上海中心大廈:「沙灘」上如何建立摩天大樓?

2020-12-04 鳳凰網房產

上海中心大廈,是一座教科書般的超高層建築,是世界超高層建築技術的集大成之作。它118層,高達632米,超過了金茂大廈和環球金融中心,成為了上海當之無愧的新地標,而它的高度,也代表了中國建築科技的最新高度。

上海中心大廈將金茂大廈與環球金融中心有機地整合在了一起,共同組成了上海浦東的天際線。這座光鮮亮麗的大樓能容納4萬人,2000輛車,是當之無愧的「垂直城市」。它吸引了全世界的目光,但它最大的難點卻來自人們看不到的地方——幾十米深的地下。

「沙灘」上如何建立摩天大樓?

上海,又被稱為「上海灘」。千百年前,這裡曾是東海的一部分,伴隨著長江的衝擊而形成陸地。但這樣的陸地並不是由穩定的土壤和結實的巖石組成的,而是由砂子——並且是吸滿了水的砂子組成的。

想像一下我們走在沙灘上,稍有不慎就會陷入砂子中滑倒。而上海中心大廈的總重達到了80萬噸,重量甚至超過了環球金融中心和金茂大廈的總和。想要讓這樣一座建築屹立在上海灘上,無論颱風、地震和歲月的侵蝕都不會倒塌,不會歪斜,甚至連稍稍偏移一點也不行,這技術難度可想而知。

更何況,上海中心大廈的旁邊就是許多座摩天大樓,這些摩天大樓都是些大塊頭。它們有的輕有的重,有的大有的小,互相影響,使得土層中的受力情況非常複雜。設計或者施工上稍有不慎,建築就會歪斜——如同比薩斜塔一樣。不僅自身遭到了破壞,連周邊的建築物也一起跟著遭殃了!

著名的比薩斜塔就是因為土層軟弱發生了傾斜,這樣的傾斜對於上海中心大廈來說顯然是無法忍受的。圖片來自網絡

樁筏基礎——像鋼釘一樣鎖死土層

為了應對這種複雜的土層,工程師們採用了技術難度很高的樁筏基礎。所謂樁筏基礎,是先將幾十米長的樁深深地打進土層裡,再在上面澆築一層厚厚的筏形底板。即使土層很軟弱,幾十米長的樁也會像鋼釘一樣緊緊地鎖死土層,固定住建築;再在上面安置一層又厚又硬的筏板,整個建築就穩定了下來。

俯瞰上海中心大廈建築工地

對於上海中心大廈而言,筏板的厚度達到了6米,相當於一座二層樓的高度,而這其中都是滿滿當當的鋼筋混凝土!

樁筏基礎依靠打進土中的深樁和頂部的筏板共同受力,最大限度地保證穩定。圖片來自網絡。

大體積澆築混凝土成難題,「癌症」怎麼治?

能澆築這樣大體積的混凝土,還要保證它不開裂、強度均勻,這是當今世界上出了名的工程難題。不客氣地說,恐怕只有中國的工程師擁有系統地、熟練地處理這一問題的經驗。那麼,大體積底板的澆築為什麼這麼難呢?

答案很簡單,就是熱脹冷縮。混凝土從軟變硬的過程中,會放出大量的熱量。如果是在普通建築中,混凝土的體積很小,熱量就會隨風飄散,對建築安全構不成威脅。可是一個厚達六米的底板,熱量無法散失,就會儲存在混凝土內使得溫度升高,最高甚至可以升到八十度之高,煎個雞蛋只是分分鐘的事情。

如果只是升溫,問題還小;可溫度升高之後,總要散發掉。表面的溫度降低了,表面的混凝土收縮;裡面的溫度還很高,裡面的混凝土還在膨脹。混凝土這種材料抗壓不抗拉,能承千斤,卻最怕人「拉」它。這一脹一縮,混凝土受了拉力,裂縫就產生了。有了裂縫,外界有害的二氧化碳、水分以及許許多多有害離子進入混凝土內部,這座建築命不久矣!

