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[分享]云端极目中国尊|多腔钢管钢筋混凝土结构
位于北京CBD核心区的“中国尊”（北京中信大厦CITIC Tower)，高528米，总建筑面积约43.7万平方米，地上108层，地下7层，北京建成的第一高楼。“中国尊”是世界上8度区第一个建成的超过500m超高层建筑，给结构工程界带来了多重挑战。“中国尊”采用了多腔钢管钢筋混凝土结构（姚攀峰，2009）等多项新技术，并在巨震应对、地震逃生等方面进行了探索，屡创世界第一。“中国尊”获得了多项荣誉，在2014年被评为“中国当代十大建筑”，在2018年被评为“中国钢结构金奖杰出工程大奖”，在2019年入围世界结构大奖。姚攀峰先生是原“中国尊”项目结构设计总监，对“中国尊”结构有较深的了解。由多腔钢管钢筋混凝土构件组成的结构可称之为多腔钢管钢筋混凝土结构，该结构的延性、承载力等较传统技术有显著提升。“中国尊”就采用了该结构体系。该结构体系的前世、今生、未来是什么样呢？我们特转发姚攀峰先生撰写的“多腔钢管钢筋混凝土结构的原创、发展与展望”一文，与大家分享学习。
姚攀峰
作者简介：
姚攀峰，教授级高级工程师；国家一级注册结构工程师、国家注册岩土工程师；提出了“广义郎肯土压力理论”、“巨震，（避难单元）不倒”、“多腔钢管钢筋混凝土结构”等新理论新技术，设计了天津117、“中国尊”等项目，已经获得发明专利10 多项。
自从多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱于2009年被首次提出之后，该技术已经被应用到天津117、“中国尊”等项目，屡创世界第一。结构界评价如下：“针对世界上首个超过30平方米巨柱，突破了采用钢骨混凝土柱的传统做法……”（聂建国院士，2015），“我国结构工程界为数不多的重大原创之一”(赵世春，2015)。许多专家希望深入了解该技术的原创过程，为了让大家了解更多的情况，应《钢结构》编辑部邀请，特在“关于多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱设计的回忆与感受”一文基础上进行了修订，补充了部分原始资料、同行评价、发展和展望。小文不足之处，敬请各位前辈、同行谅解并指正。
——姚攀峰 2019-10-14
1.原创
天津117的巨柱是重要构件，直接关系到整个大楼的安危，其地上部分最大截面积达到45平方米，重量约占据了结构自重的30%，是当时世界上最大的巨柱，没有任何先例，难度空前。巨柱可以分为柱脚、节点、柱身三大部分，三者相互影响，共同构成一个完整的巨柱，其中难度最大的是柱脚和节点，相对而言柱身截面反而简单一些。
概念方案设计阶段，香港总部的方案为钢骨柱，给出了参考柱身截面，尚没有考虑柱脚和相应的节点，参见图1。
图1 方案阶段的巨柱（香港团队）
进入初步设计阶段，由于节点难度很大，且直接制约柱身、支撑等设计，当时的项目总监Goman安排我做节点设计。巨柱柱身设计是做节点设计的必要前提条件，必须先解决巨柱、巨撑等重要构件设计的前提下，才能深入设计节点。在做设计的过程中，我发现原钢骨柱有不足的地方，如钢板过厚等，参见图2，有了采用钢管柱的初始想法并与同事进行了交流。
图2 巨柱、桁架和节点早期的概念设计（姚攀峰）
当时世界上最大的钢管柱为台北101巨柱，最大柱截面为7.2平方米，本巨柱地上部分最大截面积达到45平方米，约是其6倍，如何设计？时间紧、压力大，在深入设计的过程中，我逐步形成了多边多腔钢管混凝土巨柱的思想和概念，尝试了几十种柱身设计方案，才设计出来当时较为满意的巨柱柱身截面，完成了地上部分巨柱柱身截面设计。该设计成果得到了Arup同事的认可，并在初步设计阶段第一次超限审查会议上提交，也得到了专家的支持和认可。该巨柱为6边8腔体钢管混凝土巨柱，这是世界上首次完成的多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱设计，参见图3。
