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    新聞資訊

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    “煙花”來襲,632米的上海中心大廈除了阻尼器,還有啥神技術?
    時間:2021-07-28 07:42:52     來源:禾盈科技官網

    7月25日,臺風“煙花”來了,上海中心大廈搖擺著的阻尼器成了“小網紅”。實際上,上海中心大廈的建成,需要突破一系列世界級超高層工程建造技術難題,它成功創造了N多的第一次,成為超高建筑與環境和諧共生的里程碑式典范工程,其技術成果在我國22個省市的近200項工程中得到推廣應用。上海建工集團總工程師龔劍作為上海中心第一完成人的“上海中心大廈工程關鍵技術”項目榮獲2018年度上海市科技進步獎特等獎。

    千噸重的阻尼器,讓大樓巋然不動

    “煙花”來襲,中國第一高樓上海中心大廈防風抗臺的“鎮樓寶器”——阻尼器已經開始運作,而且隨著風力加大,阻尼器擺動幅度逐漸變大,但是這個對上海中心大廈完全沒有影響。

    通常來說,超高層建筑物對強風的作用比較敏感。例如,如果高度10米地方的風速為5米/秒,那么,高度300米地方的風速將會超過30米/秒,樓層越高風速越大。風速較大時,建筑就會產生晃動,使人有眩暈的感覺。摩天大樓在臺風天是如何能夠保證不晃動呢?是一種叫做調諧質量阻尼器的“神器”,減少了“高層晃動”,使超高層建筑依舊“威風凜凜”,任爾東西南北風。

    阻尼器在全球范圍里是一項新技術,在高樓林立的上海,裝有阻尼器的摩天大樓一共只有兩家:上海中心大廈和環球金融中心。上海中心使用的阻尼器是我國首個自主研制開發的世界上首個電渦流擺式調諧質量阻尼器。

    阻尼是物理學名詞,指的是力的衰減和能量的耗散,有緩沖的意思。當強風吹晃大廈時,質量巨大的風阻尼器產生的反作用力就會越強,從而減輕大樓的搖晃。

    與調諧質量阻尼器相比,上海中心采用的“電渦流擺設式調諧質量阻尼器”,采用了電渦流技術。

    電渦流會產生渦流現象。該現象可以簡單理解為閉合電路中的導電體圓周方向會產生 ,電流的方向沿導體的圓周方向轉圈,像水流一樣,呈漩渦狀分布。導體外線圈越密,線圈內電流越大,交變磁場的 越強,渦流就越大。

    此前,電渦流技術用于磁懸浮等工程,是世界上首次用于風阻尼器,也是中國人首創。其原理簡單來說,大風作用在樓宇上的機械能,風阻尼器通過自身的擺動,抵消風力,實現對建筑物的“定力”。電渦流擺設式調諧質量阻尼器的優勢在于:磁體與導體之間沒有直接接觸,無摩擦阻尼和磨損;不受溫度等環境影響,易于維護且耐久性好。

    上海中心的阻尼器位于第125~126層,由12根鋼絲吊索、質量塊、阻尼系統和主體結構保護系統四個部分組成,重達1000多噸,是目前世界上最重的擺式阻尼器。

    根據上海建工集團提供的數據,這種阻尼器可以降低風致峰值加速度,降低的幅度超過43%,可以令大廈內90%的人能感受到較大的舒適度。從設計角度分析,即便是500年一遇的(約15級以上的大風)也不會讓阻尼器擺動到最大幅度。

    平時,阻尼器裝置是靜止的,只有當臺風來襲,上海中心大廈的阻尼器才開始工作。

    上海中心阻尼器運行簡易示意

    2019年,超強臺風“利奇馬”讓阻尼器的擺幅達到50厘米(瞬時峰值一度達到了70厘米),是目前為止最大的記錄值。不過別擔心,這個幅度遠低于其2米的極限擺幅!

    而此刻,臺風“煙花”正襲擊上海,中心大廈的阻尼器正在搖擺。

    此外,安裝阻尼器不僅能保證上海中心大廈的穩定性,還能減少其他穩固性材料的使用,起到綠色環保作用。

    每當臺風來襲,上海中心大廈的阻尼器作為“鎮樓寶器”而被人們關注。實際上,這個“超級工程”還有很多值得我們關注的“厲害”,它在很多方面創造了“中國第一”和“世界之最”:

    世界上第一次在軟土地基上建造重達85萬噸的單體建筑;

    世界上第一次在超高層建筑中使用14萬平方米的柔性幕墻,

    世界上最高的綠色建筑……

    然而在上海中心大廈動工之時,現今的每一項“第一”都是一個巨大甚至無解的難題。

    泥灘之上如何筑牢地基?

