从建筑学的角度欣赏央视大裤衩
出品| 网易新闻学院作者| 须臾千秋这栋巨构建筑驰名中外，但也备受争议。它高237米，在超高层建筑当中并不是特别出彩，但其形状实在太“扎眼”了，使得其周围一众比它高的建筑都“黯然失色”。一方面，这栋建筑结构复杂，设计标准极高，施工难度与科技含量空前，造价更是接近200亿。它被美国《时代》评选为2007年世界十大建筑奇迹，是集建筑科技最高水平的大成之作；另一方面，它也由于造型古怪而颇受争议：许多顶级艺术家、建筑师认为它造型新颖，是全世界优秀的地标建筑，但也有很多人认为它过于怪异，甚至戏称它为——“大裤衩”。没错，它就是央视新总部大楼。它并不像一般的大楼那样直上直下，而是弯折成一个扭曲的环形。其主体包括两座双向倾斜6°的塔楼、连接两个塔楼底层的裙楼和顶部标志性的悬臂结构。这绝对异于常规大楼的设计，和看上去违反力学常识、“气死牛顿”的结构，使它看起来如同一只舞动着身躯的钢铁巨兽。而要让这座钢铁巨兽屹立起来，难度必定卓绝。下面我们就来一探究竟，了解你不知道的“大裤衩”。一．悬臂——“扭曲”部位建造难度大央视新总部大楼最大的特色就是它“扭曲”的部位——顶端伸出的悬臂。这个尖角下无支撑，重力要侧向传递给两边的塔楼，再由塔楼传递到地面。这样，在悬臂和塔楼的拐角处就会形成很大的弯矩，应力很大，进而对设计提出很高的要求。高应力是个啥？举个栗子，你可以将一个20公斤的哑铃轻易举过头顶，但是如果要求你两臂平举，20公斤的哑铃举起来就有些难度了，甚至连更轻的也举不起来，不信你去试试。“悬臂结构”示意，图片来自网络
我们将哑铃的重力作为“力”，而你胳膊的长度作为“力臂”，那么在你肩膀处所受到弯的作用就被称为“弯矩”。“弯矩”=“力”ד力臂”。同样重量的哑铃，“力”一定，胳膊越长，你肩膀受到的弯矩也就越大，肩膀也就越累。而央视大楼的悬臂就长达75米，对塔楼顶部的弯矩作用也就可想而知。要满足这样大弯矩作用下的安全，必定需要高超的设计手法和先进的施工技术。
央视总部大楼中最容易摇晃的办公室（偷偷说一句小道消息，听说这间办公室是台长的哦！）一座建筑除了必须要满足安全需求之外，还要满足使用需求。北京的上空大风凛冽，时常还要刮几场沙尘暴。如果建筑的设计和施工不够巧妙，建筑的刚度不足——换句话说，建筑不够“硬”的话，那么每当刮起大风，坐在悬臂最外端的那间办公室里的人就会像荡秋千一样。说是安全没有问题，可是人害怕呀！施工中的央视总部大楼。可以看到，两侧悬臂分别同时施工，于中间搭接。
高标号钢材——“冷热酸甜”都受得住要解决悬臂带来的这一系列难题，需要从许多角度入手，其中最根本的，就是建筑材料本身必须具有高强度、高性能。央视大楼采用了大量的高标号钢材，如Q390D、Q460E等。相比起普通建筑用钢，这些钢材不仅强度高，而且综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐蚀性能均好，并具有良好的低温韧性，可以说是“冷热酸甜”都受得住呀。在受力结构复杂的部分，如主楼与裙房的转换处、主楼悬臂的腋部等，采用更高性能的合金钢。钢材焊接——强结点，弱构件与钢材本身的性能同等重要的，是钢材之间的焊接。如果焊接强度不够，结构就会在受力时从焊接处破坏，钢材的强度再高也无法发挥。因此，必须保障焊接的强度比构件本身的强度高，正所谓“强结点，弱构件”。针对央视总部大楼中所使用的高强度、大厚度钢板，在焊接过程中进行坡口控制、温度控制等一系列控制措施，既保障焊接强度，又减小焊接过程中产生的误差。