图3 巨柱柱身在第一次初步设计阶段的设计截面（姚攀峰）
此基础上我进行了节点设计、巨柱地下部分柱身设计、柱脚设计、地上部分柱身截面局部调整，形成了最终实际施工的巨柱柱身截面、柱脚、节点，完成了整个巨柱设计，并在工程中得到了实施，参见图4-图8。在整个设计过程中张义元、樊科、殷超、Kevin LI等同志参与了部分工作，也得到了Goman和陈富生等专家的支持和鼓励。
图4 巨柱节点的设计草图（姚攀峰）
图5 天津117地下部分的多腔钢管钢筋混凝土柱与墙草图（姚攀峰）
图6 设计过程的备忘录文件(姚攀峰，2009)
图7 现场施工的巨柱
图8 巨柱有限元分析(2014)
在天津117之前，超大型巨柱（20平方米以上）均采用了钢骨柱（上海环球、上海中心等），多边多腔钢管混凝土巨柱的提出和实现对超高层结构设计有着重要的作用。该技术有效解决了天津117巨柱的问题，并被应用到了“中国尊”、大连国贸等项目中，为超高层建筑工程提供了一种有效的新技术。目前多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱也成为了研究的一个热点，我相信其在超高层建筑中将起到越来越重要的作用。
2.发展
我国学术界和工程界在多腔钢管钢筋混凝土结构领域取得了一系列原创性成果，曹万林等、姚攀峰、韩林海等、徐礼华等对多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱性能进行了深入探讨，参见图9；姚攀峰等对多腔钢管钢筋混凝土剪力墙进行了进一步研究，参见图10。
图9 天津117巨柱实验、有限元分析（曹万林、姚攀峰等）
图10 多腔钢管钢筋混凝土墙受力分析（姚攀峰等）
工程界在多腔钢管钢筋混凝土结构工程实践和结构体系上也做了许多创新和探讨，提出并实践了多腔钢管钢筋混凝土支撑框架-组合剪力墙核心筒结构、多腔钢管钢筋混凝土巨柱支撑框架-双连梁组合剪力墙核心筒结构体系、多腔钢管钢筋混凝土支撑框架-组合核心筒-伸臂桁架结构体系、多腔钢管钢筋混凝土框架-组合核心筒-伸臂桁架结构体系等（图11）。
图11 多腔钢管钢筋混凝土结构典型工程（部分图片来自网络）
多腔钢管钢筋混凝土结构发展呈现逐步壮大之势。
3.展望
1.标准
加快多腔钢管钢筋混凝土结构标准的制定和颁布是近期首要任务。
图12 筹备会专家合影（2016-11）
2.研究
虽然我国在多腔钢管钢筋混凝土结构领域取得了许多进展，但是我们对多腔钢管钢筋混凝土结构的受力机理等认识还较浅，实验和监测数据较少，实践经验有限，还需要进一步深入研究。
随着对多腔钢管钢筋混凝土结构认识的不断加深，该结构在我国将得到越来越多的应用，为我国工程建设添砖加瓦。
补充材料1：超限审查阶段巨柱具体设计人员统计
为了给同行提供更加准确的信息，特对天津117项目超限审查报告终版的巨柱设计人员的情况进行一个简单的统计。本统计基于“天津市高新区软件和服务外包基地综合配套区中央商务区一期项目–高银117大厦超限设计专家审查报告最终版”（2010年6月）。
在本版结构设计图中，刨去布置图“S-T-32-01巨型柱及小柱布置图”，与巨柱直接相关的设计图纸总计8张，涉及到巨柱柱身、节点、翼墙、柱脚等内容，姚攀峰（设计签名为Y.PF.或PF.Y.）设计的图纸为7张，其中5张图纸为独立设计人，2张图纸为第一设计人（第二设计人是樊科，设计签名为K.F.）；殷超、Kevin等（设计签名为C.Y.，K.L.，R. H.）修改设计了1张：巨型柱构造详图（该图为柱身平面设计，在姚攀峰之前多腔巨柱柱身设计基础上修改）。具体内容可参见表1。
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