布局。

　　 深圳地区抗震设防烈度为7度,50年一遇基本风压为0.75kN/m²,因此本项目由风荷载控制。结构外轮廓高宽比虽然只有6.7,但由于双塔并不能形成一个抗侧整体,因此实际的抗侧刚度较弱。此外,由于办公区重量大而交通区重量小,导致平面重心靠前而竖向刚度中心偏后,在竖向荷载下结构将会出现前倾,与风荷载下侧移叠加后会导致侧向变形过大。因此保证抗侧刚度和平面重心调整是本项目结构设计的关键点。

　　 考虑到整体性差和明显刚度不足的建筑平面,利用竖向交通井设置多个混凝土筒是比较常见的选择。但建筑师希望这是一栋非常通透的建筑,从外部可以清楚看到内部的构成,尤其是平面上半部分的交通区。这使得“钢框架+支撑体系”成为唯一的选择。

　　 本项目在方案和初步设计前期,由美国H+P事务所与建筑师配合进行了结构方案设计。整体抗侧力体系主要由Y向的两榀跨层巨型斜撑、南立面一榀巨型斜撑以及北立面密排柱壁式框架构成,形成一个围合的钢结构巨型筒(图3)。

　　 针对平面南北两部分联系薄弱的问题,每隔4层设置了两道交叉水平撑来加强联系,如图4所示。

　　 为了加大北侧重量避免钢管柱受拉,将平面北侧的楼板厚度加大至200mm以增加配重,见图5。

　　 该方案针对性地解决了结构抗侧刚度不足、平面整体性差、南北两侧重量不平衡等问题,传力路径也比较直接,但效果不是非常理想,尚存在以下问题:

　　 (1)Y向两榀跨层巨型斜撑直接从建筑平面办公区中穿过,各层室内均可见到斜撑,对建筑空间和功能影响较大。

　　 (2)在北面采用“密排柱+楼面配重”来增加刚度和重量,效率低且用钢量大。楼面配重仅有1/4的荷载传到北立面钢管柱上,因此平面重心仍然比较靠前,在竖向荷载下结构最大层间位移角已达到1/780,与风荷载叠加后层间位移角达到1/228,电梯和幕墙系统都难以满足这种变形要求。

　　 (3)为了保证刚度,方案中大量构件钢板厚度超过80mm,最大厚度达到139mm(图6),在制作和焊接上难以实现。方案用钢量较大,总用钢量约3.77万t,每平方米理论用钢量约为270kg,高于常规钢结构较多。

　　 (4)办公区楼面梁跨度超过14m,方案中采用了900mm高钢梁开600mm高管道洞口的方法来保证净高,对设备管道限制较大,且开洞后梁上下腹板仅剩150mm高,见图7。

　　 容柏生事务所和筑博设计组成的本地设计团队,在初步设计中后期对结构方案进行了较大调整,以提升建筑品质,降低用钢量并保证可实施性。

　　 Y向巨型斜撑穿过办公区室内是结构方案对建筑品质影响最大的问题。如图8所示,如果只保留加强层及其以上两层的Y向巨型斜撑,则85%的楼层都不再受影响,但此时层间位移角将从1/324增大至1/187(表1),刚度严重不足。

　　 但进一步的分析发现,删除大部分办公区Y向巨型斜撑后,Y向顶点位移只放大了21%,远小于层间位移角影响幅度。这表明结构只是局部刚度不足,从图9的层间位移角曲线形态与斜撑布置对比可以看到,层间位移角最大的位置,正好是Y向巨型斜撑最少的位置。

　　 如图10所示,利用钢结构可以加大局部楼层斜撑截面的特点,将Y向斜撑最少区域的斜撑截面由较小的H型钢截面修改为□600×600×50×50的箱形截面,最大层间位移角即从1/187减小至1/321,与原方案基本相同。

