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它造型奇葩造价200亿元,却是当之无愧的世界建筑奇迹

须臾千秋

这栋巨构建筑驰名中外,但也备受争议。它高237米,在超高层建筑当中并不是特别出彩,但其形状实在太“扎眼”了,使得其周围一众比它高的建筑都“黯然失色”。

一方面,这栋建筑结构复杂,设计标准极高,施工难度与科技含量空前,造价更是接近200亿元。它被美国《时代》评选为2007年世界十大建筑奇迹,是集建筑科技最高水平的大成之作;另一方面,它也由于造型古怪而颇受争议:许多顶级艺术家、建筑师认为它造型新颖,是全世界优秀的地标建筑,但也有很多人认为它过于怪异,甚至戏称它为——“大裤衩”。

没错,它就是央视新总部大楼。

央视新总部大楼

它并不像一般的大楼那样直上直下,而是弯折成一个扭曲的环形。其主体包括2座双向倾斜6度的塔楼、连接2座塔楼底层的裙楼和顶部标志性的悬臂结构。

这绝对异于常规大楼的设计,看上去违背力学常识、“气死牛顿”的结构,使它看起来如同一只舞动着身躯的钢铁巨兽。而要让这座钢铁巨兽屹立起来,难度必定卓绝。下面我们就来一探究竟,了解你不知道的“大裤衩”。

悬臂——“扭曲”部位建造难度大

央视新总部大楼最大的特色就是它“扭曲”的部位——顶端伸出的悬臂。这个尖角下无支撑,重力要侧向传递给两边的塔楼,再由塔楼传递到地面。这样,在悬臂和塔楼的拐角处就会形成很大的弯矩,应力很大,进而对设计提出很高的要求。

高应力是什么?举个例子,你可以将一个20千克的哑铃轻易举过头顶,但是如果要求你两臂平举,20千克的哑铃举起来就有些难度了,甚至连更轻的也举不起来,不信你去试试。

将哑铃的重力作为“力”,胳膊的长度作为“力臂”,那么在你肩膀处所受到的作用就被称为“弯矩”。弯矩=力×力臂,同样重量的哑铃,“力”一定,胳膊越长,你肩膀受到的弯矩也就越大,肩膀也就越累。而央视大楼的悬臂长达75米,对塔楼顶部的弯矩作用也就可想而知。要满足这样大弯矩作用下的安全,必定需要高超的设计手法和先进的施工技术。

一座建筑除了必须要满足安全需求之外,还要满足使用需求。北京的上空大风凛冽,时常还要刮几场沙尘暴。如果建筑的设计和施工不够巧妙,建筑的刚度不足——换句话说,建筑不够“硬”的话,那么每当刮起大风,坐在悬臂最外端那间办公室里的人就会像荡秋千一样。说是安全没有问题,可是人害怕呀!

高标号钢材——“冷热酸甜”都受得住。要解决悬臂带来的这一系列难题及需要从许多角度入手,其中最根本的,就是建筑材料本身必须具有高强度、高性能。央视大楼采用了大量的高标号钢材,如Q390D、Q460E等。

相比起普通建筑用钢,这些钢材不仅强度高,而且综合力学性能好,焊接性及冷、热加工性能和耐蚀性能均好,并具有良好的低温韧性,可以说是“冷热酸甜”都受得住。在受力结构复杂的部分,如主楼与裙房的转换处、主楼悬臂的腋部等,采用更高性能的合金钢。

钢材焊接——强节点,弱构件。与钢材本身的性能同等重要的,是钢材之间的焊接。如果焊接强度不够,结构就会在受力时从焊接处破坏,钢材的强度再高也无法发挥。因此,必须保障焊接的强度比构件本身的强度高,正所谓“强节点,弱构件”。

