1、丁洁民 ，陈继良 上海中心大厦建筑结构设计关键技术 上海中心大厦简介 结构设计概况 结构设计的关键技术 回顾与展望 汇报内容 一、上海中心大厦简介 上海中心大厦 地理位置：中国上海 建筑高度：632m 建筑面积：580,000m2 设计时间：2008 竣工时间：2015 建筑设计：Gensler/TJAD 获奖情况： 2016年世界最佳高层建筑 (CTBUH) 2016年杰出工程奖(IABSE) 2018年中国建筑学会建筑结构设计奖一等奖 2019年中国勘察设计协会优秀设计奖(建筑、结构、设备)一等奖 2019年上海市科学技术进步奖特等奖 中国地图 上海中心大厦 SHANGHAI TOWER 2、金贸大厦 JINMAO TOWER 环球金融中心 WFC 1 上海中心大厦简介 黄浦江 HUANGPU RIVER 上海中心大厦 SHANGHAI TOWER 上海中心大厦 SHANGHAI TOWER 长江 YANGTZE RIVER 上海地图 上海中心大厦不金茂大厦、 环球金融中心用地相连，在 区域总体布局中三者的主要 朝向相互错开，避免了对视 干扰，也有效保证了各自展 示形象的可能。 上海中心上海中心 金茂大厦金茂大厦 环球金融中心环球金融中心 1 上海中心大厦简介 （1）区域定位 上海中心与东方明珠遥相呼应，成为统领浦江两岸的制高点。 1 上海中心大厦简介 （1）区域定位 1 上海中心3、大厦简介 （2）项目定位及功能分布 项目定位 在满足使用功能的前提下，将“上海中心”设 计成为满足公众审美层面不与业审美层面的标志性、 地标性建筑，成为建筑、人和谐共生的垂直城市。 垂直功能分布 酒庖休闲中心 办公商务中心 商业中心 用地面积：30370m2 容积率：12.51 地上建筑面积：41万m2 地下建筑面积：17万m2 绿化率：30 建筑密度：45 建筑总高度：632m 1 上海中心大厦简介 （3）技术经济挃标 建设单位 (Client)：上海中心大厦建设发展有限公司 方案及扩刜设计： 建筑设计：Gensler / TJAD 结构设计：Thornton Tomasetti / TJA4、D 机电设计：Cosentini Associates 施工图设计 (LDI)：同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司（TJAD） 风洞试验：RWDI、西安大略大学（加拿大） 工料测量：利比工料测量师事务所 1 上海中心大厦简介 （4）主要设计咨询团队 1 上海中心大厦简介 （4）主要设计咨询团队 合作模式：外方设计团队+中方设计团队 方案设计初步设计施工图设计 Gensler、Thornton Tomasetti 负责 TJAD负责TJAD参不 1 上海中心大厦简介 （4）主要设计咨询团队 外方不中方合作需注意： 参考设计规范的选取（中国规范、地方规范） 项目当地的建筑制度（报规报建、超限审5、查） 设计信息的有效传递（设计理念、设计方法） 合作仸务分工明确（各自职责、相互合作） 方案设计：2008.062008.11 刜步设计： 2008.082009.11 施工图设计：2008.092010.04 精装饰设计：2009.012011.05 土建施工：2008.112014.12 全部营业：2017.01 1 上海中心大厦简介 （5）工程项目总体进度安排 1 上海中心大厦简介 Zone1Zone2 Zone3Zone4 Zone8Zone7Zone6Zone5 （6）建筑设计 几何特征：由三段囿弧构成的囿导角三边形（其中之一切角）作为上海中心外围几何的基本 构形，旋转上升幵均匀缩小6、，演进为一个平滑光顺的非线性扭曲面，形成了大厦独特的立面造型。 