　　 针对效率较低的北立面密排柱框架及楼面配重,改用了抗侧力效率较高的“框架+巨型斜撑”,并取消了200mm厚的楼板配重,改为直接在北立面设置混凝土砌块配重墙压重(图11),对平面重心的调整效果更为直接。调整后结构在竖向荷载下的侧移已小于1/1500,基本可以忽略。

　　 连接南北两塔的Y向巨型斜撑不仅提供抗侧刚度,同时也协调了两塔的竖向荷载,会出现将南塔柱轴力转移到北塔的“拖拽”效应,造成支撑截面和应力比过大。为减小竖向荷载拖拽效应的影响,对巨型斜撑考虑后安装措施,如图12所示,第2～5对巨型斜撑延后30层安装,第3对伸臂桁架巨型斜撑在结构封顶后再安装,图中粗线为后安装巨型斜撑。采用后安装方法后,斜撑应力比下降30%以上,构件截面可大幅优化。

　　 此外,本项目虽然由风荷载控制,但X向迎风面宽度远小于Y向的。原方案中X,Y两向斜撑截面接近,因此对X向斜撑截面也可以进行较大幅度的优化(表2)。

　　 原方案中全楼柱和巨型斜撑均采用了Q460GJ高强钢,造价高采购周期长。按受力需求对钢材强度等级进行了分区调整,Q460GJ钢仅用于23层以下的钢管柱,24～29层钢管柱材料为Q420GJ,40～60层钢管柱材料为Q390GJ,其余钢管柱为Q345;南北塔间巨型斜撑和伸臂桁架巨型斜撑采用Q390GJ,其余巨型斜撑均采用Q345。

　　 同时,考虑到深圳地区C80高强混凝土已经非常成熟,将全楼1/2高度范围内的柱内混凝土都提高至C80,充分发挥混凝土的抗压承载能力,为优化钢管柱壁厚提供条件。

　　 本项目钢管柱大部分采用矩形截面,截面宽高比大于2。原方案中,钢管柱截面长、短边钢板厚度相同,钢板厚度由长边宽厚比控制,比较浪费。将其调整为长、短边宽厚比按各自边长控制,且长边居中设置内隔板,将柱分隔为两个腔体(图13),计算宽厚比长度也变为原来的1/2。

　　 如表3所示,调整之后钢板厚度减小约35%,最大钢板厚度由140mm降至80mm,大大降低了制作和焊接难度,节约成本的同时也保证了施工质量。

　　 由于办公区楼面跨度较大,楼面梁在本项目用钢量占比也较大。原方案全跨采用相同截面,而实际上两端固接梁弯矩最大的地方仅出现在梁两端。因此对主梁截面采用了梁端翼缘水平加腋的方法(图14)来提高端部抗弯承载力,同时将所有层的楼面梁高度控制在650mm以内,解决了梁下设备管线高度问题。主梁调整前后截面对比如表4所示。

　　 如表5,6所示,采用3,4节各项调整措施后,结构总重量下降9%,用钢量节省近30%,每平方米用钢量由270kg下降至193kg,经济效益巨大。同时各项整体计算指标相比原方案并没有显著变化,关键构件的应力比还有所下降,办公区建筑品质得到了大幅提升,结构更加经济合理。

　　 本项目已于2018年建成并投入使用,是采用“钢管混凝土柱+中心支撑”结构体系的项目中已建成的最高建筑。本项目对钢结构体系的成功优化调整,也为今后类似项目的设计提供了成功范例。

　　 本项目350m高,已于2018年建成投入使用,是国内目前采用“钢管混凝土柱+中心支撑”结构体系的项目中已建成的最高建筑。结合该项目建筑平面的特点,在美国H+P事务所的既有方案基础上,本地设计团队在初步设计中后期,结合业主的实际使用需求,依据现行的最新规范,分别从结构抗侧力体系层面以及构件截面的层面进行了调整优化。在整体指标没有明显变化的前提下减少了近30%的用钢量,并大幅提升了建筑品质,为今后类似项目的设计提供了成功范例。