淺析超高層建筑施工難題及技術(shù)

羅 英， 李 星

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司， 四川 成都 610072)

1 超高層建筑概述

1972年8月，在美國(guó)賓夕法尼亞州伯利恒市里海大學(xué)召開(kāi)的國(guó)際高層建筑會(huì)議就高層建筑和超高層建筑的分類和定義進(jìn)行了專門的討論，并提出將高層建筑界定為4類：9～16層(高度到50m)；17～25層(高度到75m)；26～40層(最高到100m)；40層以上(高度100m以上)。隨著超高層建筑的快速發(fā)展，不同國(guó)家和地區(qū)根據(jù)具體情況對(duì)高層建筑的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整，但大體一致，大都以100m高度作為一條分界線，100m高度以下的屬高層建筑，100m以上的為超高層建筑，因?yàn)?00m高度是建筑垂直方向布局在防火要求方面的一個(gè)制約點(diǎn)。在我國(guó)，除100m高度的分界線外，250m高度又是超高層建筑的一條分界線。

從表1統(tǒng)計(jì)中可以看出我國(guó)的超高層建筑若干施工技術(shù)已處于國(guó)際先進(jìn)水平，超高層建筑領(lǐng)域設(shè)備已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化；我國(guó)的塔吊生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速，已能生產(chǎn)各種可適應(yīng)超高層建筑施工需要的自升式塔吊；在混凝土超高設(shè)備泵送領(lǐng)域，我國(guó)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平；國(guó)產(chǎn)大空間、大噸位、高速施工電梯也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了500m級(jí)超高層建筑的成功應(yīng)用。

表1 世界最高建筑前10名

2 超高層建筑十大難點(diǎn)

根據(jù)理論及經(jīng)驗(yàn)分析，一般在40層(150m)左右，是超高層建筑設(shè)計(jì)的敏感高度(建筑物的超長(zhǎng)尺度特性將引起建筑設(shè)計(jì)概念變化)，這種變化促使建筑師必須提出有效設(shè)計(jì)對(duì)策，調(diào)整設(shè)計(jì)觀念，應(yīng)用適宜的建筑技術(shù)。

超高層樓宇就像一條豎立起來(lái)的街道，存在著安全、內(nèi)部交通、環(huán)境、能源消耗等多種難以妥善解決的問(wèn)題，越是向高處發(fā)展，安全性、耐久性及使用舒適等問(wèn)題就越多，對(duì)結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、暖通、電梯等專業(yè)的要求就越高。

2.1 難點(diǎn)一：結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

由于超高層建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，建筑內(nèi)部的梁柱將會(huì)不可避免地存在，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮異形柱的使用，特別是在超高層住宅戶型設(shè)計(jì)中，充分全面考慮梁柱的影響、規(guī)避及利用是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

2.2 難點(diǎn)二：垂直交通設(shè)計(jì)

超高層建筑，核心筒的設(shè)計(jì)需平衡采光、節(jié)能、易于維護(hù)、減少公攤、不同業(yè)態(tài)核心筒上下統(tǒng)一等多方要求，是建筑設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

高層建筑與其他建筑的最大區(qū)別，就在于它有一個(gè)垂直交通和管道設(shè)備集中在一起的、在結(jié)構(gòu)體系中又起著重要作用的“核”,而這個(gè)“核”也恰恰在形態(tài)構(gòu)成上舉足輕重，決定著高層建筑的空間構(gòu)成模式。

隨著高層建筑建設(shè)的發(fā)展、高度的增加和技術(shù)的進(jìn)步，在高層建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，逐漸演化出了中央核心筒式的“內(nèi)核”空間構(gòu)成模式。

2.3 難點(diǎn)三：電梯

在超高層建筑中，快速、高效、平穩(wěn)的垂直服務(wù)是難點(diǎn)之一。電梯作為垂直交通工具，對(duì)其數(shù)量的配置、控制方式及有關(guān)參數(shù)的選定將不僅直接影響建筑物的一次投資(一般電梯投資約占建筑物總投資的10 %左右)，而且還將影響建筑物的使用安全和經(jīng)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。

由于超高層建筑為多梯系統(tǒng)，應(yīng)采用微機(jī)電梯控制系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及時(shí)地處理大量信息，判斷各站臺(tái)的呼叫信息和各電梯的位置、方向、開(kāi)閉狀態(tài)、轎廂內(nèi)呼叫等各種狀態(tài)，以提高運(yùn)送能力，改善服務(wù)質(zhì)量，提高超高層建筑的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 難點(diǎn)四：供電安全性和穩(wěn)定性

