臺(tái)北1010m超高層大樓設(shè)計(jì)

0臺(tái)灣當(dāng)局及美國(guó)ears海上項(xiàng)目臺(tái)灣的高層建筑主要集中在臺(tái)北、臺(tái)灣中部和高雄等地，施工時(shí)間集中在20世紀(jì)90年代。1993年，高雄長(zhǎng)谷世貿(mào)大樓位于臺(tái)北高壩附近，取代了高雄長(zhǎng)谷歌詠會(huì)大廈，成為臺(tái)灣的最高建筑。1997年，高雄85樓的高度比1997年增加了47.6m。當(dāng)時(shí)，高雄建臺(tái)85樓的建筑高度是以屋頂高度為比較基準(zhǔn)的，排名第六。臺(tái)灣的先進(jìn)建筑也被引入國(guó)際舞臺(tái)。而當(dāng)時(shí)屋頂高度442m的美國(guó)芝加哥SearsTower坐擁世界最高建筑大樓的寶座已長(zhǎng)達(dá)23年之久，即使到了1998年馬來(lái)西亞雙塔完成后，以樓高451.9m取下以結(jié)構(gòu)高度為評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)的第一名，美國(guó)SearsTower仍然在屋頂高度、使用樓層樓板高度與天線高度的排名上維持第一。1996年臺(tái)北市政府為發(fā)展臺(tái)北為亞太金融中心，規(guī)劃于信義計(jì)劃區(qū)內(nèi)之市有土地以BOT方式興建金融大樓，并由”臺(tái)北金融大樓股份有限公司”于1997年7月取得70年地上開發(fā)使用權(quán)，此一打造”臺(tái)北曼哈頓”的臺(tái)北101大樓計(jì)劃，即自1997年中開始規(guī)劃，最初的開發(fā)方案為66層之大樓，經(jīng)評(píng)估后以101層為定案建筑設(shè)計(jì)，并取得總高度488m之建筑執(zhí)照與發(fā)包興建，最后的建筑設(shè)計(jì)則調(diào)整為總高508m，屋頂高度448m，分別取代馬來(lái)西亞雙塔與美國(guó)SearsTower而成為世界最高的建筑，也因此，臺(tái)北101大樓在這些年來(lái)始終都是國(guó)際上受到矚目的焦點(diǎn)。對(duì)于擁有高雄建臺(tái)85大樓、長(zhǎng)谷世貿(mào)50層等大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的的永峻工程顧問(wèn)股份有限公司的結(jié)構(gòu)工程師而言，負(fù)責(zé)此一工程之結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍得戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢以對(duì)，因?yàn)橄噍^于既有超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，臺(tái)北101大樓除了高度的挑戰(zhàn)外，還必須同時(shí)考慮基礎(chǔ)土壤的軟弱工程特性、強(qiáng)烈的臺(tái)風(fēng)與地震作用等不利因素。而這些嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)條件，讓臺(tái)北101大樓工程獲得美國(guó)PopularScience雜志評(píng)選為2004年年度工程首獎(jiǎng)，本工程亦同時(shí)在2004年5月美國(guó)探索頻道(DiscoveryChannel)所制作的”世界7大工程奇觀”節(jié)目中被列為首位，諸如此類的肯定對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等單位而言，不啻是最大的鼓勵(lì)。現(xiàn)謹(jǐn)就臺(tái)北101大樓之結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹如后。1塔、變革空間發(fā)展臺(tái)北101大樓座落于臺(tái)北市信義計(jì)劃區(qū)內(nèi)，其長(zhǎng)寬各約175m，基地面積約30277m2。建筑設(shè)計(jì)為塔、裙樓各一棟，塔樓為高度508m之101層超高層大樓，主要作為金融機(jī)構(gòu)辦公室之用，裙樓則為地上6層之購(gòu)物商場(chǎng)，地下室共5層并連通全基地，其主要用途為商場(chǎng)及停車場(chǎng)，建筑總樓地板面積約374000m2。