望京搜候中心结构设计（建筑）
江坤生， 张 克， 朱勇军， 傅学怡
（悉地国际设计顾问（深圳）有限公司，北京100013）
[摘要] 望京搜候中心地处北京8度高烈度地震区，三座塔楼T1，T2，T3总高分别为119，128，197m，外形呈扁筒椭圆锥体，酷似“鱼”形，外形斜率多变，其不规则、不对称、竖向递变的特点给结构设计带来诸多困难。通过ETABS，PERFORM-3D，SAP2000，PKPM系列软件等多种程序对结构进行多模型、多工况的细致分析计算，针对不同的问题采取不同的对策加以一一解决，主体结构抗震性能及各项抗震指标均达到规范要求，保证了结构的安全性
和经济性，其具体实施方法及构造加强措施可供类似工程参考。
[关键词] 望京搜候中心；高层结构设计；抗震性能；抗震设计；变曲率斜柱
中图分类号：TU318，TU973 文章编号：1002-848X(2016) 09 -0001-06
1 工程概况
望京搜候( SOHO)中心项目位于北京市朝阳区望京B29地块，由北京望京搜候房地产有限公司投资，项目总建筑面积521 265m2，外形呈扁筒椭圆锥体，塔楼平面形状酷似“鱼”形，沿竖向层层收进。整体结构从下至上逐层向内收缩，渐变收缩为一点；整个建筑，仰视时犹如三座相互掩映的山峰，俯视时宛似游动嬉戏的锦鲤（图1、图2）。塔楼外部由闪烁的铝板和玻璃覆盖，其独特的曲面造型、流畅的线条，使建筑在任何角度都呈现出动态、优雅的美感，视觉上富有冲击力，是机场进京的首个标志性建筑。
项目地上建筑面积392 265m2，包括三座塔楼，其中T1塔楼地上25层，主要楼层层高3.6m，主体结构高95. 2m，建筑最高119m；T2塔楼地上26层，主要楼层层高3. 6m，主体结构高98. 8m，建筑最高128m；T3塔楼地上45层，主要楼层层高3.8，4.2m，主体结构高178. 97m，建筑最高197m。项目地下3层，局部地下4层，地下1层~地下4层的层高分别
为5.2，4.4，3.7，6. 0m，底板顶建筑标高：地下3层为- 13. 300m，地下4层为- 19. 300m。主体结构T1，T2采用钢筋混凝土框架．剪力墙结构，T3采用钢管混凝土柱钢框架梁一钢筋混凝土剪力墙结构。
项目抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度值0. 20g，设计地震分组第一组，场地土类别Ⅲ类，场地特征周期T g=0. 45s，结构阻尼比0.05( T1，T2)、0.04( T3)，规范水平地震影响系数最大值为0. 16g（小震）、0.45g（中震）、0.90g（大震），时程分析所用水平地震加速度峰值为70gal（小震）、400gal（大震）。
根据相关规范，结构设计标准为：建筑结构安全等级二级，结构设计基准期50年，结构设计使用年限50年，建筑抗震设防类别乙类（重点设防类），地基基础设计等级甲级，框架抗震等级特一级，剪力墙抗震等级特一级。
T3为超B级高度的高层建筑结构，且核心筒在个别楼层存在较大收进、下部楼层平面的质心及刚心偏心率较大、外围柱均为斜柱等，结构外形复杂，其抗震性能显得尤其重要，设计中对不同构件、不同部位分别设定不同的抗震性能目标，采用多种软件在多种工况下进行详细抗震分析，找出其薄弱部位并予以加强，混凝土剪力墙以及外围钢管混凝土框架的抗震性能达到反应谱中震抗剪弹性、抗弯不屈服的性能，结构整体抗震性能达到《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)中抗震性能3的水准。
2 结构体系与布置
根据建筑高度不同，T1，T2采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构，T3采用钢管混凝土柱钢框架梁一钢筋混凝土剪力墙．压型钢板组合楼盖结构体系，结构布置图详见图3，典型平面图详见图4。结构竖向构件截面随楼层升高逐渐减小，主要构件尺寸详见表1。梁板混凝土强度等级为C30，墙柱混凝土强度等级从底部C60逐渐变到顶部C40。
3 高地震烈度区外形斜率多变超高层建筑结构设计
