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基于高性能目标的中信大厦技术实现
中信大厦以世界高地震区建设工期最快的业绩，加入世界超高层建筑行列中。大厦已经基本竣工，公众在北京的各个方向都已经可以看到它独特和靓丽的身影(图1)。很自豪有机会直接参与了这个超级建筑工程的设计，亲眼目睹了工程许多闪光的时刻。在这里与大家一起回顾过去7年中信大厦项目所经历的设计与建造创新之路。 ▲ 1 西侧立面夜景 中信大厦在1.15h㎡的基地面积上要建设地上35万㎡、地下8.7万㎡的建筑规模；建筑总高度528m，地上112层(4层夹层)，地下8层，深度40m，基础桩深100m，容积率大于30。它既是北京最高、也是最深的建筑。技术的复杂性、系统的多样性、建筑的超高尺度、建造工期、成本的因素对设计与建造的技术挑战是空前的。
如果说航天飞机是人类能够建造的最复杂的工程类型，那么超高层摩天楼就可以称之为建筑行业中最复杂的工程类型。超高层建筑面临的技术挑战是其他建筑类型所没有的。高度造成规模压力、楼体荷载重力挑战、大人流聚集交通组织、反恐和消防安全性能、能源消耗、环保节能、经济平衡、使用者体验、公众与政府高度关注等都会给工程造成影响。 建筑业相对于高端制造业还比较粗放和碎片化。作坊式的设计与建造模式显然无法应对中信大厦如此复杂的工程挑战。我们从设计开始就在思考如何借鉴高端制造业经验，探索适应超高层建筑需求和科学的设计方法。 以爱因斯坦为代表的现代物理学新发现催生了复杂科学(Complexity Sciences)。基于复杂科学思维形成的世界观，世界被当成一个不可分割的、动态的整体，它的组成部分本质上是相互作用的。同样基于复杂科学思维的整体设计观，建筑可以看作是一个由不同子系统构成的动态系统，各子系统既有独立性和边界，同时也存在着相互关联和整体性。 建筑设计需要向高端制造业学习，需要从建筑整体性去探究影响技术实现的性能目标和科学规律，从而提高营造出高品质建筑的能力。建筑业本是一个极其分散的行业，在每一个建筑中都有许多专业、技术和规范标准的鸿沟需要逾越。建筑业要克服建筑设计的碎片化和随意性缺陷，要用整体设计原则和系统化思想去为填平鸿沟创造可能，实现建筑的科学性和高品质。高质量建筑应该在整体的性能方面有出色表现，这种性能体现在使用者感受、结构体系、能耗指标、消防安全等多方面，整体性的性能标准往往是超越单一学科边界的，需要多专业协同合作才能实现目标。 每个项目可以根据自身特点制定自身的建筑系统框架，为设计协同、技术控制、运行管理提供保障。整体设计思想有助于三维信息模型技术实施，在中信大厦项目中三维信息模型技术得到充分的应用。设计团队基于以往的成果经验，在业主的支持下，参与建立了中信大厦完整的信息模型体系，为实现建筑的高品质创造了基础条件。
中信大厦所在的CBD核心区，正在实施一个巨大的都市发展计划。为了支持城市这样高强度的集中开发，由政府先行启动了CBD核心区城市基础设施工程，工程打破传统的城市建设模式，重新界定人与城市交通、市政、地下空间、景观和建筑的关系。特别对道路空间的综合开发与利用进行了探索，道路结构的设计打破了以往建筑和市政专业相互分裂的局面，全面整合了城市空间资源，工程具有开创性的意义。 CBD核心区城市基础设施工程是利用核心区的城市道路与公共开放空间进行规划建设，在城市道路和公共绿地之下，建设了包括两层地下市政管廊、连通周边5个地铁车站的地下人行交通通道、连通每个地块的机动车物流通道、服务空间和机动车停车空间(图2)。工程建设总规模达50万㎡。 ▲ 2 CBD地下剖透视 公共空间和基础设施的统一建设，将形成一个功能完善、性能优越的城市“主板”，将和其上的各个摩天大厦“插块”共同组成北京CBD发展的强大主机，此主板也成就了中信大厦这个世界一流水平的超高层摩天楼。 基于CBD核心区城市基础设施工程，每个单体项目都将实现与城市公共设施的无缝衔接。除了地面道路和城市景观的受益外，中信大厦还可依托地下人行交通系统实现与周边多个轨道交通车站的衔接；依托地下公共车行环遂实现机动车和物资的远距离进入，降低地面交通压力；依托地下公共管廊实现市政管线的无缝衔接，提高城市运营安全。