作為超高層建筑，安全性必然是供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要格外注意的地方，其次是供電可靠性。配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需考慮多回路供電及備用發(fā)電機(jī)組的配置。因超高建筑的高度，變配電房可以考慮設(shè)置在塔樓中部的樓層，以減少低壓配電的損耗。備用柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置于地庫(kù)層，供電電壓采用10kV輸出，再經(jīng)變壓器降壓至低壓配電，保證配電至塔樓的高層。

2.5 難點(diǎn)五：消防

消防難點(diǎn)：超高層建筑由于其特殊的構(gòu)造和功能要求，致使其內(nèi)部火災(zāi)荷載大，火勢(shì)蔓延迅速，人員疏散困難，救援難度大，形成重大火災(zāi)的隱患大。

消防設(shè)計(jì)要點(diǎn)：防火、控火、耐火。防火，建筑工程中使用防火材料、防火構(gòu)件、防火配件，裝修工程中采用不燃、難燃性建筑材料，易燃易爆場(chǎng)所強(qiáng)化通風(fēng)，設(shè)置防爆電氣，使用不發(fā)火地面等。

2.6 難點(diǎn)六：測(cè)量

超高層建筑一般由超高層塔樓和多層地下室組成，工程測(cè)量難度大，如果施工測(cè)量失誤，造成的損失會(huì)非常嚴(yán)重，且難以彌補(bǔ)和修復(fù)，因此工程測(cè)量是超高層建筑的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

2.7 難點(diǎn)七：側(cè)向風(fēng)影響

高層、超高層建筑要承受側(cè)向的風(fēng)力，一般來(lái)說(shuō)，在正常的風(fēng)壓狀態(tài)下，距地面高度10m處，如風(fēng)速為5m/s，那么在90m高空，風(fēng)速可達(dá)到15m/s。若高達(dá)300～400m，風(fēng)力將更加強(qiáng)大，即風(fēng)速達(dá)到30m/s以上時(shí)，摩天大樓產(chǎn)生的晃動(dòng)將十分劇烈。對(duì)大樓的這種晃動(dòng)，首先要考慮它對(duì)電梯的影響，電梯被視為超高層建筑的“生命線”。當(dāng)電梯高速運(yùn)行時(shí)，如果大樓的晃動(dòng)超過(guò)一定尺寸，電梯的鋼纜就會(huì)因時(shí)緊時(shí)松的受力不均受到傷害，并造成危險(xiǎn)。

2.8 難點(diǎn)八：煙囪效應(yīng)

冬天，在氣溫較低的情況下，會(huì)由于低層(特別是一層大堂)和地下室的冷空氣竄入電梯井，經(jīng)煙囪效應(yīng)形成強(qiáng)大氣流，造成電梯關(guān)不上門，且會(huì)將底層的一些氣味帶到高層，如廚房的氣味、油煙味等，此時(shí)如在底層或地下室有電焊操作或燃?xì)庑孤┚涂赡軐⒒鹪措S氣流帶到高層，極端危險(xiǎn)。同時(shí)，由于電梯轎廂與井壁間的縫隙很小，在電梯移動(dòng)時(shí)，氣流的摩擦?xí)a(chǎn)生嘯叫，這種現(xiàn)象在金茂大廈也有出現(xiàn)。目前，這是個(gè)國(guó)際性難題，目前尚未找到很好的解決辦法。

2.9 難點(diǎn)九：管理維護(hù)問(wèn)題

一些超高層大樓都曾出現(xiàn)過(guò)斷電、跑水等事故，管理上應(yīng)作好預(yù)案，防止事故發(fā)生和做好備用系統(tǒng)以外，一旦事故發(fā)生，如何搶救，是否有一位掌握全局、了解本系統(tǒng)一切細(xì)枝末節(jié)的人十分重要。上海金茂大廈的管理層就曾對(duì)沒(méi)有一位掌握該建筑14 000多個(gè)閥門的人感到十分遺憾。此外，幕墻維護(hù)也成為管理這些龐然大物的一個(gè)麻煩，金茂大廈的幕墻有10.18×104m2，據(jù)說(shuō)兩架擦窗機(jī)連續(xù)工作，一年才能把所有的玻璃擦一遍，而且由于建筑外形凹凸起伏太大，檐部又挑出很多，有的地方達(dá)3m以上，清掃幕墻相當(dāng)困難。