工程地处北京8度高烈度抗震区，三座塔楼T1，T2，T3总高分别为119，128，197m，外形呈扁筒椭圆锥体，酷似“鱼”形，各个方向的收进尺度不一致，其不规则、不对称、竖向逐层内收渐变、无标准层等特点给设计带来诸多困难，没有现成设计经验可供参考。科技查新报告表明：从查到的国内公开报道文献分析来看，没有能够覆盖本项目特征的文献报道，本项目具有新颖性。
本工程结构体形复杂，平面呈月牙状，立面逐渐内收，较大的长宽比使得结构有较大的纵向刚度和较小的横向刚度，不对称的内收使得结构的刚心和重心层层变化，且刚心和重心的平面位置沿高度不断偏向一侧(尤其是质心，纵向相差很大，T2达15m)，这容易导致结构在水平力的作用下发生扭转，控制结构的横向刚度和扭转是结构设计的难点，增大结构两端横向刚度是解决问题的最佳途径，但不对称的内收使“两端”变得模糊，给调整结构扭转位移比带来巨大的难度，往往调好了左边，右边又超规范；调好了底部，顶部又超规范，设计时需精心协调，调整底部及顶部沿纵向左端、中间、右端的各个内筒剪力墙的刚度（墙体长度、厚度、开洞大小）方能将结构刚度和扭转效应调整到合适的范围。
针对本项目的复杂性，分别采用了多种结构设计软件进行了复核比较，以确保结构计算的正确性和准确性，具体为：采用了空间分析软件SATWE，ETABS对单塔弹性楼盖、刚性楼盖进行了重力、风荷载、温差效应、反应谱小震、小震弹性时程分析，用SAP2000对屋顶钢结构屋架单体模型及钢屋架与下部混凝土结J的总装模型进行分析，用PERFORM-3D对T3进行动力弹塑性分析。通过多种设计程序对结构进行多模型、多工况的细致分析计算，找出结构薄弱部位，并采取有效的抗震加强措施，保证了结构的安全性，整体结构各项抗震性能指标均满足规范要求，其中，T3混凝土剪力墙以及外围钢管混凝土框架的抗震性能可以达
到反应谱中震抗剪弹性、抗弯不屈服的性能，整体抗震性能达到《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)中抗震性能3的水准，结构主要抗震性能指标详见表2、表3。
除了通过细致分析外，还主要采取了以下加强措施：框架、剪力墙按特一级要求进行设计，从严控制墙柱轴压比，适当提高剪力墙水平和竖向分布筋，适当提高柱纵筋和箍筋，尤其是“鱼头鱼尾”的脊柱、顶部斜柱交汇处；控制中震下剪力墙的主拉应力，当主拉应力超过混凝土抗拉强度时，剪力墙暗柱中增配纵筋(T1，T2)或增设型钢(T3)抗拉；控制连梁的剪压比，对部分抗剪承载力不足的连梁按剪压比控制箍筋，并加配交叉斜筋( T1，T2)或增设型钢（T3重要连梁）抗剪；结合竖向收进，错开墙厚、柱截面、混凝土强度沿竖向的变化，以避免竖向刚度突变，对剪力墙收进较多的部位，上下层设置约束边缘构件，并适当加强配筋。
4 变斜率斜柱结构设计
建筑独特的流线型设计使得大量的柱斜率连续变化，这给T1，T2的钢筋混凝土柱、T3的钢管混凝土柱的施工带来诸多不便，为此首先进行归并，将斜率相差不大的柱归并为同一斜率柱，归并的结果要满足楼板应力不至于过大，柱位到建筑边的悬挑长度适当。结构中下部柱斜率变化较小，楼板附加拉力相对较小，可将4~9层归并成一种；结构上部、脊柱处柱斜率变化较大，楼板附加拉力较大，柱斜率按逐层变化设计。
斜柱斜率改变时，在竖向重力及水平地震力的作用下，斜柱、梁会产生较大的轴力（图5）和弯矩，楼板会产生较大的应力，尤其是“鱼头鱼尾”斜率较大处，设计时必须充分考虑其影响，并采取加强措施。计算分析时需采用能考虑梁轴力影响的计算软件（本工程采用SAP2000软件，模型中楼板采用壳元），楼板应力计算时，楼板的刚度不退化，按100%计算；梁柱设计时，考虑混凝土的收缩及徐变效应，将楼板的刚度退化到原来的30%，以确保安全。
T3“鱼头鱼尾”处斜率大，横向两侧斜柱与纵向脊柱斜柱相贯，节点复杂，设计中成功采用斜率多变钢管混凝土柱相贯节点（图6），保证其抗震性能及安全性。
5 屋顶多曲率变化的三角形管桁架拱结构设计
