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破解央视主楼悬念

  从最早荷兰大都会建筑事务所(OMA)提交的中央电视台新台址设计方案被采纳,到2004年底中国建筑工程总公司中标获得包括主楼与服务楼在内的A标段施工总承包资格,到开工一年后,这项目已经小有进展。作为央视新台址主楼工程的总承包项目经理,这座楼未来长成后的样貌早已牢牢印在王的脑海里:两座塔楼同时从地面以双向倾斜6度的角度向空中伸出,在160米高空被巨型悬臂连为一体,形成一座巨大而不规则的“门”字型“立体城市”。
 
  主楼是整个央视新台址项目当中最主要的部分,单体建筑面积约40万平方米,屋顶最高处标高 234米,包括两座斜塔楼、连接两座斜塔楼顶部的14层高的悬臂结构、9层裙楼与3层地下室。功能包括行政管理、综合业务、新闻制播、播送、节目制作以及分布在大楼内的员工服务和一系列技术功能区。按照计划,这桩结构独特的主楼裙楼部分必须在2008年奥运会前投入使用,并完成主体结构和外部玻璃幕墙的安装,最后在2009年初全部竣工交付。
 
  目前一切顺利。按照工程目标,项目组将在未来近三年的时间里精心施工,让这座建筑在工期内生成最初设计的模样。但眼下,王祥明和他的同伴们要做的事情却是:把这栋倾斜生长中的大楼朝反方向扳。
 
  “给它一个反变形”
 
  “整个结构的核心难点就是让悬臂在高空实现对接,并且还要符合设计的位置。”钢结构专家、清华大学土木工程教授郭彦林和央视主楼项目副总工程师彭明祥都不加思索地说。
 
  2004年底,中建总公司、北京城建集团、上海建工集团-北京建工集团-香港建设(控股)有限公司组成的联合体三家参加施工投标时,各家提交的巨型悬臂安装方案是业主乃至整个建筑行业最为关注的焦点。其中,北京城建提交的方案是,架好两座塔楼后,先在地面做好承载悬臂的“L”型桁架,然后借助两个塔楼把4000多吨的“L”型桁架提升上去,安装好之后再在桁架上搭建悬臂。
 
  中建和清华方面也曾考虑过这个方法,但他们经过计算得出的结论是,L型的桁架重心在外面,如果只提着“L”的两个末端往上拉的话,“L”的拐角处会往下翻转造成危险。如果在拐角处再加一道斜索拉住,或者加挂重物来转移它的重心,施工成本将再度飙高。
 
  中建方面得到业主认可的方案是在施工过程中,先安装两个斜向塔楼,到顶后再安装大悬臂。大悬臂分别从两塔楼的37层以上部分逐步逐段悬伸而出,在高空正交合拢。建成之后的大悬臂的重量超过1.4万吨。
 
  这座结构独特的大楼将面临建筑史上最严峻的力学考验。倾斜塔楼与悬臂自重产生的荷载让两座塔楼在建的过程中会不断变形,如果简单按照设计位形来制作与安装构件,随着施工步骤的进行,楼身倾斜角度就会超过设定的6度,悬臂结构可能因此而无法合拢。
 
  “所以现在的做法是先给它
 
  一个反变形,”郭彦林说,“相当于预先把塔楼往原来双向倾斜6度的反方向扳一定的角度再建造,最后整个结构建完之后,通过它自身的变形正好可以落回到设定的位置上来。”出于同样的考虑,中建在悬臂悬伸施工中,也要在水平方向上再微微上翘,使其在自然变形时落回设计位置。
 
  2002年,OMA的央视新台址设计方案中标后,清华大学土木工程系就对方案的可行性作了论证。项目动工后,受到施工方中建的委托,他们在OMA的国内合作方华东建筑设计研究院有限公司(华东设计院)给出的结构设计基础上,为主楼钢结构施工过程中的变形进行测算。“如果是单独的一个倾斜塔楼,那么反变形的计算是比较简单的,但是央视这个楼还要考虑连接后的情况,就比较复杂。”把塔楼倾斜、大悬臂合拢产生的内力、温度与地基不均匀沉降对变形预调值的影响都考虑进去后,郭彦林和他的团队计算出的预调值结果将直接用于指导主楼项目组的施工。他还给主楼外表面玻璃幕墙材料供应商北京江河幕墙集团提供材料参数,使价值4.6亿元的玻璃幕墙材料能够符合楼体的变形。
 
  常驻施工现场负责工程协调的彭明祥手机里的最常拨号码之一就是郭彦林的电话。他在去年项目启动后就把做好的施工方案与施工顺序交给了郭彦林,郭再根据具体每个施工步骤的荷载、每层楼的构件布局及相互作用力来计算出每一层楼上所有构件的精确偏移量,交给彭明祥以指导施工,而彭在协调施工时,还要严格监测每层楼建造过程中的坐标精确变化。“我们每个进度的监测数据都会返回到郭老师那里,他再根据数字做下一步的调整测算,把结果给我们,我们按照数据施工,再把新的监测数据给他。”如此循环。
 
  “没有先例可以效仿”
 
  跟一年前中建2000人规模的项目组进驻工地时看到的不同场面是,当初空荡荡的项目基坑上,现在已满是塔吊,主楼项目的底板已经基本拉齐,在已浇筑好的12万立方米超厚大体积承台基础筏板上,塔楼Ⅰ、塔楼Ⅱ的钢结构刚刚探出地平线。
 
