笔者2008年撰写《央视新楼是“世界第一危楼”》防震减灾研究报告之“依据十九”引证有关文献论证对央视新楼项目委托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,以及国内结构工程设计单位(上海现代设计(集团)有限公司)从事的工程力学计算机程序提出五项质疑中包括以下两项:
(1)是否考虑并如何考虑了“未来地面活动的强度可能达到设计水平的2倍”?采取了什么相应防护措施?
(2)是否考虑并如何考虑了央视新楼建筑在接近
笔者特别提出这两项质疑的原因是,这两项看来同样适合于北京CBD拟议
特此将笔者2008年撰写《央视新楼是“世界第一危楼”》防震减灾研究报告之“依据十八”全文转载如下,供中信集团等有关单位与政府部门考虑与学习:
依据十九:“精密计算的框架结构”计算机程序自欺欺人!
陈一文([email protected])
总结抗震建筑实践的认识和智慧与“精密计算的框架结构”计算机程序的较量
央视新楼极端复杂的形状与建筑结构引起了世界建筑界与抗震结构研究者的高度关注。
2008年8月出版的一本新书《建筑的地震设计:对地震以智取胜》第107页,书的作者新西兰惠灵顿建筑维多利亚大学地震风险中心学院,建筑结构主任,副教授安德鲁·查尔森(Andrew Charleson)写道:[1]
“北京新的中央电视台总部大楼提供了复杂的力的路径使严格的结构成为必要的一个最为极端的例子。考虑到它的规模、几何复杂性及其内在的不稳定性,结构工程师们承担了巨量极为复杂的分析来开发与优化其结构系统。他们而后需要通过计算机模拟越来越剧烈的三种地震状况演示令人满意的地震性能。”
前边披露的情况清楚地表明,荷兰大都会建筑事务所设计师莎瑞披露他们解决央视新楼怪异结构设计先天不足“安全问题”唯一依赖了两项技术手段:
(1)“新大楼加大每平方米的用钢量,技术上可以解决安全问题”;
(2)“经过精密计算的框架结构成为给建筑调节受力的工具,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。”
据报道,央视新楼的建造成本为此从最初预算约人民币50亿元翻了一番,达到人民币100亿元之巨!
央视安全性论证的建设部全国超限高层建筑审查委员会“对央视工程安全的论证”,确认“该项目设计达到了抗地震烈度8度的标准”的主要依据也是“虽然该设计本身存在极大的挑战,但如果有足够的投资,加大每平方米的用钢量的话,技术上是可以做到对安全性的保证的。”
综上所述,建设部全国超限高层建筑审查委员会“对央视工程安全的论证”完全不考虑人类抗震建筑实践中总结出来的认识和智慧,不考虑中国与世界多地震地区百年、千年经历多次强震至今能够保存下来的古代建筑物结构证实了的抗震建筑的基本经验,也不考虑中国与世界多地震地区建筑揭示与证实了的世界公认的当代抗震建筑基本原则,反而迷信完全没有任何抗震建筑实践经验的人开发的没有经过抗震建筑实践证实的“精密计算的框架结构”计算机程序提供的片面性的“新大楼加大每平方米的用钢量,技术上可以解决安全问题”结论!
当代抗震建筑基本原则的前提是尊重人类抗震建筑实践中总结出来的认识和智慧,尊重包括中国与世界中国与世界多地震地区百年、千年经历多次强震至今能够保存下来的古代建筑物结构与过去一百年来现代抗震建筑实践的基本经验。
必须强调,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。
荷兰大都会建筑事务所应用他们的“精密计算的框架结构”计算机程序提出的“新大楼加大每平方米的用钢量,技术上可以解决安全问题”是忽视这些前提条件的结果,导致对建设部全国超限高层建筑审查委员会的误导!
殊不知,从根本上违背当代抗震建筑基本原则的悬臂怪异结构方案越是“加大每平方米的用钢量”,越是不仅不能从“技术上解决安全问题”,反而必将加大该方案存在的一系列致命安全问题不确定性因素可能造成的某些风险。
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?
那么,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,以及国内结构工程设计单位(上海现代设计(集团)有限公司)从事的工程力学计算机程序,忽视了哪些安全隐患?
国内外学者向2008年10月在北京举行的世界地震工程大会上提交的论文的佐证
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:[2]
“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(Chandler 1986, Wei Lian 2005)[3],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。
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:[4]
“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(Esteva 1987)。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》(GB50011-2001)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》(GB50011-2001)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》(GB50011-2001)本身存在严重缺陷需要“与时俱进”进行修正改进。
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:[5]
“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
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:[6]
“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 (Mochizuki et al. 2003; Kamae et al. 2004; Nakashima et al. 2006)。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(JSCE, AIJ. 2006)。……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。”
央视新楼概念设计的设计者库哈斯对央视新楼是否安全心里也打鼓
其实,连央视新楼概念设计的设计者库哈斯自己明知故犯“违反逻辑与美学最真诚信念的这个结构的稳定性”与中国高层建筑规范的央视新楼是否安全心里也有些打鼓。库哈斯的专著《内容》(Content)中收入的他著名的《北京宣言》披露:[7]
“为了对违反逻辑与美学最真诚信念的这个结构的稳定性提供证明,Arup工程设计公司不得解剖分析我们设计的每一个细节。为打消疑虑所做出的努力揭示每一部分结构令人恐惧的活跃性—弹性、蠕变、收缩、松垂、弯曲、屈曲。发挥着催眠性的窗口,计算机分析并暴露了具有反常坚韧性的矿物世界令人震惊的活泼性。我曾经听Arup工程设计公司Cecil Balmond分部的一位工程师没有一丝讽刺值得关注的描述两件斜坡状钢结构如何只能够在拂晓进行连接。因为,在白天它们相对于地面的不同位置使之其日光辐射吸收的热量不同,而它们晚间冷却的温度却相同。我对于我们(的设计)向这些工程师们提出的难题的outrageousness(英文含义:蛮横的, 残暴的, 无耻的, 可恶的, 令人不可容忍的)感到elated(英文含义:兴高采烈的, 得意洋洋)与horrified(英文含义:惊悸的, 带有恐怖感的, 惊骇的)。这些工程师们为什么从来不说“不”?”
