建築結構丨西歐最高的碎片大廈是如何建造的？

浏覽量：475作者：admin新聞日期：2019-01-03

The Shard

2012年4月，倫敦經典的羅馬式城市風格被一座拔地而起的碎片“撕裂”，它如同一塊尖利的水晶，從地底刺穿而出，在陽光的照射下，熠熠生輝，這座大廈就是新晉西歐之巅——The Shard。

英文名稱：The shard

又名：碎片大廈/摘星樓

建築設計：倫佐.皮亞諾

結構設計：WSP

建築高度：306m

結構簡介：碎片大廈的方案構想首次被提出是在高技派結構大師倫佐·皮亞諾（Renzo Piano）與開發商塞拉爾（Sellar）于2000年的一次會面中。

倫佐.皮亞諾手繪立面草圖

倫佐.皮亞諾手繪平面草圖

它的靈感來源于教堂的尖頂和泰晤士河上船舶的桅杆。大廈外牆由外向内傾斜并由依次向上延伸的玻璃幕牆覆蓋着，自下而上由粗變細，最終形成一個晶瑩剔透的玻璃“金字塔”。塔尖的玻璃闆互不接觸，形成一個“讓大廈在天空自由呼吸”的開放空間。

夕陽下的碎片大廈

建造中的碎片大廈

整個大廈的建造曆時12年，總造價為15億英鎊。大廈總高306m,共72層，集商業、酒店、公寓、餐廳和公共觀景空間為一體，如同在倫敦市中心建造了一座“垂直城市”。

垂直城市概念

04~28—辦公

31~33—餐飲

34~52—酒店

53~65—公寓

66~72—觀景

地理位置

碎片大廈選址于倫敦市中心，周圍車水馬龍，沒有空餘的場地。大廈周圍建築密集，道路狹窄，緊鄰泰晤士河和倫敦橋，周邊還設有火車站，地鐵站，蓋伊醫院等，場地條件十分複雜。另外該位置上原有一座名為南華大廈的26層建築，想要建造碎片大廈必須先将原有的建築拆除，地下原有的樁基礎對此次新建建築的設計造成了很大的影響。

基礎設計

出于經濟上的考慮和周邊場地的限制，工程師将南華大廈原有的樁進行了保留。但由于樁長僅有20m，無法滿足承載力的要求，工程師就在已有的樁之間打入新的樁，這對深達53m的樁基礎施工精度控制提出了極高的要求。柱下樁徑為1800mm，核心筒下直徑為1500mm，長度均為53米。為了優化基礎底闆厚度，在3層以下地下室核心筒内部另外加了很多混凝土分隔牆以減少底闆整體變形，同時減小底闆跨度。最終底闆厚度方案為：核心筒下3000mm，非核心筒區域1500mm，對于這個高度的建築來說已經相對較薄。大直徑樁基荷載試驗最大加載量為3000KN，是英國目前已經實施的最大值。

基礎模型

基礎布置圖

為了在基礎施工中不影響倫敦周邊的交通，又能滿足自身施工苛刻的要求。經過多次方案讨論，工程師們借用建造地鐵車站時的經驗，使用逆作法對大廈基礎進行施工。這也使得碎片大廈成為世界上第一個用蓋挖逆作法(top-down costruction)施工核心筒的建築。

南華大廈（原址建築）原有的樁

新建造的樁和插入式鋼柱

正在施工的底闆

核心筒建造到21層，地下室開挖結束

樁筏基礎和核心筒施工

基礎施工完成

結構方案

從工程師的角度來看，碎片大廈的外形是非常符合力學原理的。錐形最大限度地降低了風荷載的影響，并降低了建築物的重心。

早期的高層建築，傾向于使用鋼框架-核心筒建築，使用鋼結構伸臂桁架連接核心筒巨柱。這樣的結構往往需在結構的高層設置調諧質量阻尼器。

碎片大廈結構布置置及水平豎向受力分析

結構簡圖

由于碎片大廈不同樓層的功能設置，為了最優使用空間，工程師們為“碎片大廈”打造了一種新的“混合結構”：低樓層處的樓闆為鋼結構組合樓闆，中部酒店和頂部的住宅為混凝土樓闆，塔尖部分使用純鋼結構。其中混凝土結部分大跨度采用大跨度後張無粘結預應力混凝土闆，小跨度使用鋼筋混凝土現澆闆，與全樓采用組合樓闆的方案相比，總共節省了550毫米的高度，使得建築在可使用層數上多出兩層。

Steel floor Sandwich

Concrete floor sandwich

Typical office floor

事實上，樓闆材料的變化并不是精确的按照功能來分别的。Steel floor Sandwich其實是從40層至酒店的最低一層。造成這種差異的原因是上下樓層柱子跨度不一緻和玻璃幕牆的要求。因此在37層和40層之間增加3層高的“vierendeel frames"作為轉換層。

Vierendeel truss

由于塔樓的高度和混合性的使用功能，地面核心筒内共有21個電梯和樓梯井。核心筒随着層高的加大而減小，在第28層以上，三層剪力牆被設計井格形式的“egg crate”用于傳力。

Hotel Lobby

大樓的核心筒足以提供建築物所需的強度。但是，伸臂桁架的數量随着高度的增加而減少，工程師們采用了許多方法通過加大其轉動慣量以加大其剛度。橫牆延伸到核心筒外，為每個伸臂桁架提供支撐或“翼壁”。在66-68層的核心筒位置，一個大型鋼構件組成的“Hat truss“在核心筒與邊柱之間傳遞力。

Hotel Lobby

Hat truss

“Hat truss”增加了結構的剛度，并确保建築的橫向加速度峰值仍低于高層建築和城市人居委員會建議的0.015m / s2的限制4。在結構完成之前，“Hat truss”沒有組裝完成，以避免由于核心筒和周邊柱軸向相對關系的變化而引起大的軸力。

塔尖施工

'尖頂'是塔頂的60米高的純鋼結構尖頂，主要功能是公共走廊和觀景平臺。建築師的設想是通過頂部建築構件的逐步減少使建築慢慢融入天空。具體的結構實現方法是核心筒建造至72層截止，上部采用鋼結構方案。與下部結構不同的是，頂端的鋼結構是外露式的，結構連接都清晰可見，體現了結構的美感。

風洞試驗表明，在距離地面300米處，碎片大廈頂部的平均風荷載為1.5kN / m2，邊緣峰值為2.25kN / m2。施工尖頂的最大挑戰是确保它可以在高空安全快速地建造。為了實現這一目标，整個“塔尖”結構被分成模塊建造。每個鋼結構模塊重量不能超過8噸（起重機的容重），同時需要體積适中，方便運輸。它可以在沒有臨時支撐的情況下被吊起。

在整個尖頂的施工過程中，采用了一種新穎的吊裝策略。在施工72層以下核心筒時，塔吊安裝于核心筒上部。核心筒施工完成後，利用位于72層的主塔吊，專門安裝一個底部位于54層邊框柱上的輔助塔吊。然後利用這個輔助塔吊将主塔吊拆除回收再用輔助塔吊完成塔頂的吊裝。

2014年，全球知名房地産調查機構安波利斯（Emporis）在超過100米的新建摩天大樓中選出最佳建築，倫敦的碎片大廈獲得了第一名。評委會高度稱贊了碎片大廈設計，碎片式的玻璃設計非常獨特，建築結構比較複雜，十分醒目。

在天氣晴好的日子，遊客在觀光區可以俯瞰整個倫敦方圓六十多公裡的風景。

本文部分内容譯自國外文獻，如有不準确的地方歡迎指正。

來源丨網絡綜合

編輯丨新海通