焊接完成后，还会采取整平、烘烤、超声波震动等方式降低构件内部的残余应力，使焊缝更加牢固。二、10万吨混凝土，连起来可绕地球5圈央视大楼总共用了四万多件钢构件、总重达14万吨。如此沉重的结构必须安置在极其牢靠的基础之上，否则“基础不牢、地动山摇”，再精巧的地上结构也无法保持稳固。因此，本工程采用了超厚大体积混凝土作为基础筏板，平均厚度七米，最厚处达10.9米，最大的一次浇筑混凝土方量达4万立方米，这在全世界都是史无前例的。这4万立方米的混凝土约合10万吨，如果换成等重的某牌奶茶，可以绕地球五圈呢。换成奶茶的混凝土，图片来自网络
三、整体监测，全面把控1、混凝土的精准配方混凝土是一种脆性材料，抗压不抗拉。如此大体积的混凝土浇筑在一起，互相约束又难以散热，很容易因材料的热胀冷缩而产生裂缝。大体积混凝土的抗裂问题始终是建筑行业的一大难题。在央视大楼工程中，项目部特意召开了由国内知名专家参加的专家论证会，确定混凝土的配方以降低温度、保障强度。在浇筑中，布置大量的温度传感器时时监测温度变化，及时调控散热速率。除此之外，还在混凝土中掺加了高效膨胀剂以补偿混凝土的过度收缩，掺加了聚丙烯纤维材料以增强其抗开裂性能。强大的基础，保障了稳固的建筑。2、“内外结合”，精准测量“对接”央视大楼的难，本质上就是因为其不规则的形状。对于一般的高层钢结构，横平竖直，采用钢尺、水准仪就能控制误差。而央视大楼的塔楼双向倾斜，常规方法无法精确测量，误差累积严重。在施工各个阶段，包括主体钢结构、楼面混凝土、幕墙在内的多种构件相互联结，结点无数。一根20米长的构件，如果一端仅仅偏差1分的角度，另一端就要偏差6毫米宽。几根这样的构件联结，误差就会累积到几个厘米。这么大的误差意味着，在合拢时构件之间根本无法对准，合不上了——那之前一切努力就都白做了。更何况，工地不是实验室，施工中的误差来自于方方面面，每天的风荷载、日照、温度等都不相同。任何一处小小的误差累积起来都会产生巨大的偏差，这些都对施工的质量和建筑物的监测提出了极高的要求。边施工，边监测，边修正央视大楼创新性地采用了“内控法”与“外控法”相结合的方法进行测量。采用高精度全站仪高程传递和空间三维坐标测量技术，并配合GPS全球卫星定位技术进行基准点位的校核，确保塔楼和悬臂精度达标。除了预先的定位之外，施工过程中还对结构棱角、腋部、转换桁架、悬臂等关键部位选取600多个监控点，实时观测其三维坐标变化情况，确保精度。
好吧好吧，说人话就是——一边施工，一边监测，一边修正。针对一座如此复杂的建筑，它的各个关键节点是很难一成不变的，在施工过程中难免发生变化。因此，在施工的过程中，工程师们会持续性地观测节点位置的偏差，一旦发生了偏移就及时进行修正，直至悬臂合拢，施工完成。即使在所有施工全部完成之后，仍然有许许多多的测量点在继续工作，监视着这座大楼的每一处微小变形。一旦超出了工程师们的忍耐区间，大家就会迅速组织评估和针对性的维修。这座钢铁巨兽看起来“搔首弄姿”，其实靠谱着呢！结语应当说，央视总部大楼并不是结构上最合理的建筑，其建筑难度和造价都是远高于普通建筑的。但是，用高超的建筑科技来完成一个看似不可能完成的建筑，这也是人类挑战自我的表现。这座舞动的钢铁巨兽已经成为了我们当代的建筑奇观，它身上所体现出的人类科技之光必将在历史的长河中闪闪发亮。
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