英文原文:To prove the stability of a structure that violates some of the most sincerely held convictions about logic and beauty, the engineering firm Arup had to dissect every detail of our design. The effort to reassure only reveals the scary aliveness of every structure – elasticity, creep, shrinkage, sagging, bending, buckling. Serving as a hypnotic window, the computer analyzes and exposes the shocking vividness of the mineral world with the tenacity of a pervert. I heard one of Cecil Balmond’s engineers at Arup describe, without irony or noticeable wavering, how two sloping steel structures in our design could be connected only at dawn. They would be exposed to different solar heat gain due to their relative positions on the ground and would be most likely to share the same temperature after cooling off overnight. I was elated and horrified by the sheer outrageousness of the problem we had set before them. Why do they never say no?
戴复东院士的评论
戴复东院士(同济大学,建筑学专家)旗帜鲜明地指出:[8]
“对央视大楼的做法我是一直认为不妥的。
“首先是两边都悬挑
我对上海现代设计(集团)有限公司承担结构工程计算的工作人员非常理解:
与安徒生童话《皇帝的新衣》中的两个裁缝欺骗误导皇帝轻信他们制作的“皇帝的新衣”是“世界上最华丽的衣裳”那样,外来的概念设计大师库哈斯及其合作的Arup工程设计公司“忽悠”误导央视新楼业主轻信他们的“斜塔悬角”概念设计“安全绝对没问题”,尽管其“斜塔悬角”概念设计本身造成其摆脱不了“世界第一危楼”的下场!
作为国内结构工程设计单位,上海现代设计(集团)有限公司承担了已经判定“安全绝对没问题”央视新楼的价格颇丰的结构工程设计任务,迫使他们只能够极为“艰苦”地提出论证央视新楼“包括抗震在内安全没有问题”的结构设计计算方案,绝对不能得出“存在致命安全问题”的结论或质疑,否则不仅价格颇丰的收入将“泡汤”,所有支持库哈斯央视新楼概念设计方案的领导“专家”必将他们当作拒绝与“国际接轨”的“傻瓜”!
承担国内工程施工任务的中建三局钢结构公司的领导与工程技术人员,以及承担建筑安全审查任务的建设部全国超限高层建筑审查委员会的领导与工程技术人员,也不愿意否定这个“肥得流油”的项目,更不愿意提出任何异议被当作业内的“傻瓜”,使得货真价实“世界第一危楼”的央视新楼堂而皇之建成并审查结论为“安全绝对没问题”!
正如中国杰出的科学家欧阳首承的著作极为精辟论述“数量可以将不存在的事物,计算得比存在的事物更精确”[9]描述的那样,荷兰大都会建筑事务所、Arup工程设计公司与上海现代设计(集团)有限公司的“精密计算的框架结构”终究将证据确凿毫无疑问“世界第一危楼”的央视新楼“计算”成“安全绝对没问题”!
考问荷兰大都会建筑事务所、Arup工程设计公司与上海现代设计(集团)有限公司建设部全国超限高层建筑审查委员会,请你们向央视广大职工与全国人民清楚说明,你们的“精密计算的框架结构”与安全评估,
(1)是否考虑并如何考虑了超高层建筑“不对称结构的非线性扭转响应”?采取了什么相应防护措施?
(2)是否考虑并如何考虑了超高层建筑“横向负载构件的非线性表现”?采取了什么相应防护措施?
(3)是否考虑并如何考虑了“未来地面活动的强度可能达到设计水平的2倍”?采取了什么相应防护措施?
(4)是否考虑并如何考虑了央视新楼建筑在接近
(5)是否考虑并如何考虑了“斜塔悬角”结构设计条件下不可避免的“斜塔悬角”连接处的“疲劳破坏”的影响?采取了什么相应防护措施?
参考文献:
[1] Andrew Charleson, Seismic Design for Architects: Outwitting the Quake, Architectural Press August 2008 http://www.ribabookshops.com/site/viewtitle.asp?pid=9373
[2] Han Jun, Zhang Yi, Zheng Nina, Wang Liping, Analysis on Nonlinear Seismic response of Multi-story Torsion-Irregular Structures, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008, Beijing, China
[3]
[4] Liu Jian-wei et. al., Nonlinear Torsional Response of Asymmetric Structures, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008,
[5] Takuya Nagae et. al., Behaviors of nonstructural components in seismic responses of high-rise buildings – earthquake defense shaking table test, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008,
[6] Yulin Chung et. al., Seismic Resistance Capacity of High-Rise Buildings subjected to Long-Period Ground Motions - E-Defense Shaking Table Test, The 14th World Conference on Earthquake Engineering October 12-17, 2008,
[7] Rem Koolhaas, BEIJING MANIFESTO http://www.wired.com/wired/archive/12.08/images/FF_120_beijing.pdf
[8] 戴复东,致陈一文的邮件,
[9] 欧阳首承、陈刚毅、林益(美)著,《信息数学化与预测》,气象出版社2009年6月