混凝土中的裂縫就像混凝土的癌症,如果不能妥善解決,後果不堪設想。圖片來自網絡。

每秒鐘需澆築一頭牛重的混凝土!

為了控制這一問題,工程師們設計了複雜的澆築步驟。技術的核心在於,要在60個小時內將整個底板澆築完成!這意味著,每秒鐘就要有一頭牛那麼重的混凝土傾瀉到底板上。過程中只要出現一處差錯,都會導致整場「戰役」的失敗。

為了「打贏這場仗」,上海市調動了全城80%的攪拌車,將混凝土從全城各處的攪拌站運往工地。在持續工作了60個小時後,史無前例的大底板澆築成功,這是只有中國工程師才能做到的事情。

混凝土底板澆築現場。圖片來自網絡

「吉他撥片」設計+雙層玻璃幕牆,據說能抗15級颱風

從頂部看,上海中心大廈的外形好似一個吉他撥片,隨著高度的升高,每層扭曲近1度。這種設計能夠延緩風流。風環繞建築時會形成渦旋脫落效應,導致摩天樓劇烈搖晃。對按比例縮小的模型進行風洞測試後發現,這種外形設計能夠將側力減少24%,這對於經常經受颱風考驗的上海建築來說至關重要。

在上海中心大廈中,創造性地使用了雙層玻璃幕牆,內層是圓形,外層則為圓三角,設計非常美觀。這是世界上首次在超高層建築安裝14萬平方米柔性幕牆,難度係數在幕牆界堪稱世界之最。但它的作用可不僅僅是美觀。除了遮風擋雨、保溫隔熱、降低能耗外,它還有一個更為重要的任務:保障大樓內24座空中花園的運轉。這些空中花園既要能夠接受外部陽光,又要隔絕惡劣的天氣,實施起來難度不小。

上海中心大廈外幕牆採用120度旋轉向上收分的設計形成V形導風槽,可將一部分風力導出轉移,令整座大樓可承受超過50米/秒的風速,相當於可抗15級颱風。

「綠色出行」——不出大樓完成所有事

上海中心大廈是上海最高的建築,但工程師們所追求的絕不僅僅是高度。上海中心大廈應當是一個體量巨大的綜合體,是一個微型生態智慧城市。它包括四個核心內容:垂直社區、綠色社區、文化社區和智慧社區。其中,綠色社區的理念是上海中心大廈的核心。

綠色首先體現在對土地資源的節約上。在3萬平米的土地上建造57萬平米的大樓,節約出來的土地可以用作農田,可以植樹造林。一棟大樓裡有酒店,有商業區,有寫字樓,甚至還有24個空中花園,無論是業務往來還是休閒娛樂,人們不需要離開大樓就可以完成生活所需的幾乎所有事情,直接減少了城市交通的壓力。

垂直城市節約了大量的土地成本和交通成本,本身就意味著綠色環保。圖片來自網絡。

雨水收集系統——上海多雨,因此大樓的屋頂和周圍的地表都安裝有雨水收集系統。這些水經過處理後就成為了「中水」,可以用與綠化的澆灌、衛生間的衝洗和地坪清潔。這些水的利用量達到了大廈總用水量的25%。

風力發電——上海還多風,因此上海中心大廈上還安裝了風力發電,有效地利用了上海上空六百米的「妖風」來造福居民。

地源熱泵——大廈還採用了地源熱泵,利用地下的恆溫,夏天給大樓降溫,冬天幫大樓取暖。

大廈功能分區示意圖。不同的分區之間相互往來完全不依賴外部交通,有效降

低了交通壓力。圖片引自丁潔民.上海中心大廈綠色結構設計關鍵技術

浦東的天際線,圖片來自網絡

上海中心大廈,是上海最高的摩天大樓,與金茂大廈、環球金融中心等組成和諧的超高層建築群,形成小陸家嘴中心區新的天際線。

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