作者简介
张义元为男性，出生于 1981 年，是一位高级工程师，同时还是国家一级注册结构工程师，拥有硕士学历。他长期从事房屋结构设计方面的工作。
天津高银 117 项目的巨柱，其地上部分首层横截面积为 45 平方米。此巨柱能够承担 20 万吨以上的荷载。它是世界上首个柱截面积超过 30 平方米的巨柱。该巨柱应用了多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱技术。之后，类似截面的柱被应用到多个项目中，其中包括北京的中国尊项目。很多朋友对某一过程极为感兴趣，我有幸参与了那其中的部分工作，也了解到了一些具体的过程，故而作此小记。
——张义元
1.姚大哥
在我谈及 117 巨柱之前，我可以聊聊与这个巨柱紧密相关的一个人，那就是姚攀峰同志。按照他的说法，巨柱就如同他的第二个孩子一样，让人感觉格外亲切。
姚攀峰是中国尊的结构设计总监，同时担任钢混凝土组合结构分会的理事，还是国家一级注册结构工程师，并且是国家注册土木工程师（岩土）。
这是他名片上所呈现的职务、职称等相关信息。我通常称呼他为姚大哥，有时候也会叫他老姚。实际上，老姚并不年长，仅仅比我大几岁而已。我初次见到姚大哥是在 2009 年，当时我还在奥雅纳北京分公司工作，并且很幸运地参与了天津高银 117 项目。那时，姚大哥刚刚从钢院过来，他个头不高，大概 30 岁出头，长着一张亲切的娃娃圆脸，脸上满是笑意和真诚。姚大哥岁数比我大不了几岁，后来渐渐被了解到。他已是一级注册结构师和注册岩土工程师，拥有很多专利，还撰写了 2 本专著，这让我感受到了什么是年轻有为。据我所知，姚大哥主要因天津高银 117 这个项目而加入奥雅纳北京分公司，他加入奥雅纳时就是 5 级工程师（高级工程师），在奥雅纳北京办公室的大陆员工岗位中处于很靠前的位置。姚大哥进入公司后即刻加入了 117 项目组，他具体负责处理从地下的超级桩筏到地上的巨型柱、支撑以及桁架等相关工作。不得不说，这着实令人羡慕嫉妒恨啊！为何会这样呢？我当时推测，主要是因为他拥有注册岩土工程师的证书，同时还拥有一级注册结构工程师的证书。然而，事实证明，我只猜对了一半，另一半原因在于姚大哥做事时的专注和极致，以及由此延伸出来的敏锐思想。后来巨型钢结构，我渐渐知晓他在岩土领域提出了广义郎肯土压力理论，还改进了摩尔库仑破坏准则。在抗震领域，他首次提出了“巨震，（避难单元）不倒”以及“综合逃生法”等内容。在结构领域，他首次提出了多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱和多腔钢管钢筋混凝土墙等技术。
图1天津高银117大厦
2.大厦
天津高银 117 大厦处在天津西青区高新技术产业园。它的总建筑面积大概是 83 万平方米。其中，大厦的塔楼地下有 3 层，地上有 117 层，结构高度达到 597 米。该工程是以甲级写字楼为主，同时包含超五星级豪华酒店、观景台、特色酒吧、精品商业、屋面空中花园以及其他设施的大型超高层建筑。天津高银 117 大厦结构高度在国内排第一，在世界排第二，比哈里发塔仅低 4 米。其抗震设防烈度为 7.5 度，是世界上首个抗震设防 7.5 度且超过 590 米的建筑物。有多项技术难题在国内首次遇到，有的甚至在世界上也是第一次遇到。
3.巨柱
天津高银 117 运用了巨型支撑框架外筒与核心筒相结合的结构体系。外框结构承担着极大的侧向荷载，其中主要的侧向荷载包括侧向风荷载和侧向地震荷载。这两种作用在整个塔楼的结构设计中都起着关键的控制作用，并且最终使得巨型支撑框架承受了极为巨大的荷载。巨柱布置在建筑的四角，它决定着整个大楼的安危。单柱的截面积超过 45 平方米，是世界上首个超过 30 平方米的柱子。在房屋建筑工程上，之前从未有过这么大截面的巨柱。自然而然，难点中的难点就变成了四个巨型柱的设计。巨柱自身面临着极其严峻的挑战，主要体现在对其承载力、延性、耗能、防火和施工等方面。本项目的巨柱抗压承载力大概为 20.5 万吨力，其重量大约相当于 4 个辽宁号航空母舰的重量。在进行抗震时，该巨柱需要具备较大的耗能能力，对它的延性要求较高，不能出现脆性破坏，只有这样，在地震来临的时候，才能够将地震输入的能量顺利地耗散出去。另外，自美国 911 事件之后，对主要结构构件的防火能力提出了更高要求。巨柱作为牵一发而动全身的最重要构件，必须保证其有很高的抗火能力。同时，巨柱在具备上述能力的情况下，还必须能够满足施工要求，比如易吊装性、易于加工等。面对如此之多的挑战，设计好巨型柱这件事在这栋超高层的设计中是关键所在，并且也是决定超高层设计成败的重要因素。
4. 过程