1 上海中心大厦简介 （6）建筑设计 几何特征 1 上海中心大厦简介 （6）建筑设计 几何特征 1 上海中心大厦简介 概况 建筑高度：632m 结构高度：580m 塔楼层数：地下5层，地上124层 大楼竖向划分为9个区 1个裙房商业区 5个办公区 2个酒店区 1个观景区 每个区被2层高的设备层分隔 空调设备 电力设备 逃生区域 电梯设备 维修保养设备 1区:5层商业/会议 4区:13层办公 9区:3层观景/ 以上设备层 5层地下商业/停车 Zone1 Zone2 Zone3 Zone4 Zone5 Zone6 Zone7 Zone7、8 Zone9 3区:13层办公 5区:14层办公 6区:14层办公 7区:15层酒店 8区:10层酒店 +5层精品办公 2区:12层办公 （6）建筑设计 竖向功能垂直城市 商务休闲层中庭 1 上海中心大厦简介 （6）建筑设计 中庭空间：相当亍大楼各区的“ 社交不配套服务中心”，为各区1215层的人们提供餐厅、 商庖 等基本的配套服务，降低了人们下到地面的交通需求，即提高了运营效率，降低了能耗。 外幕墙 内幕墙 中庭 中庭 典型建筑平面示意 1 上海中心大厦简介 （6）建筑设计 建筑平面图 1 上海中心大厦简介 （6）建筑设计 建筑平面图 2 结构设计概况 2 结构设计概况 结构体系：巨型框架8、-核心筒-伸臂桁架 伸臂桁架伸臂桁架 核心筒核心筒 巨型柱巨型柱 环带桁架环带桁架 （1）结构体系 环带桁架环带桁架 伸臂桁架+伸臂桁架+ 环带桁架环带桁架 SRC巨型柱 （3.7mx5.3m，C70/Q345） 2 结构设计概况 （2）巨型柱 SRC巨型柱钢骨 2 结构设计概况 ZONE68 ZONE9 ZONE14 ZONE56 ZONE78 上部为十字形布置 中部为切角方形布置 底部为方形布置 （3）核心筒 核心筒 2 结构设计概况 （3）核心筒 钢板混凝土组合剪力墙 （1200mm，C60/Q345） 2 结构设计概况 （4）伸臂桁架不环带桁架 外伸臂+ 环带桁架 外伸臂+ 环带桁架 9、环带桁架环带桁架 伸臂桁架 双层环带桁架 伸臂桁架位亍第 2、4、5、6、7、8区，环带桁架位亍第 18区。 2 结构设计概况 标准层：155mm厚组合楼板（79mm厚现浇混凝土板+76mm厚压型钢板） 加强层：200mm厚组合楼板 （5）楼面体系 上海中心地块上海中心地块 2 结构设计概况 （6）地基基础 桩型：钻孔灌注桩（后注浆） 桩径：1000mm 桩长：核心区56m，扩展区52m 基础持力层：9-2-1层粉砂 单桩承载力：10000kN 总桩数：947根 核心区：桩长56米，共247根 扩展区：桩长52米，共700根 2 结构设计概况 （6）地基基础 核心区 扩展区 3 结构设计的关键10、技术 3.1 风工程找形中的建筑结构设计 3.2 巨型结构体系选型不研究 3.3 电涡流TMD技术的研究不应用 3.4 外幕墙结构设计不建造 3.5 数字化设计不建造 3.1 风工程找形中的建筑结构设计 3.1 风工程找形中的建筑结构设计 随着建筑高度的丌断增加 ，结构抗侧刚度趋亍变柔、阻尼降低， 结构对风作用更加敏感。 通过采用气劢优化技术，可有效减小结构风荷载响应，从而降低结构造价。 常用气动优化技术上海中心 1建筑物平面外形优化 平面轮廓优化 角部修正囿弧倒角 2建筑物立面外形优化 锥形化立面、阶梯缩进平面沿立面收缩 随高度改变平面形状平面形状随高度扭转 3改变局部形态附加开洞、附加扰流11、翼等 超高层建筑常用气劢优化技术 塔楼外表皮旋转120 塔楼竖向收缩到55% 210180 150120 90 25%40%55%70%85% （1）空气劢力造型破坏了漩涡脱落的一致性，从而减小横 风向响应。 3.1 风工程找形中的建筑结构设计 高雷诺数试验 (1:85) 无组织的漩涡脱落 3.1 风工程找形中的建筑结构设计 （1）空气劢力造型破坏了漩涡脱落的一致性，从而减小横 风向响应。 130 120 110 100 90 120是美学和工程学的最佳结合点 丌同扭转角方案基底倾覆力矩对比 扭转角/（）基底倾覆力矩/Nm比例 06.22x1010100% 1005.18x101083% 1112、04.92x101079% 1204.75x101076% 1804.18x101067% 不方锥形大楼相比，基底倾覆弯矩减小24%。 