2.10 難點(diǎn)十：施工難點(diǎn)

(1)超高層基礎(chǔ)采用深基礎(chǔ)。由于建筑高，體量大，支撐高層的地基必須達(dá)到足夠的強(qiáng)度，所以多采用深基礎(chǔ)，持力層嵌入微風(fēng)化巖層。

(2)超高層地下室深度大、層數(shù)多、面積大。一是要滿足建筑功能方面的要求，比如人防面積、停車位數(shù)量等；二是要解決在施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)抗浮問(wèn)題。

(3)超高層結(jié)構(gòu)形式多為混合型。如型鋼混凝土、鋼管混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)，共同特點(diǎn)是：施工簡(jiǎn)便、工期短、結(jié)構(gòu)性能好且大大節(jié)約建筑材料，目前已成為超高層建筑群最為實(shí)用和主要的結(jié)構(gòu)形式。

(4)超高層裝飾工程裝飾富于變化，工程量大，技術(shù)含量高、要求高。超高層建筑裝飾工程的安全性功能尤其重要，抗風(fēng)壓，風(fēng)、水、氣的密閉性要求高。

(5)建筑功能復(fù)雜，子系統(tǒng)多，安裝工程量大，要求精度高。

(6)新技術(shù)、新材料、新工藝大量采用。

3 超高層建筑施工技術(shù)

3.1 高承載力大直徑樁基施工技術(shù)

隨著建筑物高度的不斷攀升，樁基承載力要求越來(lái)越高，樁長(zhǎng)也越來(lái)越長(zhǎng)，施工難度也越來(lái)越大(如十字門塔樓樁基直徑達(dá)2.4m，持力層達(dá)到微風(fēng)化花崗巖，單樁承載力設(shè)計(jì)值達(dá)65 900kN)。部分超高層工程樁基直徑可達(dá)4m。

大直徑嵌巖樁一般可采用旋挖成孔、沖孔成孔、潛孔錘成孔技術(shù)。沖孔成孔適應(yīng)性強(qiáng)，可以適應(yīng)多種復(fù)雜地質(zhì)情況，但遇孤石或嵌巖較深時(shí)，施工速度慢?？刹捎盟?地下)爆破技術(shù)對(duì)孤石及巖層進(jìn)行爆破后再?zèng)_孔施工，可以大大提高工作效率。

嵌巖旋挖需采用特種大功率設(shè)備，潛孔錘需采用多孔組合施工，施工難度大，且施工成本高。大直徑灌注樁鋼筋籠規(guī)格及數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通灌注樁，且樁長(zhǎng)長(zhǎng)，采用孔口鋼筋籠對(duì)接，需采用特殊措施及鋼筋連接工藝進(jìn)行施工。

3.2 大體積混凝土施工技術(shù)

超高層建筑高度高，基礎(chǔ)厚度厚，一次性澆筑混凝土方量大(如上海環(huán)球金融中心基礎(chǔ)一次性連續(xù)澆筑28 900m3，如上海中心6m厚基礎(chǔ)一次性連續(xù)澆筑60 000m3)。大體積高強(qiáng)度混凝土水化熱大、混凝土收縮大、裂縫控制難度大。

十字門塔樓基礎(chǔ)厚度4.0～12.2m，采用分層澆筑，單次最大澆筑厚度5.6m，澆筑方量約6 000m3。

超高層超大體積混凝土一般采用優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)；優(yōu)選原材料；選用中低熱水泥；大摻量粉煤灰和礦物摻合料；采用聚羧酸系高性能減水劑；采用蓄熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)方法；采用實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)等綜合控制方法。

3.3 高強(qiáng)混凝土超高泵送施工技術(shù)

超高層建筑的混凝土強(qiáng)度高、粘度大，隨著泵送高度的增加，泵送施工越來(lái)越困難。隨著材料性能及設(shè)備性能的不斷提升，我國(guó)在超高層泵送領(lǐng)域已創(chuàng)造多項(xiàng)世界紀(jì)錄(如深圳京基大廈創(chuàng)下C120超高強(qiáng)混凝土一次性泵送417m高度的紀(jì)錄)。