26層以上并以8層樓為一單元，單元頂層則作為設(shè)備層以供作機(jī)電設(shè)備設(shè)置空間并兼作消防避難之用。2保證設(shè)計(jì)責(zé)任的細(xì)部超高層大樓的設(shè)計(jì)，對(duì)于安全的可靠度要求標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于一般建筑，相對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，在既定的設(shè)計(jì)載重標(biāo)準(zhǔn)下，需要以更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度訂定材質(zhì)規(guī)格、施工標(biāo)準(zhǔn)與細(xì)部設(shè)計(jì)圖說(shuō)明。而結(jié)構(gòu)與建筑設(shè)計(jì)之間的互動(dòng)更顯重要。2.1社會(huì)及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)TAIPEI101大樓位于臺(tái)北市信義計(jì)劃區(qū)，其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須承載地上101層的塔樓與6層群樓的載重，其規(guī)劃之開挖深度為22.25～22.95m，因基地堅(jiān)硬承載層上方有30～40m厚的軟弱粘土層，如使用淺基礎(chǔ)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生土壤承載力不足或?qū)е螺^大的沉陷變形產(chǎn)生，因此必須使用深基礎(chǔ)將載重傳遞到堅(jiān)實(shí)的承載層，故設(shè)計(jì)時(shí)采用樁基礎(chǔ)將大樓之荷重穿過(guò)軟弱粘土層傳遞到較深之巖層。而為了進(jìn)行可靠的基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)，擔(dān)任大地顧問(wèn)的富國(guó)工程顧問(wèn)工程公司所運(yùn)用之基地地質(zhì)調(diào)查鉆探孔數(shù)多達(dá)151孔，為法規(guī)規(guī)定孔數(shù)的3倍之多。除充分掌握基地土層的工程特性并估繪出圖2所示之巖盤等深線圖之外，又因臺(tái)北盆地由東向西分別存在臺(tái)北斷層、嵌角斷層、金山斷層、新莊斷層及山腳斷層早已為工程界所知，而其中臺(tái)北斷層恰通過(guò)工址附近，對(duì)于工程應(yīng)用而言，除應(yīng)確認(rèn)臺(tái)北斷層之活動(dòng)性及其影響外，另須確定大樓基礎(chǔ)不致座落于斷層破碎帶，經(jīng)大地顧問(wèn)工程公司及多位地質(zhì)專家經(jīng)由相關(guān)之地質(zhì)鉆探調(diào)查及大量化石之鑒定、巖相分析、粘土礦物分析及碳14定年，確定臺(tái)北斷層至少四萬(wàn)五千年來(lái)未有活動(dòng)之跡象；另在有地震記錄以來(lái)(最近一百年)之觀測(cè)結(jié)果，亦顯示臺(tái)北斷層并無(wú)再活動(dòng)紀(jì)錄；而且從最近之GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))監(jiān)測(cè)網(wǎng)地殼變形監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示現(xiàn)在沿臺(tái)北斷層兩側(cè)之地殼無(wú)明顯之變動(dòng)；再加上目前臺(tái)北盆地之大地應(yīng)力已由壓力轉(zhuǎn)為松弛，故再活動(dòng)之動(dòng)力也在消失中，因此在可見之未來(lái)其再活動(dòng)之可能性極低，所以經(jīng)濟(jì)部中央地質(zhì)調(diào)查所已正式將臺(tái)北斷層列為非活動(dòng)斷層。而工址基地南緣與臺(tái)北斷層最少距離200m，故確定大樓基礎(chǔ)未處于臺(tái)北斷層西北側(cè)下盤之?dāng)鄬訑_亂帶內(nèi)。工址常時(shí)地下水位約位于地面下2m，因此基礎(chǔ)面之地下水上浮力約為198kNt/m2。對(duì)主樓區(qū)而言因荷重集中故有沉陷量過(guò)大的問(wèn)題，對(duì)裙樓區(qū)而言因荷重不大，可能無(wú)法克服地下水上舉力，反而有上浮的問(wèn)題；因此本大樓的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就必須要能承受差異變形所產(chǎn)生之復(fù)雜應(yīng)力。