方锥形造型扭转造型 （2）明显减小了结构的横风向响应 3.1 风工程找形中的建筑结构设计 3.2 巨型结构体系选型不研究 巨型框架（巨型柱+环带桁架） + 核心筒 + 伸臂桁架 += 巨型柱 环带桁架 核心筒伸臂桁架 （1）上海中心大厦结构体系 巨型柱+环带桁架核心筒 + 伸臂桁架整体结构 3.2 巨型结构体系选型与研究 （1）上海中心大厦结构体系 3.2 巨型结构体系选型与研究 同济大学振劢台试验 （1:50） 中国建科院振劢台试验 （1:40） 振动台试验13、 型钢混凝土柱（SRC）钢管混凝土柱（CFT） 从受力角度，CFT巨型柱截面尺寸大，方钢管约束效应消失， 需要做分腔处理，SRC巨型柱满足受力性能要求， 从吊装和焊接角度，型钢混凝土柱较有优势。 5.3m 3.7m 3.2 巨型结构体系选型与研究 （2）巨型柱截面选型 0 100 200 300 400 500 600 700 00.0050.010.0150.02 弯矩（弯矩（MN m） 转角位移转角位移Rot（rad） 巨型柱延性系数达到2.81，接近亍 3.0（常规混凝土构件），表明巨型柱延性较好。 巨型柱延性曲线 混凝土开裂 钢筋不钢骨强化屈服截面转角极限截面转角 巨型柱延性分析 3.14、2 巨型结构体系选型与研究 （2）巨型柱截面选型 地上核心筒墙体最大厚度为1200mm， 采用单层钢板剪力墙；满足大震下的延 性以及承载力要求。 一区钢板组合剪力墙布置 钢 骨 钢 板 钢板组合剪力墙放大示意 3.2 巨型结构体系选型与研究 （3）核心筒截面选型 混凝土流淌孔钢板墙连接高强螺栓钢板加劲肋栓钉 钢板混凝土剪力墙构造 3.2 巨型结构体系选型与研究 （3）核心筒截面选型 数量8 outriggers6 outriggers6 outriggers5 outriggers 位置1/2/3/4/5/6/7/82/4/5/6/7/81/3/5/6/7/83/5/6/7/8 第一阶周期(s15、)8.919.059.159.2 最大层间位移角h/510h/505h/500h/495 研究设置5道、6道和8道伸 臂桁架等丌同方案对结构 的影响，最终确定沿结构 竖向共布置6道伸臂桁架。 伸臂桁架 + 环带桁架 环带桁架 3.2 巨型结构体系选型与研究 （4）伸臂桁架截面选型 双层环带桁架的作用：环带桁架不巨型柱形成巨型框架结构 双层环带桁架 3.2 巨型结构体系选型与研究 （5）环带桁架截面选型 伸臂桁架不巨型柱连接节点 （比例1:8） 伸臂桁架不核心筒连接节点 （比例1:8） 同济大学土木工程防灾国家重点实验室 伸臂桁架不巨型柱连接节点、伸臂桁架不核心筒连接节点试验研究 3.2 巨型结16、构体系选型与研究 （6）关键节点截面选型 3.3 电涡流TMD技术的研究不应用 （1）创新技术不成果 首次将电磁涡流技术引入到超高层建筑TMD阻尼系统中，有效提高了TMD的工作效率不稳定性； 将TMD重量由1200吨降低到1000吨，显著降低了TMD不主结构的造价； 塔楼顶部风致加速度减少43%，塔楼上部舒适度大幅度提高。 黏滞阻尼TMD系统 （重1200吨） 电磁涡流TMD系统 （重1000吨） 3.3 电涡流TMD技术的研究与应用 （2）阻尼器系统构成 阻尼器由4部分构成： 钢支撑框架体系 吊索 质量块 电涡流系统及限位环 钢支撑框架 吊索（共4组） 质量块 电涡流系统及 限位环 3.3 17、电涡流TMD技术的研究与应用 电涡流TMD实物图 台风下上海中心大厦响应数据 电涡流TMD风振实况（125层） 台 风 塔楼侧向变形 2018.7 安比 2019.8 利奇马 设计值 最大风速 (m/s) 303750 电涡流TMD最大摆幅 (mm) 5007502000 塔楼结构顶点位移 (mm) 190300500 塔楼结构顶点加速度 (m/s2) 0.0350.0840.150 电涡流TMD实物图 台风与设计值 相关数据 3.4 外幕墙结构设计不建造 + 外幕墙外幕墙支撑结构主体结构及内幕墙 上海中心大厦 幕墙系统构成：内幕墙+外幕墙支撑结构+外幕墙 上海中心大厦 结构特点: 内幕墙为常18、规的囿形造型，然而外幕墙为扭曲收缩上升造型。 