今年是浦東開發開放三十周年,在這片熱土上,不斷刷新的標誌性建築,推動著上海不斷長高。
可曾知道,東方明珠電視塔上那根「針」安裝現場「空氣凝固」一刻?上海中心如何被955根樁基穩穩託舉?
這其中,離不開高校專家與建設者共同殫精竭慮。幾天前,應邀赴同濟大學講座的上海浦東新區管委會首任主任趙啟正說:「在浦東開發建設過程中,全國許多大學都給了我們幫助,但說來道去,幫助最大的,還是同濟大學。」
那根長110米重450噸的針,怎麼吊頂?
從南京路步行街東段望過去,黃浦江對岸就是或直立、或斜插的粗大水泥管串起3個彩球的東方明珠電視塔了。塔高468米的電視塔,是浦東開發開放後的第一個重點項目,這種多筒奇異結構的電視塔施工難度極大。頂上作為塔的功能的發射天線,其桅杆長度便達110米,總重量達到450噸,當時屬於世界上最長最重的天線桅杆,要從地面將其送到離地面350米的位置,然後讓它站起來,為半徑80公裡的區域內傳輸質量優良的電視廣播信號。
上得去嗎,怎麼上去?
機械學院教授徐鳴謙介紹,當年烏建中、卞永明和他一起,跟這個遠觀如針管、近處卻是一座山的龐然大物較上了勁,「國內外電視塔天線杆的安裝,常用的方法由卷揚機滑輪組提升、液壓千斤頂頂升。加拿大多倫多電視塔天線桅杆採用直升飛機分級吊裝,每次吊裝一噸。這些方法對東方明珠塔都不適用,如用卷揚機滑輪組提升,,勢必會耗用大量的鋼絲繩, 且受卷揚機繩提拽能力的限制,還有多臺卷揚機如何同步問題。液壓千斤頂頂升, 天線杆需空中組裝,高空作業非常危險, 組裝質量也難以保證,且施工周期長。直升飛機吊裝由於存在著空中定位問題, 也難以採用。」
徐鳴謙說,上海石洞口電廠240米鋼煙囪就是同濟人用液壓頂升技術扶直樹正的。針對東方明珠桅杆,團隊提出了柔性鋼絞線承重、提升器集群、計算機控制、液壓同步整體提升的技術方案, 並專門設計、研製了鋼天線桅杆液壓提升設備。
「也許是老天爺要考驗我們,1994年4月20日開始頂升,每天數十米的速度往上遊升,轉眼到了4月30日,距桅杆登頂只剩下23米。眼看勝利在望,氣象預報即日起八級大風將到上海,持續一星期左右!」徐教授回憶道,傍晚,大風不請自來,塔頂風速已超18米/秒,工作必須停下來!現場指揮部的氣氛凝固了:繼續提升,萬一碰了砸了斷了怎麼辦?不停工,懸在300餘米空中的450噸「泰山」的桅杆蕩起鞦韆怎麼辦?