    俗話說“地基不牢,地動山搖 ”。蓋房子,最重要的就是要筑牢地基。對于高達632米重達85萬噸的上海中心來說,地基更是重中之重。

    上海浦東處在一個沖積層,上海中心的建造地點位于一個河流三角洲,土質松軟,一鏟泥土半鏟水。那么在這樣的土質上,如何筑牢地基?

    打樁是加固地基的一種主要方式。何為打樁?形象點說,就是豆腐上按照一定間距插上一根根牙簽,以此來改造土質形成一塊新的承載建筑的平臺。

    當年,金茂大廈和上海環球金融中心皆采用打入式鋼管樁工藝。但是直接打樁會帶來幾個明顯的影響:噪音、已建建筑可能出現沉降、開裂現象等。在它之前,陸家嘴早已高層建筑鱗次櫛比,這決定了上海中心施工時不能大開大挖、大噪音。但是,上海中心大廈需要打下一根根近90米的地基樁,相當于地下九層樓高。如果按照傳統操作,必然噪聲如雷,塵土飛揚。

    鉆孔灌注樁(鋼筋籠)示意圖

    為了讓“施工噪音盡量小”,上海建工集團放棄了傳統的打樁方式,不走尋常路:

    通過研究首次在350米以上的超高層建筑中使用了鉆孔灌注樁建造工藝,即先用鉆機在地基上鉆孔,在孔內放置一個鋼筋籠(相應直徑的籠形鋼筋框架),然后再往鋼筋籠內灌注混凝土,一個樁子便算做成了。

    2008年11月28日,上海中心開工,打下了第一個基樁。施工時,周圍上班的人幾乎沒有受到任何噪音影響。

    鉆孔灌注樁施工步驟

    其實,鉆孔灌注樁的工藝在國內并非首創。難點在于,超高層、超重量的巨型建筑從未使用過這種方式,過程中遇到的問題沒有可參考的解決模板。

    由于上海土質過軟,樁基可能會出現樁身混凝土離析、樁底沉渣過厚等問題。為了提高樁基的承載力,建工集團采用了樁端注漿加固樁基的工藝,即利用水泥漿充填孔隙,提高土體密實度和強度,使樁基極限承載力提高近4倍,承載力與傳統鋼管比較地基持平,但造價節省了60%以上。

    樁端注漿加固樁基的工藝簡易GIF動圖(來源:紀錄片——超級工程)

    最終,上海中心共鋪設955根樁,每根樁直徑1米,深度達86米。

    “從設計角度來說,上海中心的樁基可以支撐3 000多噸的建筑重量,遠超上海中心自身的重量?!?上海建工集團總工程師龔劍說道。

    據了解,自上海中心使用了鉆孔灌注樁技術為后續的高層建筑提供了范例。之后,軟土地基上的許多超高層建筑都采用此方法,所以現在城市超高層建造都聽不到打樁聲了。

    量身定制的“金縷玉衣”

    玻璃幕墻對建筑物具有減輕自重、提高抗震性等特點,所以很多高層建筑外觀都采用玻璃幕墻。但往往受樓梯較高、預埋件、玻璃安裝等因素影響,安裝質量控制難度很大。特別是異型建筑上的玻璃幕墻,難度和施工精度要求可想而知。

    據了解,與上海中心相鄰的金茂大廈也是全玻璃幕墻,在當年施工時,所有構件需要先在工廠內拼裝完成,再拆卸運至現場拼裝,這樣的施工效率低、精度也難以控制。而上海中心不只是玻璃幕墻,而且是雙層玻璃幕墻。所謂雙層幕墻,顧名思義就是兩層玻璃幕墻,猶如大樓的兩層皮膚。在這之前,雙層幕墻還從未出現在350米以上的超高層建筑中。

    上海中心大廈雙層幕墻與空中庭院

    設計的精妙也給施工帶來了巨大的挑戰。上海中心從外觀上看,是螺旋減縮式上升的造型,猶如一條盤旋上升的巨龍,外幕結構體系異常復雜,支撐體系從地面到頂部要旋轉上升120度,共14萬平方米、2萬多塊的幕墻玻璃,片片不同,按傳統施工工藝,根本無法安裝。

    為了加快建設速度,龔劍團隊采用內外幕墻隨建筑主體結構同時施工的方式,這就更增加施工難度。有同行直言,這是一個無法完成的任務。

    龔劍團隊率先引進國際建筑業最尖端的數字化建造技術,通過建筑模型信息化,將實現每一塊部件、每一塊玻璃幕墻、每一條電線、每一個水閥都在電腦中三維建模、標號,精準計算、三維演示,加工每塊構件,運到了現場按先后順序一氣呵成。從設計施工到全生命周期維護,龐然大物的每一處細節都能“自己說話”。哪里碰撞了,哪里銜接不到位了,一目了然。

