浅议中央电视台总部大楼主楼扭曲结构的不稳定性

浅议中央电视台总部大楼主楼扭曲结构的不稳定性摘要：2002年，当荷兰大都会建筑师事务所库哈斯公布央视新大楼的建筑设计方案时，人们简直不敢相信建筑可以做成这样。即使到了今天，这座挑战想象力的建筑已经 “扭曲”着屹立在北京东三环，人们依然惊奇，它是如何建成的。虽然该方案的设计师以“斜塔悬角”概念设计来让我们信服这座建筑能够抵抗各种已知的或未知的破坏，但是仍打消不了我们对于其扭曲结构下是否具有抗震能力的怀疑，本文就是从浅层面上来介绍其结构的不稳定性。关键词：央视新大楼 结构 扭曲 不稳定1、 大楼简介中央电视台新台址位于北京市朝阳区东三环中路，紧临东三环，地处CBD核心区，占地 平方米。总建筑面积约55万平方米，最高建筑234米，工程建安总投资约50亿元人民币。建设内容主要包括：主楼(CCTV)、电视文化中心(TVCC)、服务楼及媒体公园。该建筑由世界著名建筑设计师、荷兰人雷姆库哈斯担任主建筑师，荷兰大都会建筑事务所负责设计。中央电视台新台址中将建五星级酒店，CCTV大楼主要由两部分功能组成，即五星级酒店和电视文化中心。酒店设置在CCTV大楼主体内。大楼的四五层内设酒店大堂及餐厅、商店、游泳池等公共活动场所。大堂上部南北两侧为300间客房合围成的中庭，主楼顶部为酒店的风味餐厅。 美国时代周刊评选出2007年世界十大建筑奇迹，中央电视台总部大楼名列其中。美国私家地理杂志最新发起“2012最受读者青睐的全球新地标”评选活动，被读者列入“全球顶级摩天大楼”前五强的有伦敦的瑞士再保大楼、纽约“New York by Gehry”公寓大楼、瑞典旋转大厦(Turning Torso)、迪拜哈里法塔以及北京的央视总部大楼。2000年，央视新台址建设工程开始进行的前期工作，开始筹建央视新大楼。2001年3月，央视新台址建设工程开始进行立项申请工作。2001年5月，国家广播电影电视总局正式向国家发展计划委员会提出央视新台址建设工程立项申请报告。2002年1月，国务院原则同意进行央视新台址建设工程。2002年2月，国家发展计划委员会正式批复同意央视新台址建设工程立项。2004年9月22日上午，央视新台址建设工程开工，采用了OMA/雷姆库哈斯和奥雷舍人的设计方案。 大楼原预计在2009年启用，但是由于元宵节大火波及，该楼在2010年才完成与中央电视台的交接。二、大楼结构1.造型奇特中央电视台总部大楼主楼的两座塔楼双向内倾斜6度，在163米以上由悬臂结构连为一体，建筑外表面的玻璃幕墙由强烈的不规则几何图案组成，造型独特、结构新颖、高新技术含量大，在国内外均属“高、难、精、尖”的特大型项目。 2.建造复杂 被称为“好看难建”的央视新大楼在2004年10月21日动工。除了“侧面S正面O”的奇特造型外，央视新大楼的安全也一直备受关注。国内许多专家仍认为大楼设计过于复杂，全楼先天性倾覆力巨大，抗冲击破坏力差。3.整体构架 据设计师介绍，央视大楼的结构是由许多个不规则的菱形渔网状金属脚手架构成的。这些脚手架构成的菱形看似大小不一，没有规律，但实际上却经过精密计算。作为大楼主体架构，这些钢网格暴露在建筑最外面，而不是像大多数建筑那样深藏其中。这样压力基本都能沿着系统传递下去，并找到导入地面的最佳路径。从外观上看，大楼有一部分钢网结构（包括拐角等压力较大部位）比较密集，它们也是整体设计思想的一部分。 由于大楼的不规则设计造成楼体各部分的受力有很大差异，这些菱形块就成为了调节受力的工具。受力大的部位，将用较多的网纹构成很多小块菱形以分解受力；受力小的部位就刚好相反，用较少的网纹构成大块的菱形。 4.塔楼连接 塔楼连接部分的结构借鉴了桥梁建筑技术，不同的是，如果把那部分看作“桥”，它将是一座大得出奇、非常笨重的桥。这个桥的某些部分有整整11层楼高，桥上还包括一段伸出75米的悬臂，前端没有任何支撑。 北京建筑行业对建造这个设计方案并无现成的规范可用，于是，北京市政府组织13位结构专家成立了一个特别小组。在设计竞赛两年后，央视新总部大楼获准开工建设。接下来，专家组做了一个3层楼高的复制品用来研究。它被放在一个能模拟地震的液压平台上，上面安装了数百个传感器，用来监控“塔楼”上1万多条钢梁的位移，并测量在不同情况下哪个部位承受的压力最大。 5.外围设计 央视新大楼外面由大面积玻璃窗与菱形钢网格结合而成，大楼外面采用特种玻璃，其表面被烧制成灰色瓷釉，能更有效遮蔽日晒，适应北京的空气质量环境。实际上，在空气污染很严重的日子里，这种玻璃就像融化在空气中似的，人们只能看到大楼的网状结构，彷佛闪电被凝固在空中。三、国内外学者对扭曲结构的观点 1.