混凝土澆筑機(jī)械選擇：超高層每層混凝土澆搗方量較大，混凝土澆筑一般采用 2 泵2管一泵到頂?shù)氖┕ぜ夹g(shù)。

應(yīng)用雙泵技術(shù)在一組出現(xiàn)故障時(shí)，另一組仍可繼續(xù)進(jìn)行工作，避免混泥土輸送中斷造成質(zhì)量事故。高度較高的超高層建筑一般會(huì)增加備用泵及管路系統(tǒng)。

超高層高壓泵帶有專項(xiàng)管道水洗技術(shù)，利用該專項(xiàng)技術(shù)的混凝土活塞、自動(dòng)補(bǔ)償磨損間隙的眼鏡板、切割環(huán)及管路的良好密封性。采用水洗技術(shù)，直接用混凝土泵泵送水洗，能夠做到泵送多高，水洗多高。水洗輸送管可以最大限度利用管道中的混凝土，減少混凝土浪費(fèi)和對(duì)施工環(huán)境的污染。

3.4 垂直運(yùn)輸技術(shù)

超高層建筑塔機(jī)布置，常規(guī)采用外掛、內(nèi)爬等形式附著于建筑主體結(jié)構(gòu)，塔機(jī)位置固定，吊裝范圍有限，爬升工藝復(fù)雜。為滿足吊裝需要，施工單位往往會(huì)投入數(shù)部大型塔機(jī)，且附著、爬升耗時(shí)費(fèi)力，投入大、工效低，成為制約超高層建筑施工的關(guān)鍵技術(shù)難題。

為攻克這一技術(shù)難題，提出建造多吊機(jī)廻轉(zhuǎn)平臺(tái)。該平臺(tái)由支撐頂升系統(tǒng)、廻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、鋼桁架平臺(tái)系統(tǒng)和塔機(jī)組成。塔機(jī)置于廻轉(zhuǎn)平臺(tái)系統(tǒng)上，依托平臺(tái)廻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可進(jìn)行360 °圓周移位，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)吊裝范圍對(duì)超高層建筑的360 °全覆蓋，并可根據(jù)吊裝需求選擇大小級(jí)配的塔機(jī)進(jìn)行合理配置，充分利用每臺(tái)塔機(jī)的工作性能，節(jié)省30 %～40 %的費(fèi)用支出。平臺(tái)支撐頂升系統(tǒng)為微凸支點(diǎn)形式，依托平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多塔機(jī)整體、連續(xù)、快速、安全頂升，簡(jiǎn)化各塔機(jī)附著、爬升工藝，每層可節(jié)省約20 %的工期。

3.5 模架施工技術(shù)

微凸支點(diǎn)智能控制頂升模架(以下簡(jiǎn)稱“凸點(diǎn)頂?！?是第三代超高層施工頂升模架，具有承載力高、適應(yīng)性強(qiáng)、智能綜合控制三大特點(diǎn)，顯著提高了超高層施工的機(jī)械化、智能化及綠色施工水平，使超高層尤其是近千米的超高層建筑施工的安全、功效大幅提升。

4 超高層建筑特點(diǎn)及應(yīng)在施工中采取的對(duì)策

4.1 施工技術(shù)必須有新突破

超高層建筑絕不僅是建筑樓層數(shù)量上的疊加、施工的延長(zhǎng)，在施工技術(shù)方面必須注入新元素，必須有新突破。

4.1.1 深基礎(chǔ)施工技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)條件，深基礎(chǔ)一般采用大直徑人工挖孔樁，沖(鉆)孔灌注樁，預(yù)制混凝土管樁或預(yù)制鋼管樁，為一種或兩種同時(shí)采用。對(duì)于施工總承包來(lái)說(shuō)，按照設(shè)計(jì)的樁類型進(jìn)行施工，主要考慮的是技術(shù)能力、設(shè)備能力、安全和質(zhì)量控制能力。工程總承包項(xiàng)目就需要考慮成本因素以及獲得這些能力的難易程度。

4.1.2 大基坑土方開(kāi)挖和支護(hù)技術(shù)

按照我國(guó)現(xiàn)行的政策和建筑本身的需要，超高層建筑必然有一個(gè)超大、超深的地下室結(jié)構(gòu)部分，這部分工程施工的最大難點(diǎn)在于土方開(kāi)挖和基坑支護(hù)。超高層建筑一般在城市的主要路段，場(chǎng)地狹窄，周圍環(huán)境復(fù)雜而且重要。土方開(kāi)挖的方案至少應(yīng)該解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)進(jìn)出土路線的選擇。