针对央视新总部大楼中所使用的高强度、大厚度钢板,在焊接过程中进行坡口控制、温度控制等一系列控制措施,既保障焊接强度,又减小焊接过程中产生的误差。焊接完成后,还会采取整平、烘烤、超声波震动等方式降低构件内部的残余应力,使焊缝更加牢固。

一次浇筑10万吨混凝土

央视大楼总共用了4万多件钢构件,总重达14万吨。如此沉重的结构必须安置在极其牢靠的基础之上,否则“基础不牢、地动山摇”,再精巧的地上结构也无法保持稳固。

因此,本工程采用了超厚大体积混凝土作为基础筏板,平均厚度7米,最厚处达10.9米。规模最大的一次浇筑混凝土方量达4万立方米,这在全世界都是史无前例的,这4万立方米的混凝土约合10万吨。

1)混凝土的精准配方

混凝土是一种脆性材料,抗压不抗拉。如此大体积的混凝土浇筑在一起,互相约束又难以散热,很容易因材料的热胀冷缩而产生裂缝。大体积混凝土的抗裂问题始终是建筑行业的一大难题。

在央视大楼工程中,项目部特意召开了由国内知名专家参加的论证会,确定混凝土的配方以降低温度、保障强度。

在浇筑中,布置大量的温度传感器时时监测温度变化,及时调控散热速率。除此之外,还在混凝土中掺加了高效膨胀剂以补偿混凝土的过度收缩,掺加了聚丙烯纤维材料以增强其抗开裂性能。强大的基础,保障了稳固的建筑。

2)节点无数,精准测量“对接”

央视大楼的难,本质上就是因为其不规则的形状。对于一般的高层钢结构,横平竖直,采用钢尺、水准仪就能控制误差。而央视大楼的塔楼双向倾斜,常规方法无法精确测量,误差累积严重。

在施工各个阶段,包括主体钢结构、楼面混凝土、幕墙在内的多种构件相互联结,节点无数。一根20米长的构件,如果一端仅仅偏差1分的角度,另一端就要偏差6毫米宽。几根这样的构件联结,误差就会累积到几厘米。这么大的误差意味着在合拢时构件之间根本无法对准,合不上了——那之前一切努力就都白做了。

更何况,工地不是实验室,施工中的误差来自于方方面面,每天的风荷载、日照、温度等都不相同。任何一处小小的误差累积起来都会产生巨大的偏差,这些都对施工的质量和建筑物的监测提出了极高的要求。

3)内外结合,边施工,边监测,边修正

央视大楼创新性地采用了“内控法”与“外控法”相结合的方法进行测量。采用高精度全站仪高程传递和空间三维坐标测量技术,并配合GPS全球卫星定位技术进行基准点位的校核,确保塔楼和悬臂精度达标。除了预先的定位之外,施工过程中还对结构棱角、腋部、转换桁架、悬臂等关键部位选取600多个监控点,实时观测其三维坐标变化情况,确保精度。

简而言之,就是一边施工,一边监测,一边修正。

针对一座如此复杂的建筑,它的各个关键节点是很难一成不变的,在施工过程中难免发生变化。因此,在施工的过程中,工程师们会持续性地观测节点位置的偏差,一旦发生了偏移就及时进行修正,直至悬臂合拢,施工完成。

即使在所有施工全部完成之后,仍然有许许多多的测量点在继续工作,监视着这座大楼的每一处微小变形。一旦超出了工程师们的忍耐区间,大家就会迅速组织评估进行针对性的维修。

应当说,央视新总部大楼并不是结构上最合理的建筑,其建筑难度和造价都是远高于普通建筑的。但是,用高超的建筑科技来完成一个看似不可能完成的建筑,这也是人类挑战自我的表现。这座舞动的钢铁巨兽已经成了我们当代的建筑奇观,它身上所体现出的人类科技之光必将在历史的长河中闪闪发亮。 CTh8SUNLlwaddSTb788xFJ+6YxqCqpwEgDGh2NZzOQ4nUyvAOj6w/L6AlLE8qnwQ

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