屋顶建筑装饰架外形奇异不规则，装饰百叶呈阶梯状且厚薄不均，主桁架必须在建筑外形以内，造成悬挑大，结构实现困难，没有现成设计经验可供参考。设计中，主结构采用双向交叉三角形截面立体管桁架拱结构（图7、图8），在主桁架外设置次结构以承担竖向装饰百叶等的重力荷载和水平风荷载，并根据不同情况采用三种形式：顶部采用网格结构，侧面较厚处采用悬臂片桁架，侧面较薄处采用悬臂工字钢，很好地实现建筑需求，且安全可靠、经济合理。设计采用单体钢结构模型和总装模型的包络，阻尼比分别采用0. 03及0.05，0.03用于控制上部钢结构，0. 05用于控制下部混凝土结构。单体钢结构模型通常采用理想铰接或刚接模型，难以模拟连接界面下部混凝土对上部钢结构的有限刚度约束；需通过放大地震影响系数最大值来近似计算屋顶对钢结构地震反应的放大作用，这种计算方法难以准确反映真实情况；不能反映钢、混凝土两种材料特性差异的影响。而这些问题在总装分析中都能得到较好的解决，总装分析是必须的。
6 基础及地下室设计
地下室建筑面积12.9万m2，为地下3层局部地下4层，层高分别为5.2，4.4，3.7，6. Om，底板顶标高为- 13. 60m（地下3层）、- 19. 600m（地下4层）。地下室采用现浇钢筋混凝土梁板结构，楼盖采用略宽较扁的主梁大板体系，主要梁高控制在600mm左右，有人防或大跨处适当加高，以求在相同使用净高下降低地下室层高，减少开挖工程量，以降低工程造价。楼板厚150~300mm；纯地下室部分筏板厚600mm；T1，T2主楼范围内筏板厚1 500mm，核心筒筏板厚1 800，2 200mm；T3主楼范围筏板厚2000～2500mm，核心筒筏板厚2800~
3 200mm。混凝土强度等级：主楼范围内墙、柱为C60，主楼范围外人防墙、柱为C40，地下室外墙、梁、板为C30。
基础底板标高处土层为④细砂／粉砂层或⑤粉质黏土层，地基承载力特征值f ak=200kPa，纯地下室部分地基承载力能满足设计要求，该部分采用下柱墩平板式筏板基础。主楼范围内地基承载力不能满足设计要求，T1，T2采用CFG桩水泥粉煤灰碎石桩进行地基处理，处理后的复合地基承载力标准值：f spa =500kPa（一般区域），f spa=580kPa（核心筒下荷载较大区域）。T3采用钻孔灌注桩桩筏基础，并采用后压浆工艺，以提高桩端阻力及桩侧摩阻力，减小桩基变形，提高桩承载能力。桩端持力层为⑨卵石圆砾层，桩端全断面进入该层深度不小于1.0倍桩径，桩径咖1 000，桩长L=28~ 32m，单桩竖向承载力特征值R a=8 000kN。根据上部荷载，尽量将桩集中布置在柱及剪力墙下，以减小筏板承台的弯矩和剪力，上部结构荷载效应标准组合竖向力与筏板自重标准值之和约为2 852 349kN，需布桩357根，实际布桩403根。
三座塔楼地下室连成一体，长约290m，宽约195m，属严重超长结构，采用“放、防、抗、提”兼顾的设计原则实现超长结构的无逢设计：进行详细的温差应力分析，并以此为依据配置适量的温度应力钢筋；设置合理的施工后浇带，后浇带低温合拢；采用低水化热的普通硅酸盐水泥和级配良好的碎石骨料配制混凝土，并适量掺入粉煤灰；采用高效减水剂，降低水泥用量，严格控制水灰比；采用合理的施工工艺，浇筑后抹光压实，接近初凝时二次抹面收光，施工后加强养护。
本项目纯地下室部分采用平板式筏板基础，T1，T2采用CFG地基处理，T3采用桩筏基础，由于三座塔楼地下室基础连为一体，高差悬殊，荷载差异很大，除采用有限元分析程序进行整个地下室的桩筏基础分析计算外，在主楼周边适当部位设置沉降后浇带，并在主体结构完成且实测沉降稳定后浇筑混凝土封闭。
7 结语
在高烈度区，自由灵动形态超高层建筑的结构设计会遇到诸多难点，针对不同的问题采取不同的对策逐一加以解决，通过精心协调调整底部、顶部纵向左、中、右各剪力墙的刚度，将结构刚度和扭转效应调整到了合适的范围；通过多模型、多工况、多程序的计算分析，对薄弱部位采取了相应有效的抗震加强措施，使主体结构抗震性能及各项抗震指标达到规范要求，保证了结构的安全性和经济性；通过在不规则中寻找规律和机会，为项目的便利施工提供了保障。望京搜候中心T1，T2塔楼等6项工程获2014年全国工程建设项目优秀设计成果一等奖，成功打造了望京新地标。