  前一天才下过雨,运送钢构件的装载车开进来时,辗过工地主干道上一滩积留的雨水,但施工工地上却已经完全干燥,抽水泵、雨水监测与防护装备都已经在旁待命。今年6月15日开始,主楼项目进入它生命中第二个长达3个月的雨季。按照惯例,项目组提前编制出了有针对性的施工方案来保证工期进度与安全。“建造行业竞争激烈,所以投标时,我们报的工序安排非常紧凑,这样才有竞争力。所以考虑了雨季和冬季后会预留一些天数,但实际上时间是不够的。”彭明祥说,雨势不大的话,施工就会照常。如果受到天气影响太大,项目组则会通过加大劳动力和设备的投入、更为严格地控制质量以减少返工等施工部署来追回时间。
 
  雨季带来的小困难其实不算什么。“这个项目有很多超出惯例的东西,没有先例可以效仿。”彭明祥重重地强调了“很”字。此前,西班牙也有过类似的倾斜式房建项目,但如同央视主楼这般双塔楼倾斜并且对接的,国际上并无先例。
 
  上午9点
 
  的北京朝阳区京广桥东南角,一天的工作已经有序展开。将央视新台址工地与CBD商圈隔离开来的是一长排硕大的新台址建成效果图,CBD标志性的紧张有序的工作氛围似乎正透过图中主楼外壁上疏密不均的菱形网格渗进工地。
 
  对真实楼体来说,这些漂亮的网格并非仅仅用于装饰。考虑到楼体的双向倾斜,两座塔楼在结构上分成与地面垂直的核心筒与倾斜的外框筒两部分。中建总公司在施工时,将始终保持塔楼的内核心筒的建造领先于外框筒两层。核心筒为全钢结构,与外框筒在水平方向上相连,只承受楼内电梯运送等较小的作用力,而核心筒的部分重量、悬臂的份量和塔楼倾斜产生的侧面张力都要靠外框筒体来承受。
 
  为了解决外框筒的受力,华东设计院将外框筒设计成一个由诸多的梁、柱及斜撑组成的整体空间网状结构,外框筒上每道装饰斜纹背后都隐藏着一条斜撑,而装饰斜纹正按照各部分受力弱强而排布:在与裙楼、悬臂衔接的位置上,塔楼受力最大,所以网格密集;悬壁凌空拐弯处受力最小,所以网格稀疏。
 
  为了满足塔楼与悬臂部分的建设需要,央视主楼项目组专门斥资1亿多元买来四台澳大利亚产的特型塔吊,其中负荷能力2450吨米的两台M1280D是国内房建工程领域目前起重量最大的塔吊,在未来悬臂部分施工时,动臂最长可以伸出82.6米。
 
  “抗震尤其重要”
 
  自1976年河北唐山发生7.8级大地震并波及周边地区后,北京市的建筑设计都是按照抗震设防烈度8度来考虑。按照建筑物的抗震设防标准,央视新主楼的重要程度属于乙类建筑,由于预期使用年限是100年,所以整座楼的抗震设防烈度约在8.49度。
 
  北京发生8度震灾的概率是1次/475年,发生更大烈度的震灾的概率是1次/2000年。尽管如此,央视主楼特殊的结构使业主、结构设计方与施工方都对工程的抗震性格外重视。虽然已经将项目总包给了中建,华东设计院也对主楼的小震、中震、大震情况都做了测算,但央视仍亲自委托清华土木系为新主楼做SRC柱和节点实验,以及整座楼的抗震分析。“我们给这个楼做一个负荷计算,另一个也要了解设计方的一些计算结果,来判断楼的安全性。”郭彦林和他的研究生们做出来的有关央视大楼各种参数的计算资料已经超过1米厚。塔楼I和塔楼II的外筒体上将使用大量空心的SRC柱来强化支撑。这批钢骨混凝土柱工艺的复杂程度刷新了国内建造业记录,空心的设计使它们的抗弯曲能力增强,并减轻了楼体与塔吊的负重。楼体的斜撑、桁架等各种钢构件总数量超过4万件,其关键部位所用的钢材均为高强度的厚钢板。除了宝钢,这一项目的另一钢材供应商河南舞阳钢铁曾是专事坦克、装甲车等国防军工项目的宽厚钢板生产企业。
 
  整座楼13万吨的单体用钢总量可以达到的效果是,即使在大震情况下,悬臂下的转换桁架也能保持在弹性范围内不屈服,从而防止悬臂的下坠。这已经高出中国抗震标准里大震情况下对钢构件的要求。
 
  “悬臂装好以后,正下方的玻璃幕墙的安装也不容易。”塔楼的“回扳”施工工程启动之后,彭明祥的新工作是进一步细化悬臂的施工方案。虽然项目组已经掌握了楼体变形情况,但在明年6、7月份对接悬臂时,他们需要在设定时间内尽可能快速地将其焊接起来,以防受到温度与荷载影响,悬臂的焊接点被拉开而无法实现合拢。为此,郭彦林的团队还在紧张的计算着,中建项目组则已经培训出了50个高技能的合格焊工。工地上,焊接技术评比的横幅正在飘扬,彭明祥理想中的合格焊工数量是200个。