在概念设计阶段巨型钢结构，经过多方面的考虑，决定采用钢骨混凝土巨柱。当时在世界范围内，20 平方米以上的巨柱大多采用钢骨柱。这种类型的巨柱有它的优点，同时也有它的缺点。在本项目中，巨柱的地上部分截面积超过了 45 平方米，承载力要求在 20 万吨以上。那么，这种钢骨巨柱的延性能否满足要求呢？它的耐久性能否满足超高层超长寿命的要求呢？超厚钢板焊接能否保证质量呢？姚大哥来到公司后，针对这个难题重新进行了思考，并且提出了多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱。我曾看过姚大哥设计的草图，仅一个截面，姚大哥就做了几十种尝试。多次进行构件校核计算，采用多边多腔柱截面形式后，巨柱的柱承载力能够完全满足项目要求，巨柱的延性等主要指标也能完全满足项目要求，最终顺利通过了全国专家的抗震超限审查。
图2方案阶段的巨柱截面
图3巨柱、桁架和节点早期的概念设计
图4 柱身在第一次初步设计阶段的设计
姚大哥得到了项目组同事的支持。他经过了长期的思考和深化。他完成了巨柱节点的设计工作。他完成了地下室巨柱截面的设计工作。他完成了柱脚的设计工作。最终，他的设计工作得到了抗震超限审查专家的高度认可。同时，也得到了同行的高度认可。他的成绩斐然。
我在项目组里，有一段时间协助姚大哥开展了节点分析工作，还进行了三维有限元分析等工作，从中深深感受到了新技术实施的艰难。因为巨型柱、巨型支撑、巨型桁架的尺寸非常大，连接节点的几何尺寸中柱子段有 24m 长，大概跨过了 6 个自然层。如下图呈现的那样，图中红色部分是巨型柱，紫色部分是巨型腰桁架，青色部分是巨型支撑，它们共同汇聚到了腰桁架所在的楼层。
图5 典型连接节点三维图
图6 连接节点三维应力图
上图展示的是连接节点处的应力云图。当节点尺寸变得过大时，几何效益便会凸显出来。此时的节点已不再仅仅是一个单纯的几何点，而是需要细化到如何将由巨型支撑和腰桁架传来的巨大荷载可靠地传递到巨型柱的整个截面之中，以避免引起应力集中。也就是说，要将荷载均匀地传递到整个柱截面，防止荷载仅仅凝聚在巨型支撑的连接板上。另外，在对柱脚进行分析时，为了能将巨型柱的荷载均匀地分布到筏板上，于是在巨型柱下设置了较大的翼墙，而这翼墙是钢板混凝土剪力墙。当翼墙的设置高度不同时，巨型柱下的筏板反力并非完全符合平直截面假定。巨型柱下的反力与翼墙的高度有关，并且还与筏板厚度、筏板下桩的布置都有关系。要有效处理这些设计问题，其难度是非常大的。姚大哥以概念分析和有限元计算等为基础。他采用了一种特殊的反力假定，同时也采用了一种特殊的变形假定。这种假定既满足了安全要求，又使工程计算具有可操作性。通过这样的方式，有效地解决了该问题。
5. 思考
多边多腔钢筋混凝土柱是在上述类型的柱截面基础上发展起来的。相比之下，它有以下优点：对于超大型截面，采用多腔体的方式，能有效分割混凝土截面的尺寸，这样就避免了出现大体量的钢筋混凝土。多腔能够对混凝土形成复合周边约束，既提高了对混凝土的周边约束力，也提升了巨柱整体的延性，在抗震方面更为有利。截面形式为多边形，能够较好地贴合建造外边线的造型，并且便于与伸臂桁架、腰桁架进行连接。在多腔内部设置钢筋笼，这相当于形成了额外的混凝土芯柱。这样做既可以控制内部混凝土的连接性，提高柱截面的承载力，又能进一步提高柱的延性。当外筒钢管壁局部屈服后，芯柱仍具有很高的承载力。该技术存在缺点。其一，设置多腔后，混凝土的浇筑振捣施工难度会增大，并且对混凝土的流动性有较高要求。其二，设置钢筋笼芯柱后，对施工工艺的要求较高，需要精心组织施工。
6. 展望
目前城市空间变得越来越紧凑，用地的紧张程度也在加剧。在这有限的空间当中，怎样去创造出更具效率、更加舒适的工作和生活空间，这是建筑师和工程师所面临的巨大挑战，同时也是一个更好的机遇。为了能够满足多样化的需求以及提高空间的利用率，目前城市中心区的建筑越来越多地朝着高空以及复杂体型的方向发展。超高层建筑和异形建筑纷纷涌现，如同雨后春笋一般。目前全球超过 250 米的超高层建筑中，有一部分建筑在中国，经统计占比 53%（文献显示）。中国已成为超高层建筑蓬勃发展的地方。中国是多地震国家，支撑超高层建筑的骨架，既要有极高的承载力，又要有极好的抗震能力。多边多腔钢管钢筋混凝土巨柱能够提供极高的承载力，并且还具备较大的变形能力，充分满足了超高层建筑对承载和抗震的双重要求。另外，这种巨柱的外轮廓不局限于传统的圆形和矩形，还可以结合建筑的外边线来设计截面形状，与建筑外形的贴合度比较好。多边多腔钢管钢筋混凝土柱是工程界智慧的结晶。它具有极高的承载力，抗震能力也很强，并且建筑贴合度较好。它为超高层建筑的性能提高提供了更优越的解决方案。以后它必定会成为超高层建筑骨架的重要技术支撑，也将是超大截面巨柱发展的核心方向之一。
该技术已被推广应用至中国尊等具有地标性的超高层建筑物里。在往后的时间里，随着人类不断提出更高的要求，该技术将会有更广阔的施展空间。