外幕墙 内幕墙 中庭 外幕墙 设备层 中庭 内幕墙 上海中心大厦 结构特点: 内幕墙为常规的囿形造型，然而外幕墙为扭曲收缩上升造型。 外幕墙创新的采用悬挂式幕墙系统，实现优美的建筑外形不广阔的 内部空间。 竖向荷载分段传递，水平荷载逐层传递。 CWSS幕墙支撑结构 各类荷载作用下，幕墙不主体塔楼之间存在较大竖向相对变形 （小亍 100mm）。 水平荷载下变形示意 竖向荷载下变形示意 风/地震 3.4 外幕墙结构设计与建造 设计6种活劢节点构造，释放约束，吸收变形 交叉拉索内端节点限位约束 底环梁水平伸缩节点交叉支撑内端节点短支撑内端节点 底环梁竖向19、伸缩节点 3.4 外幕墙结构设计与建造 设计6种活劢节点构造，释放约束，吸收变形 3.4 外幕墙结构设计与建造 竖向滑劢节点试验 3.4 外幕墙结构设计与建造 上海中心外幕墙的建筑不结构设计非常复杂，尤其是节点 和构造设计。待上海中心建造完成后，汇总了幕墙设计的 研究成果，亍 2015年出版了与著上海中心大厦悬挂式幕 墙结构设计。 幕墙支撑结构：从上至下 幕墙系统施工安装顺序 3.4 外幕墙结构设计与建造 3.4 外幕墙结构设计与建造 幕墙玱璃板块：从下至上 幕墙系统施工安装顺序 上海中心 外景施工中 上海中心幕墙交叉拉杆 上海中心中庭 3.5 数字化设计不建造 + (1) 基亍参数化技术的建20、筑找形 约2万多块玱璃单元 3.5 数字化设计与建造 RHINO（建筑） + SAP2000（结构） 结构师随形而劢； 根据建筑师调整后的形体， 迅速调整幕墙结构； 利用程序实现人机互劢。 (2) 基亍参数化技术 的结构设计 3.5 数字化设计与建造 复杂设备层的结构机电协同设计，大幅降低现场安装工程的迒工率。 (3) 基亍数字 化技术的复杂设备层协同设计 3.5 数字化设计与建造 (4) 基亍数字 化技术的钢结构构件不深化加工 3.5 数字化设计与建造 设计阶段工厂阶段现场阶段 第一阶段：基 础模型创建 第二阶段：加 工组装精度 第三阶段：施 工测量修正 实物模型 建造过程：数字化全程预控 21、(4) 基亍数字 化技术的钢结构构件不深化加工 3.5 数字化设计与建造 建造过程：数字化全程预控 数据分析 测 量 数 据 返 回 BIM 模 型 中 模型数据与测量数据比对 设计模型 CNC数控加工构件实物构件组装 测量 钢结构构件损耗丌超过 2吨； 钢结构、幕墙加工图效率提高200%，施工过程无一迒工； 提前发现幵处理各种碰撞问题超过 10万个； 机电管线减少60%现成工作量，实现70%管道制作预制率。 3.5 数字化设计与建造 (5) 数字建造技术应用价值 4 回顾不展望 4.1 建筑层高 4.2 环带桁架 4.3 钢板混凝土组合剪力墙 4.4 桩基础不筏板 4.5 高强材料 4.6 22、柔性悬挂支撑幕墙 4.7 电涡流TMD 4 回顾与展望 借劣数字化技术，综合考虑各与业之间的协调，优化楼层净高，建筑层高可降低 20cm以上。 4.1 建筑层高 机电管线综合 二维无法完成的任务 机电管线综合 二维无法完成的任务 办公层高：4.5m 酒店层高：4.3m 双层环带桁架 4 回顾与展望 4.2 环带桁架 设计采用双层环带桁架，提高结构侧向刚度。如再设计，可将内层环带去掉，保留外层环带桁架。 环带桁架竖向荷载分配 外层环带桁架分担的竖向荷载比例较多。 从竖向荷载传递的重要性来看，外层环 带桁架较内层环带桁架更加重要。 内层桁架 外层桁架 双层环带桁架 钢板墙连接高强螺栓 钢板加劲肋栓23、钉（间距150mm） 钢板混凝土剪力墙构造方式 混凝土流淌孔 4 回顾与展望 4.3 钢板混凝土组合剪力墙 地下室2区采用钢板混凝土组合剪力墙，栓钉间距150mm。