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位與大地顧問(wèn)工程公司于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段必須保持密切的互動(dòng)以滿足基礎(chǔ)分析的變位值與大地參數(shù)保有合理的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為使基樁之設(shè)計(jì)能達(dá)安全而確實(shí)并檢驗(yàn)施工之可行性，基樁的設(shè)計(jì)系以試樁結(jié)果為依據(jù)。設(shè)計(jì)前共施作28根直徑由1.2m至2.8m之場(chǎng)鑄基樁，并進(jìn)行了8組載重試驗(yàn)，其中5組下壓載重最高至4060t,3組拉拔試驗(yàn)最高拉力則達(dá)到22000kN，各試驗(yàn)樁中于混凝土澆置預(yù)先埋設(shè)量測(cè)儀器以分析各不同土層與樁身之摩擦力，便利樁基礎(chǔ)細(xì)部設(shè)計(jì)使用，試樁結(jié)果顯示：工址如以反循環(huán)基樁施工時(shí)之摩擦力效果較全套管樁為佳，故決定采用反循環(huán)樁進(jìn)行施工?；A(chǔ)板為3.0～4.7m厚之巨形鋼筋混凝土實(shí)心板，設(shè)計(jì)齡期之圓柱試體抗壓強(qiáng)度為6000psi。（磅力/每平方英寸，1psi=6894.7×103Pa—編者注）主樓基礎(chǔ)板下共配置380根φ1500mm平均入巖深度23.3m的基樁，主樓柱的載重則以群樁的方式支承。裙樓部分則于柱位配置167根φ2000mm平均入巖深度15.5m之基樁。地下室外圍連續(xù)壁厚度為1.2m，又為配合塔、裙樓之整體施工進(jìn)度規(guī)劃及不同深開挖工法之需求，塔、裙樓間自B1FL以下規(guī)劃一施工界面地中壁，該地中壁于地下室施工完成后視建筑需要開口位置予以敲除。地下結(jié)構(gòu)之配置剖面示意如圖3所示。此外因基礎(chǔ)工程參數(shù)之不確定性高，連同影響施工期間地下室結(jié)構(gòu)體之載重分析、變形預(yù)測(cè)與施工安全。設(shè)計(jì)時(shí)即規(guī)劃地下水位、基礎(chǔ)變形、連續(xù)壁側(cè)移、混凝土溫度及應(yīng)變變化與鋼筋應(yīng)力等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2.2面柱結(jié)構(gòu)對(duì)比本工程之地上結(jié)構(gòu)體包含1棟101層的塔樓及1棟6層的裙樓，兩棟結(jié)構(gòu)體于地上部份以伸縮縫形式完全斷開，地下室共有5層且塔、裙樓相連。圖4為主樓低層區(qū)與高層區(qū)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)平面圖。在平面配置上，服務(wù)核內(nèi)共有16根箱型柱，主樓四周每側(cè)采用2根巨型鋼柱(Megacolumn)延伸至90層，其最大尺寸達(dá)2.4m×3m×80mm。主樓四周于26F以下并另外配置1.2m×2.6m～1.2m×1.6m及1.4m×1.4m～1.6m×1.6m等兩種尺寸箱型柱，27F以上則配合建筑斜面造型而使用H900mm×400mm～H1000mm×500mm之H形斜柱（SlopingColumn）并與H型梁組成抗彎構(gòu)架，主要在于提供局部載重之傳遞使用。又為提高抗風(fēng)勁度與強(qiáng)度，62層以下的箱型鋼柱均內(nèi)灌10000psi自充填高性能混凝土，在立面配置上，圖5為本工程之3種主要立面構(gòu)架，其中X、Y方向各配置兩組合計(jì)6道立面構(gòu)架，服務(wù)核心的鋼柱間以鋼骨大梁、斜撐相連，斜撐主要為同心斜撐與V型斜撐，部分斜撐因開門需求而為偏心斜撐型式，但基于抗風(fēng)勁度之需求予以加勁補(bǔ)強(qiáng)而未依偏心斜稱細(xì)部設(shè)計(jì)之。9樓以下之同心斜撐并與600mm厚之剪力墻澆灌一體以形成良好的水平力傳遞系統(tǒng)，機(jī)械層上下大梁間則以斜撐相接所形成的外伸桁架梁（Outrigger）作為內(nèi)外柱間的主要垂直剪力傳遞機(jī)構(gòu)。從宏觀的角度；主樓結(jié)構(gòu)主要是由巨柱、核心系統(tǒng)與外伸桁架梁等構(gòu)件所組