3.1 建筑体系策划 遵循整体设计的思想，技术设计首先是对中信大厦建筑构架进行了统筹规划。建筑地上地下共120个楼层分为10个分区，每2个分区构成一个功能模块，形成5个功能模块(图3)。分区设置原则主要来源于超高层建筑巨框结构逻辑，模块构成是基于垂直交通、设备运行、安全防护等功能因素。每个功能模块都拥有明确的功能目标，相对独立自成体系，模块之间有联系接口相互联系和支持。模块化概念将一个建筑巨无霸分解成5个相对独立、并互相影响的二级建筑系统，为中信大厦之后的设计、建造和运维管理奠定了清晰的构架。 ▲ 3 设计理念分析：平面尺寸与功能分区 基础保障模块包括ZB和Z0两个分区单元，含地下全部楼层和地上1~4层；其承担大楼日常运行基础保障功能，包括人车交通驳接、物资流转、能源运行、楼宇管理、共享服务等功能。功能模块包括Z1-Z8共8个分区单元组成的4个单元模块，含地上5层以上所有楼层，承担了大厦基本运行功能，包括办公和辅助配套功能。 3.2 功能构成 超高层建筑巨大的规模带来运行压力，立体城市理论是应对这一挑战的技术思想，它认为超高层建筑不仅是单一空间的叠加，也应该有多样的城市功能，这样生活在其中的使用者方便得到服务，而无需频繁往返于地面，浪费时间和资源。超高层模块化策略为立体城市理论实施提供了支持。在中信大厦功能模块中，不仅有基本的办公条件，还提供了服务模块内人员的交通转换、餐饮、会议、休闲等功能。避免午休高峰期间的交通压力。所有的机电设备、消防安全、应急避难设施均按照模块化概念布局，形成清晰统一的技术逻辑，提高技术安全和运维效率。
4.1 结构体系 中信大厦主体结构采用了立体巨柱、斜撑加水平桁架梁巨型外筒 钢板混凝土剪力墙结构内筒的多重抗侧力结构体系，是世界首个抗震设防烈度为8度、主体结构超过500m的超高层建筑。为提高建筑抵抗侧力变形问题，设计中采用均布的微型钢结构消能阻尼器技术。 中信大厦建筑造型受创意影响，主体结构贴合外形设计，呈方柱状中部收腰形态(图4)。巨型外筒垂直构件只有角部的结构巨柱，巨柱为面积达60㎡的巨型实芯立柱，10层以后逐渐分叉，以适应抹角造型需要。在分区边界是加强的结构水平桁架梁，它与巨柱、斜撑共同组成巨构外筒(图5)。为降低结构重心，建筑顶部30m造型巨构外筒提前结束，而是由内筒逐渐出挑支撑顶部空间造型，建筑外幕墙上只有幕墙的二次结构，大大提高建筑顶部的观光条件(图6)。 ▲ 4 结构模型 ▲ 5 几何控制系统：精确控制基础控制面到结构体系的生成过程 ▲ 6 顶冠多功能厅:内筒出挑支撑顶部空间造型 为了保证建造的精确性，设计团队基于三维数字模型对所有重要结构构件进行了几何控制，帮助后续设计建造环节提高精度和效率。 4.2 外幕墙体系 由于超高层建筑在城市中的重要作用，中信大厦的外围护幕墙的效果和品质控制是设计中最重要的环节之一。幕墙主体采用了双中空单元式幕墙体系，配合44%的通透率和高效热工性能，确保了建筑外表皮节能效果。建筑除了底层的人员进出通道和设备层的空气交换口部，幕墙均按封闭设置，通过多道技术措施达到(国标)气密性4级标准。 基于中信大厦造型的特点，看似简单流畅的外立面设计，其实大部分幕墙板块都存在差异。设计中配合外方团队，对所有外幕墙几何特征进行深入的研究，提出可指导生产的精确加工的几何控制数字模型，包括结构板边几何控制、幕墙埋件定位等。目前已实现的波浪天际线和一体化的幕墙雨篷都得益于基于幕墙建造的几何控制模型。 中信大厦的幕墙清洗维护及夜景灯光效果与幕墙主体设计同步推进。为了实现墙体清洗目标，分别在建筑的屋面和73层四角设置了9部擦窗设备，由于建筑形态的特殊性，擦窗机将利用镶嵌在幕墙装饰肋条中的导轨辅助运行。 4.3 垂直交通 垂直交通系统是超高层建筑核心的技术环节，它与建筑的核心筒设计、运行效率密切相关。中信大厦共有各类电梯数量达100部。电梯类型有点对点高速穿梭梯、层层停靠的区间梯、兼作消防的客货两用梯和超大货梯等。 