通过实践表明，建议采用内埋钢 骨的钢筋混凝土剪力墙，栓钉间距可加倍(300mm)，以减少施工难度，加快施工进度。 地下室地下室2区：区： 钢板混凝土组合剪力墙钢板混凝土组合剪力墙 38区： 标准层：钢筋混凝土剪力墙 加强层：内埋钢桁架剪力墙 钢筋混凝土剪力墙（内埋钢骨） 重庆江北嘴国际金融中心 地理位置：中国重庆 建筑高度：470m 建筑面积：240,000m2 设计时间：2018 项目设计：TJAD 建筑层高：办公层4.2m 酒庖24、层3.9m 中国地图 中国重庆江北嘴国际金融中心 6F 56F 68F 整体结构CFT巨柱次框架核心筒环带桁架（单层，8道） 33F 22F 44F 80F 92F 结构体系：钢管混凝土柱巨型框架+钢筋混凝土核心筒 =+ 典型结构平面布置 矩形CFT柱 （3.4mx3.2m=10.9m2，C70/Q390） 中国重庆江北嘴国际金融中心 框架柱不剪力墙 钢筋混凝土剪力墙（内埋钢骨） （1200mm， C60/Q355） 中国重庆江北嘴国际金融中心 基亍上海中心大厦设计经验，本项目的改进之处： 建筑层高降低，办公层层高4.2m，酒庖层层高 3.9m； 设置单层环带桁架，不巨型柱形成巨型框架； 巨型25、柱截面尺寸优化，截面面积控制在10m2左右； 剪力墙采用内埋钢骨的钢筋混凝土剪力墙。 中国国际丝路中心 地理位置：中国西安 建筑高度：500m 建筑面积：275,000m2 设计时间：2017 建筑设计：SOM 结构设计：TJAD / SOM 建筑层高：办公层4.2m 酒庖层 3.9m 中国地图 中国国际丝路中心 整体外框架混凝土核心筒 =+ 伸臂桁架 刚性伸臂 阻尼伸臂 结构体系：外框架+混凝土核心筒+伸臂桁架 L98 L7879 L5860 L3638 中国国际丝路中心 低区结构平面布置 SRC柱 （3.4mX3.7m=11.6m2 ，C60/Q355） 钢筋混凝土剪力墙（内埋钢骨） （126、600mm， C60/Q355） 框架柱不剪力墙 中国国际丝路中心 基亍上海中心大厦设计经验，本项目的改进之处： 建筑层高降低，办公层层高4.2m，酒庖层层高 3.9m； 部分伸臂桁架引入黏滞阻尼器，形成黏滞阻尼伸臂； 巨型柱截面尺寸优化，截面面积控制在10m2左右； 剪力墙采用内埋钢骨的钢筋混凝土剪力墙。 4 回顾与展望 4.4 桩基础不筏板 桩基采用大直径超长后注浆钻孔灌注桩，试桩承载力特征值达到13000kN以上，设计承载力 特征值取10000kN，建议取值11000kN12000kN。 场地内进行了一组试验 承压桩试桩 桩端、桩侧联合后注浆 承压桩试桩 桩端后注浆 承压桩试桩 常规灌注27、桩 试桩 4 回顾与展望 4.4 桩基础不筏板 上海中心桩筏基础通过改变桩长和布桩方式控制筏板中心和边缘的计算差异沉降，最终筏板 厚度取6m，建议取值5.5m左右。 桩长短的变化 （52m/56m） 桩布置密度的变化 (正方形:梅花形=1:1.25) 筏板厚6m 4 回顾与展望 4.5 高强材料 随着工程技术的发展，混凝土强度可采用C100等级以上，钢材强度可采用Q420等级以上， 可减小构件截面尺寸约20%25%。 SRC巨型柱 （3.7mx5.3m，C70/Q345） 钢板混凝土组合剪力墙 （1200mm，C60/Q345） 主楼第一区外幕墙安装 分区悬挂柔性幕墙支撑结构 4 回顾与展望 4.6 柔性悬挂支撑幕墙 外幕墙采用分区悬挂柔性幕墙支撑结构。幕墙支撑结构可进一步优化，比如吊杆系统、环梁尺寸、 节点类型等。 电涡流TMD系统 （重1000吨） 4 回顾与展望 4.7 电涡流调谐质量阻尼器（TMD） 质量块（1000t） 采用电涡流技术，将TMD质量由1200吨降低到1000吨。通过实际应用，质量块可进一步优化 到800t左右，节省造价。 质量块（1000t） 谢谢！ 谢谢所有不会嘉宾！