    如何控制結構變形,毫無疑問是關鍵。玻璃幕墻完全由鋼結構支撐,那么大的跨度,那么重的玻璃,數百米之上更大的風速、更大的溫差,都會導致鋼結構變形,幕墻單元板塊就會受到擠壓,幕墻受損破裂的風險就會增大,從而影響整個幕墻體系的安全。既要保證幕墻的牢固,又要留出變形的空間,看起來是個悖論。

    在上海中心的每個樓層,都會看到些不起眼的支座。它叫作柔性連接滑移支座裝置(簡稱:滑移支座),正是龔劍團隊發明并制造出的新裝備。正是這個裝置,讓幕墻可以“動起來”。因此叫柔性幕墻,跟我傳統的幕墻概念完全不同。

    柔性連接滑移支座裝置的一種(來源:東方衛視)

    如果把上海中心外墻懸掛玻璃的鋼架比喻為人的骨骼,那么滑移支座就如同連接骨骼的關節,雖然只是幾毫米的變形空間,也給了玻璃幕墻足夠的緩沖空間,有效避免了幕墻因硬力過大而被破壞。

    滑移支座裝置有五種類型,不同類型的支座根據變形需求被安裝在不同位置。用總工程師龔劍的話說是:

    玻璃幕墻是內剛外柔,我們以柔克剛,通過約束釋放、變形吸收,實現了各種荷載效應下剛柔不同結構體系復雜工況的變形協同。

    同時,為保證這些滑移支座健康運行,上海中心大廈總控中心將其健康監測納入總監測系統,可實現實時監控并預警。

    最終,20357多塊不同大小曲面的玻璃幕墻,嚴絲合縫地懸掛在建筑外立面,宛如制成一件完美的“金縷玉衣”。這是世界上首次在超高層安裝14萬平方米的柔性幕墻。

    據龔劍回憶,兩萬多塊玻璃幕墻,每一片的施工精度誤差都在1.5毫米以內。

    “綠色、節能、環?!睙o處不在

    上海中心是率先建立600米級垂直城市綠色建筑體系,成為全球首棟中國三星認證和美國LEED-CS鉑金認證最高等級綠色超高建筑。尤其是美國LEED-CS鉑金認證,可以說是綠色建筑領域的“奧斯卡”,全世界僅有5%的LEED項目可以獲此殊榮。

    據龔劍介紹,大廈綜合采用了中水回收利用系統、雨水收集系統等40余項綠色環保節能技術,每年可降低能耗20%以上。

    例如,上海中心外觀以旋轉、不對稱的外部立面設計,旋轉120度。為什么要旋轉120度?

    “因為上海是臺風地區,對高樓會有明顯的影響。我們通過實驗對不同的旋轉角度進行監測,最后發現旋轉120度,可以減少24%的風能,極大地減少風力對樓層的影響?!?龔劍解釋道。同時,還可以最大限度地減少了抗風材料,比傳統建筑式樣節省32%的建筑材料。

    上海中心兩層玻璃幕墻的設計也大有深意。它如同一個直沖云霄的“保溫瓶”,兩層皮膚間的空間,通過通風設備的調節,在大廈內外部之間充當良好的緩沖帶,起到冬暖夏涼的作用,使采暖和制冷的能耗比單層幕墻降低了50%左右。

    節約水資源,上海中心采用了雨水收集處理和回用技術。

    大廈的頂部有一個巨大的雨水收集槽,將雨水收集儲存在蓄水池里,處理后可用于花木灌溉、廁所沖洗、建筑物內部清洗、設備冷卻等,將大大減少使用自來水??晒┐髽鞘褂?。估算下來,一年可以節省250個標準游泳池的水量。

    在上海中心580米的高空塔冠區域,平均風速可達到8~10米/秒,非常適合風力發電。因此,工程師在上海中心的外幕墻上開了三個很大的開孔,安裝高空風力發電系統。不同于“大風車”般傳統發電機,屋頂的鋼結構上布滿的一個個“小圓筒”,就是270臺“垂直軸渦輪”的風力發電機,總額定功率為135千瓦,每年可以為大廈提供1.19百萬度的綠色電力,供屋頂、觀光層中的設備使用。

    上海中心圍繞“節地、節能、節水、節材、室內環境質量和運營管理”等方面,采用了一系列綠色建筑適用技術。

    上海中心的建設是一項超級工程,眾多的科技創新手段支撐著這項不可能完成的挑戰,成為世界上高層綠色建筑的標桿,也展示了中國人的建造能力和創新能力。

    2020年4月,國家住房和城鄉建設部、國家發展改革委發文指出,嚴格限制各地盲目規劃建設超高層“摩天樓”,一般不得新建500米以上建筑?!跋薷摺闭叩某雠_,使得上海中心的天際線短期內恐怕很難被超越。

    龔劍認為,高度并非我們追求的目標,未來新型綠色、智能建筑將會成為中國建筑業發展的新趨勢,融合大數據、人工智能等高科技要素的數字化建造技術將會成為有力支撐,也將成為建筑業內的核心競爭力。

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