重庆大学土木工程学院韩军等提交的论文对多层扭转不规则结构的非线性地震响应分析强调： 历史性地震破坏已证明非规则结构设计容易导致扭转破坏，这在结构破坏中可普遍看到，它对人类社会造成极大的威胁。 1972年危地马拉地震期间有一个有说服力的实例。地震期间，非对称侧向抗力结构设计导致15层的中央银行塔楼垮塌，附近的18层钢管框架结构的美国银行大厦仅受到微小的损坏。这是非对称侧向抗力结构设计受到破坏的典型事例。 事实上，1985年墨西哥地震期间，受到损坏的结构的大约50%直接或间接由于结构扭转导致破坏。多样变化的当代建筑风格，使建筑结构中的扭转问题今天更加突出。尽管许多研究论文与国家规范不断强调建筑结构扭转破坏问题，对结构的线性表现或单水平非线性的研究也证明富有成效，非规则结构的非线性扭转表现有待进一步研究。 结论: 对结构异常率不同的框架进行强调非线性扭转作用的多波非线性动态时间历史分析，表明如下情况：1）随着结构异常率增大，楼层位移与漂移角度在刚性一侧减少，楼层位移在柔性一侧增大，其较低量在刚性一侧。楼层的漂移角度在规范限度附近不显示任何明显的变化。2）随着结构异常率增大，楼层的相对扭转以及楼层的扭转位移率增大，表明扭转作用增大。3）随着结构异常率增大，两侧之间的楼层漂移差增大。4）对于依照规范设计的框架，结构异常率增大对平面扭曲不造成太大变化，但是显著增大扭转角度，这进一步增大了结构组件中的扭转力矩，特别是垂直结构组件中的扭转力矩。这种扭转力矩，及其弯曲与剪切强度的耦合作用，较小受到工程师们的考虑，表明有理由对这种作用给予更多的注意。 2.重庆大学土木工程学院刘建伟等提交的不对称结构的非线性扭转响应揭示： 地震中的扭转响应通常加剧结构破坏。例如，1985年墨西哥地震中15%的结构破坏由扭转响应造成。2008年汶川地震中，许多非对称性结构严重破坏也是由于扭转响应。因此，在地震作用下，扭转响应对非对称结构损害有显著作用。 为了减少扭转响应的冲击，中国建筑抗震设计规范提出控制结构扭转变形的某些规范。但是，在考察扭转响应时，这些规范未能考虑抗横向负载构件的非线性表现，因而该规范对扭转响应的计算依然基于立柱与墙壁的弹性表现。 “在地震作用下，扭转响应对非对称结构损害有显著作用”之外，后一个段落表明，虽然“中国建筑抗震设计规范提出控制结构扭转变形的某些规范”，但是“这些规范未能考虑抗横向负载构件的非线性表现，因而该规范对扭转响应的计算依然基于立柱与墙壁的弹性表现”，说明中国建筑抗震设计规范本身存在严重缺陷需要“与时俱进”进行修正改进。 3.日本兵库县国家地震科学与减灾研究所Takuya Nagae et. al.的论文高层建筑地震活动响应中非结构性部分的反应地震防御摇摆试验台试验强调： 在日本对高层建筑的设计中，地震活动性能由动态相应分析来估计，认为地面活动峰值为地面加速度0.5 m/s。然而，在1995年神户地震中甚至记录到地面加速度峰值1 m/s。事实明确未来地面活动的强度可能达到设计水平的2倍。因而，建筑的性能以及可能的损害必须在这样的设计水平进行评估。 4.日本京都大学灾害防御研究所Yulin Chung et. al.的论文高层建筑长时间地面运动影响下的抗震能力强调： 历史资料中，沿着日本西南部俯冲地带地区发生的超过八级强震有很好的记录。重复发生的期限非常有规则，21世纪中期强震袭击日本的可能性较高。这样的俯冲地带地区地震已知在地面上造成长时间的地面运动，其影响突出的时间到达10秒以至5分钟 。这种情况下，对高层建筑的能量输入能够达到设计值的十倍，而且最大与累积变形可能相当大，楼层反应可能显著强化。然而，高层建筑在长时间地面运动影响下的行为，到目前为止没有任何观察或物力试验的实际数据。 4、 结论 建筑的设计不但要解决空间的划分和组合，外观造型等问题，而且还必须考虑建筑构造上的可行性。 荷兰大都会建筑事务所应用的“精密计算的框架结构”计算机程序仅能够考虑建筑结构设计程序开发者所了解已经认识到的经验，无法考虑结构设计程序开发者不了解没有认识到的经验，无法考虑地震学主流学者刚刚开始认识抗震工程学与建筑界主流学者尚未认识的地震“扭波”破坏（“旋扭”破坏）的认识，更无法考虑从根本上违背当代抗震建筑基本原则的悬臂怪异结构建筑造成的悬臂结构“地脉动”导致的钢结构“疲劳破坏”问题。无论国外设计单位、国内结构工程设计单位、工程施工单位、建筑安全审查单位，或者为央视新楼投保的保险公司，都无法保证荷兰大都会建筑事务所应用的“精密计算的框架结构”计算机程序排除抗了央视新楼“邪门悬角”结构的标准存在的安全不确定性因素，尤其是处在属于地震带的北京。无论设计师，工程师为了这座扭曲的建筑采取了哪些补救措施，它终究避免不了“危楼”的形象，而我们对它持有的怀疑态度也一定会在某个时间得到印证