中国尊工程技术浅析

陈雅璇

一、工程概况

中国尊选址于北京市朝阳区繁荣的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层、地下共7层，工程占地面积为1.15万平方米，总建筑面积43.7万平方米。可容纳1.2万人办公，是集金融、办公、商业、观光为一体的北京市地标性建筑。其设计符合中国人传统的审美观，同时又不失时尚之气，体现出庄重的东方神韵，尊顶高耸直入云端，与行顶天立地之势不谋而合，其特殊地理位置更赋予了“中国尊”更加丰富的内涵。

二、中国尊基础工程技术简介

位于华北平原中部的北京，在数万年的地质变化历程中，经历过剧烈的造山、沉积等地壳运动，形成了北京地区当前的地貌。伴随着地壳运动的发展，褶皱变形和断裂发育广泛，岩浆活动也很频繁，北京历史上曾发生过较大的地震，因此抗震设计规范中将北京列为8度地震带 。北京地区的岩性条件复杂，主要分为松散堆积物和密实的基岩。堆积物厚度从几米到几百米不等，主要为各类壤土、砂壤土、砂、卵砾石。

超高层建筑的建造中，基础工程的设计与施工质量会对工程工期、造价、安全性等诸多方面产生很大的影响。为保证中国尊建筑的安全与经济，就必须设计出一个坚实可靠的基础来支撑上部结构传来的荷载，因此在基础设计施工前就必须缜密地进行场地的勘察工作。

勘察工作的第一步是钻孔取样，本工程最深的钻孔达184米深，取样共分为9个沉积层，每一沉积层的土粒径都是由大到小的，及由圆砾卵石到中粒砂再到粉土最后过渡到粘土。

本工程场地与同将采用桩筏基础的新中央电视台相邻，因此本工程参考了冶金工业工程质量监督检测中心对中央电视台的检测报告，与本工程进行了对比，基于现场的试验桩进行相同的测试，包含测定荷载沉降曲线，分析桩侧表面摩擦系数变化特征，钻孔灌注桩注浆施工工艺的优化等内容，最终拟合出了超长钻孔灌注桩抗力性能、传力性能等试验参数，为设计施工提供了可靠的依据和参考。

综合对比中央电视台新址，中国尊最终决定采用桩筏基础，将桩与筏视为一个整体，协同作用。中国尊桩基础设计使用年限为50 年，安全等级设为最高的一级。面对地震作用时要求桩在中等强度的地震中保持变形在弹性变形范围内；在面临大地震时要求桩体不能屈服。根据上部荷载的应力分布情况设计不同长度的钻孔灌注桩，尽可能地使桩端部插至岩体较密实的卵石持力层，如下图所示。中国尊桩型共分为三种：位于核心筒和巨型柱下 P1 型、塔楼下其他区域 P2 型、塔楼与纯地下室间过渡桩 P3型，如下表所示。

中国尊的钻孔灌注桩示意图

中国尊的桩型与桩长说明表

为了能设计出一个能支撑上部结构传来的巨大荷载的基础，计算与分析是至关重要的一步。对于超高层建筑来说，由于建筑高度比较高，对基础的要求也会更加严格，基础的总沉降和不均匀沉降量是决定超高层建筑安全可靠的关键指标，因此在进行基础设计时，要将基础的沉降指标作为控制条件，将桩筏视为一个整体，考虑地基土和基础的相互作用，使用PLAXIS和ZSOIL等数值分析软件进行差分计算分析，并利用BIM软件实现从设计到施工的模拟以验证其可行性。

三、中国尊上部结构形式浅析

中国尊塔楼整体建筑设计取意于中国传统文化中的酒樽，曲线造型别具一格，作为北京的标志性建筑之一，彰显其独特的神韵。建筑主体高度为528米，楼层截面为从下往上，先变小后变大的方形楼板设计，为确定樽型详细的外形尺寸包括底面尺寸、腰部缩放比例以及细部参数，设计师设计了同比例缩小的不同设计模型，把它们置于风洞或模拟地震的仪器上进行试验并选出其中力学性能最优的一组设计，这为减小整体结构在风荷载和地震作用下响应提供了最优化的外形基础。

与国内外超高层建筑先例类似，中国尊结构形式也为筒中筒结构体系，但由于“樽”形外表的特殊，结构外筒与外玻璃幕墙的联系就成了设计的挑战之一。为了使内外筒的质量中心与建筑的几何中心线重合，内筒的设计为等截面设计，截面尺寸为39m×39m，从水准面一直向上延伸至顶层；外筒四角由四根巨型柱组成，巨型柱直接依靠钢桁架彼此联系在一起，此外玻璃幕墙与结构外筒之间也实现了最大程度的贴合。作用在外筒上的水平荷载通过连梁传递到内筒，连梁在整体结构中均匀布置，有利于结构的抗扭中心与几何中心的重合。处于八度设防区的超高层结构也需要采取一些特殊设计来抵抗水平地震作用及高楼风荷载作用，双连梁的设置有利于在地震中吸收地震能量，增加结构延性，减少主体承重结构的能量比例。

巨型柱是外筒承重体系中最主要的承重骨架，与一般柱构件不同，中国尊的巨型柱为了迎合酒樽式的外形而被做成了单支“双曲线”的形状。巨型柱可被划分至钢管混凝土的范畴，其最大截面积可达60多平方米，内部被分隔成多个腔室，每个腔室内又根据不同的设计需求布置各种型钢、钢板、钢筋等作为巨型柱内部的骨架，内填混凝土，在巨型柱外钢板的约束下，内部混凝土的抗压能力大幅度提升，内部密实的混凝土也能使外部钢板发生种种失稳、屈曲情况，钢板与混凝土协同受力，使整体构件的抗力性能（抗弯、剪、扭）以及稳定性都会增强,在往复荷载作用下，钢管的约束也会提升构件的延性来保障安全。由于巨型柱的受力情况十分复杂，内部构造极其繁琐，直接使用外侧的钢板作为支护模板能够大大减小工程量并保证柱体内混凝土浇筑的施工质量。此外，钢管混凝土相比较于普通的混凝土柱在轴压比相同的情况下，对材料的利用率会更高，因此能够大幅减小截面尺寸从而节约成本，同时也能减少建筑自重。

在保证结构同时满足抵抗垂直荷载和水平荷载的前提下，设计师优化了斜撑桁架与框架体系的布置，使它们位于同一斜平面上，以增加内部空间的使用率。对于关键节点的加强也使得结构能在地震作用下满足刚度需求，使节点晚于构件破坏；一些次框架在极端工况下会先于主体结构破坏，吸收一部分能量，余下的应力会在主体结构中重新分布，形成一条新的有效传力途径，保证的结构整体稳固性和安全性。

四、总结与展望

中国尊作为北京最高的地标建筑，同时也是目前世界上位于8度抗震设防烈度区在建的最高建筑，面对如此艰巨的设计挑战，设计师克服了许多技术难题，对建筑行业的发展做出了卓越贡献，为高烈度地震区的超高层建筑的设计施工开辟了先河。中国尊还将绿色和可持续性发展的生态文明理念贯彻始终，通过调节建筑物的结构高度和方位朝向，充分利用冬季阳光和夏季自然风的流动，减少了冬季供暖以及夏季制冷的使用；建立起一套区域能源系统，实现区域集中供冷供热，减少20%～40%的能源消耗，堪称中国乃至世界的建筑典范。