(2)土方挖運(yùn)設(shè)備數(shù)量和性能的選擇以及進(jìn)退場(chǎng)安排。

(3)最后土方挖、運(yùn)的具體措施。

(4)基坑支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化和周圍環(huán)境建(構(gòu))筑物以及基坑邊坡的變形監(jiān)測(cè)。

(5)土方開(kāi)挖和基坑支護(hù)，乃至樁基礎(chǔ)施工的配合。

4.2 施工組織要有新思維

超高層建筑的豎向跨度非常大，在施工組織中首要解決垂直運(yùn)輸效率的問(wèn)題。利用有限的機(jī)械設(shè)備解決龐大的人員、材料的上下，做到有序且有效。

4.2.1 合理配置大型機(jī)械設(shè)備

要核算現(xiàn)場(chǎng)人員流量，在施工高峰期有多少人需要乘電梯到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，全部輸送完需要多少時(shí)間。結(jié)合工期計(jì)劃，核算和分析需要使用人貨電梯運(yùn)輸?shù)脑牧?、周轉(zhuǎn)材料、成品、半成品的總用量以及周轉(zhuǎn)率要求，核算工作時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，合理確定塔吊，人、貨電梯的規(guī)格型號(hào)和數(shù)量；選擇混凝土輸送泵的性能和數(shù)量。在實(shí)際中，超過(guò)150m的建筑應(yīng)考慮布置一臺(tái)高速施工電梯和一臺(tái)普通施工電梯，分別服務(wù)不同的施工區(qū)域。應(yīng)選用一次泵送到位的混凝土輸送泵，油泵和電泵均要配備。塔吊的性能和布置不僅要滿足鋼筋、模板、鋼管等材料運(yùn)輸，而且必須考慮鋼結(jié)構(gòu)件的吊裝和安裝需要。大型機(jī)械平面布置要慎密規(guī)劃，緊貼實(shí)際，科學(xué)統(tǒng)籌，分析現(xiàn)場(chǎng)條件和地理位置情況，按照最短運(yùn)輸路徑和最大運(yùn)輸能力的原則進(jìn)行布置?？焖偬嵘芎褪┕る娞菔滓紤]樓層內(nèi)的運(yùn)輸路線；塔吊要考慮安裝和拆除的便利、覆蓋面積和附墻的可行性。

4.2.2 機(jī)械使用計(jì)劃

既要合理而不富余的配置機(jī)械，就必然存在機(jī)械使用的沖突問(wèn)題，機(jī)械的使用計(jì)劃十分必要。

對(duì)各工種、工序現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的先后順序要預(yù)先安排并強(qiáng)制執(zhí)行。體現(xiàn)在垂直運(yùn)輸設(shè)備的使用安排計(jì)劃上，每個(gè)人、每一件物都要清楚自己的運(yùn)輸時(shí)間、順序。有計(jì)劃有組織地調(diào)節(jié)設(shè)備的使用頻率，提高使用效率。

4.2.3 采取技術(shù)措施，減少對(duì)垂直運(yùn)輸?shù)囊蕾?/p>

鋼筋網(wǎng)片的使用，機(jī)械接頭的使用，大模板的使用，可以有效地提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少對(duì)作業(yè)人員和操作設(shè)備的需求，從而減少垂直運(yùn)輸?shù)膲毫Α?/p>

4.3 施工質(zhì)量要求高

以建筑總高度允許偏差值來(lái)說(shuō)，超高層建筑的質(zhì)量要求高于普通建筑，特別體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的安全性能和建筑功能要求上。超高層建筑承受的風(fēng)壓非常大，對(duì)氣密性、水密性有很高要求，玻璃或幕墻的三性檢驗(yàn)報(bào)告不可缺少。裝飾工程中，外墻粘貼磚的施工質(zhì)量關(guān)系到建筑的使用安全，必須引起足夠重視，應(yīng)從技術(shù)、工藝上予以解決。外墻的防水工程應(yīng)從材料的選用、工藝試驗(yàn)、過(guò)程質(zhì)量監(jiān)督等方面嚴(yán)格把關(guān)。

4.4 安全文明施工管理與普通建筑的不同

超高層建筑的文明安全施工管理與普通建筑施工有諸多不同，裝飾工程、安裝工程的立體交叉施工，必須設(shè)立安全分隔區(qū)和防火分隔區(qū)。腳手架的搭設(shè)、拆除方案必須經(jīng)過(guò)審批、落實(shí)和檢查。另外，大型設(shè)備要有特殊安全保護(hù)措施等。