「那時候,心跳仿佛都靜止了,空氣已經凝固了。」徐鳴謙說,黨員們、幹部們,站在高高的塔頂上,大風口上無人退縮,「小心小心!」「慢,慢!」「好的好的就這樣」「不著急、不著急!」……短暫的緊張之後,現場又開始緊張有序,有條不紊。東方既白,附近的高層建築隱約可見,風中的桅杆穩如泰山:桅杆穩穩矗立在塔頂。這一天是1994年五一勞動節。參與頂升工作的還有機械學院一批教師和研究生。
東方明珠電視塔作為當時浦東最高的建築,如果颱風、地震來臨,電視塔還能安然屹立嗎?面對這一社會高度關注的問題,土木工程學院團隊還利用同濟先進的風洞平臺和當時亞洲最先進的振動臺,承擔了東方明珠電視塔的抗風抗震研究,為東方明珠電視塔的安全性提供了保證。
隨著東方明珠電視塔的矗立,浦東這片土地就成了高聳建築的競技場,陸家嘴金茂大廈、環球金融中心、上海中心等地標建築,都打上了鮮亮的同濟烙印。
土木工程學院承擔完成了420.5米高的金茂大廈的風洞試驗和數值分析,讓嚴謹的試驗、計算為大樓建設保駕護航。492米高的上海環球金融中心2008年8月竣工,土木工程學院承擔了風速實測、中心結構驗算、結構彈塑性耐震性及制震裝置等多項任務。
上海中心的「衣服」,如何省下兩億元
如今,東方明珠在上海已經成了「小弟弟」,建築總高度632米的上海中心,是最高的「大哥」。作為聯合設計單位,這中國第一高樓相伴而來的「尺度巨型化」難題,求解過程中,凝聚了數百位同濟專家的智慧和汗水。
盤盤數據,上海中心主體結構高度580米,地上125層、地下5層,總建築面積約576000平方米(地上面積373000平方米),樓內安裝垂直電梯91部,設9個避難層。與之相比,外灘21棟歷史建築的總面積為37200餘平方米,因此上海中心大廈也被媒體戲稱為「豎著的外灘」。
600多米的高度,水如何送上去?遇上颱風天氣,如何排水?整個大樓自重達85萬噸,地基能承受嗎?上海經常受颱風侵襲,大風天氣裡如何保證上海中心大廈的「從容淡定」?大樓的「衣衫」是成千上萬塊玻璃拼起來的,樓體在大風中搖擺時如何避免玻璃被擠碎?
2009年3月,上海市科委批准了同濟大學教授丁潔民牽頭的「500米以上超高層建築設計關鍵技術研究」課題。按照室內空間環境、地下空間的規劃與整合、風荷載、複雜建築外形的優化設計等數十個課題,學校相關學科數十位著名學者組成強大的科研團隊,開展科研攻關,分課題數量達到58項。
支撐大樓的直徑121米、厚度6米的大底板就凝聚了一批同濟人的心血,他們主持的多項研究為上海中心大廈底板澆注提供了可靠的保障。上海中心整個建築就是站在這塊面積1.5個足球場大小的底板上,在它的下方還有955根樁基,每根長度達87米。「這些樁基就好比在豆腐上插入許多筷子,有了它,大樓才能端端正正『浮』在地平線上。」時任建築設計院上海中心項目經理的陳繼良介紹。
上海中心結構之難,主要難在尺度巨型化、幕牆問題和塔冠三方面,用通俗的話來說,就是強筋骨、穿衣裳、戴帽子。
先說強筋骨。常規建築,我國都有規範,按照規範就能把水泥、鋼筋、玻璃等一一用妥帖,所以建築設計方案出來之後,一句話「按相應規範操作」就好了。可是上海中心沒有現成規範可以套用。就說鋼板,普通的兩三釐米就夠厚的了,可是這裡的厚度是10釐米。還有巨柱,8根,從地面直通545米的高空,每根柱子的截面積20多平方米,比一般的客廳還大。
再說穿衣裳。外面看,入夜,大樓核心筒與表層之間的燈光會把建築蟬翼般的輕盈詮釋得淋漓盡致,塔冠則是巨型顯示屏,再加上數百米的「龍溝」——「V」型槽的奇幻燈光秀,上海中心大廈奪人眼球。可是,要用桁架和圈梁把剛勁的核心筒與相對柔性的「衣裳」連到一起,且保證安全地使用,裡面的難題太多。萬一衣服穿得不合適,掉下一塊玻璃來。經過反覆斟酌,設計人員最後確定每層設置25個點,讓伸出的桁架挑起圈梁,猶如人伸直手臂提水,讓其步伐一致地提起2500噸的幕牆。整個幕牆原造價逾10億元,同濟團隊將很多環節成功國產化,節約資金2億多元。
三是戴帽子。塔冠建設之難,難在核心筒先是混凝土結構,後變鋼結構;先是圓角的三角形,然後將八角鋼結構筒套上去並長高,從562米處開始一直長到632米。塔冠之難,不僅是自身結構的形狀、材質變化多端,塔冠上還要放下千餘噸的阻尼器、風力發電機組等各種巨大尺度的設備。現在經過無數次修改,研究人員將很多難以落地的「癥結」找到,初始方案中很多理想化的設計現在都優化變成了實施方案。