建筑的核心筒为九宫格的布局，九宫格的四角布置疏散楼电梯，对称形成十字街布置区间电梯和穿梭电梯(图7)。穿梭梯不停楼层为楼层卫生间空间。在30层以下核心筒每侧放大3m，以安排二区以下的电梯及设备设施。 ▲ 7 标准层核心筒：高效解决全部大楼运行需求 为了满足垂直交通运量的平衡，本建筑所有穿梭梯采用双层轿厢高速电梯，即在地面和空中大堂均设有双层停靠条件，从而提高单井道运力1.8倍。由于每组穿梭梯服务的模块有2个分区，双层电梯正好对应2个分区，人员组织十分合理顺畅。超大货梯是超高层建筑必须配置的设备，在日常运行维护中不可避免有相对较大的物品需要垂直运输，中信大厦配置了提升高度514m的3.6t超大货梯。 4.4 烟囱效应控制 中信大厦是北纬39º以北最高建筑，这意味着它比其他任何超高层建筑面临着冬季室内外更大的温差以及由此而带来的严重的烟囱效应。同时由于穿梭电梯的高速运动，单井道电梯会有活塞效应并产生啸叫和气流失控，影响人的感受。设计团队在气流环境顾问RWDI和清华大学的支持下，借助计算机模拟技术，开展了全面的建筑烟囱效应控制的研究和落实工作。 首先要确保外幕墙的气密性水平，它是控制烟囱效应的关键。在本项目的技术规格书提出在300Pa的气压差作用下，固定墙的漏气率不得超过0.0182m3/min/㎡。二是优化建筑布局，建立风环境分区控制，减少关键位置的气流通道，减少分区边界上开门数量。特别要避免穿梭电梯井道与空中大堂气流接力。三是控制各类门的气密性。包括电梯门的抗风压和气密性标准。四是加强对土建和机电设备连通部位的气密封堵。五是通过系统关联实现综合管控，从而防止烟囱效应发生。 4.5 消防安全设计 作为超高层的中信大厦虽然有许多消防安全的技术挑战，在消防顾问的支持下，设计团队根据本建筑特点，主要依据现行的消防规范，制定模块化消防设计原则。根据这个原则，所有疏散避难、消防设施、消防救助均按模块和分区进行设置，提高消防安全的可靠性和可学习性。 对于超高层建筑，施工期间的消防设施与建筑永久消防设施的转换是一个无法避免的安全隐患，许多工程在此期间发生火灾。中信大厦工程首次尝试采用了永临结合的方式，在土建工程进行之中就部分启用永久的消防设施，确保了工程不出现消防盲区时段，开创了超高层建设领域的先河。 4.6 工业装配和模数设计 装配式工法是建筑业正在推行的技术政策，由于垂直运输的压力，装配式工法在超高层建筑实践中更具有价值。在设计中我们对建筑层高、平面网格、部品模数都进行了技术整合，如层高结合功能需求、电梯配置等相关因素，归纳为3个主要类别。标准办公楼层层高4.5m；大堂、行政办公等特殊楼层采用5m层高，或5m层高的倍数；地下机动车库和避难层等辅助空间采用3.5m层高。这样为建筑幕墙、设备安装、建筑部品定制创造便利条件。 为了提高效率和品质，本项目所有疏散楼梯均被标准化设计，加之层高统一，疏散楼梯生产与安装充分体现装配式工法的优势。工程中的装配式卫生间、标准办公空间的系统天花和架空地板系统在提高效率和提升品质方面也有出色表现。
超高层建筑相对一般建筑，其对资源和能源的消耗是巨大的，为此就更必要寻求超高层建筑低碳节能的可持续发展之路。中信大厦在设计中坚持高标准的绿色技术应用策略，首先在外幕墙设计中采用了双中空玻璃幕墙，结合高热工性能和气密性能，较国家标准节能7.7%；其二在暖通空调系统较国家标准节能25.7%；照明系统较国家标准节能15.8%；电梯系统全部采用能量回馈系统。已获得国家绿色三星设计标识和国际LEED-CS金级预认证。
超高层建筑集合了当今世界最前沿的建筑设计与建造、运维技术，代表着当代建筑科技可能达到的最新高度，为城市向着更光明的未来积累新的经验。中信大厦是国内超高层建设史上建设速度最快的建成项目，由于其独特的城市地位和前所未有的技术挑战，给工程建设制造极大的障碍，同时也为项目参与各方提供了难得的工程实践机会，并取得大量技术突破和创新成果，达到同类建筑的领先水平，为这座充满历史文化和现代活力的都城又增添一道靓丽的风景。 |
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