超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)和措施分析

張樹(shù)志

（北京城建六建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 101500）

1 鋼結(jié)構(gòu)在超高層建筑中的應(yīng)用概述

鋼結(jié)構(gòu)是由鋼制材料組成的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型之一。我國(guó)最為常用的建筑結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，相比于鋼混結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的施工速度快且施工簡(jiǎn)便，目前大部分大型廠(chǎng)房和場(chǎng)館對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比較普遍。一般而言，當(dāng)建筑總高度超過(guò)100m 或內(nèi)部層數(shù)超過(guò)40 層時(shí)即可認(rèn)定該建筑為超高層建筑，對(duì)于超高層建筑而言，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求更高，對(duì)于地基部分承擔(dān)的荷載也更大，鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)樽灾剌^輕且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠，在進(jìn)行超高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)也是首選的建筑形式之一[1]。

超高層建筑是建筑技術(shù)的體現(xiàn)，也是綜合實(shí)力的證明，鋼結(jié)構(gòu)在超高層建筑中的應(yīng)用，能夠明顯體現(xiàn)其高效節(jié)能、質(zhì)量統(tǒng)一優(yōu)勢(shì)，也成為地標(biāo)型建筑首選的結(jié)構(gòu)形式。在我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)也取得了較為普遍的應(yīng)用，尤其對(duì)于大型公共建筑而言，鋼結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)勢(shì)。如北京鳥(niǎo)巢、上海環(huán)球金融中心、廣州歌劇院、香港中銀大廈等著名建筑，其都是使用鋼結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)與其他形式結(jié)合的建筑模式，對(duì)其高效節(jié)能和適用超高層的特點(diǎn)展現(xiàn)的淋漓極致。

2 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀、問(wèn)題與趨勢(shì)

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

在我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)取得了比較廣泛的應(yīng)用，目前鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展相對(duì)成熟，且對(duì)于后端材料行業(yè)，我國(guó)目前能夠生產(chǎn)的鋼材品種和質(zhì)量已經(jīng)完全能滿(mǎn)足建筑行業(yè)需求。由鋼結(jié)構(gòu)所衍生出來(lái)的設(shè)計(jì)材料，運(yùn)輸?shù)绕髽I(yè)也迅速開(kāi)展，目前鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成了成熟的供應(yīng)鏈和施工體系，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大之中，在法律法規(guī)層面已經(jīng)有了完善的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于應(yīng)用案例和論文著作的數(shù)量等也在逐年增長(zhǎng)[2]。

2.2 發(fā)展問(wèn)題

對(duì)大部分人而言，所能接觸到的建筑種類(lèi)仍為傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或砌體結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)并沒(méi)有得到完全的普及和發(fā)展。究其原因是鋼結(jié)構(gòu)在小規(guī)模利用的情況下并沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，且相對(duì)于普通的混凝土結(jié)構(gòu)而言，技術(shù)要求更多、質(zhì)量要點(diǎn)復(fù)雜。進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的技術(shù)支持，而最終的建筑建成后并不會(huì)帶來(lái)額外經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問(wèn)題多樣化，需要大型設(shè)備全程參與施工，對(duì)一般建筑而言，采用鋼結(jié)構(gòu)的形式也會(huì)使其安全風(fēng)險(xiǎn)增加。鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)耐久年限通常比砌體混凝土的形式要低，這也注定了在民用建筑中無(wú)法采用大規(guī)模鋼結(jié)構(gòu)的形式。此外在理論層面，鋼結(jié)構(gòu)的綜合建筑成本要低于其他結(jié)構(gòu)，但目前在工程設(shè)計(jì)階段和施工設(shè)備的使用，以及構(gòu)件生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中仍有較高費(fèi)用，綜合而言，經(jīng)濟(jì)效益與普通建筑結(jié)構(gòu)并無(wú)明顯區(qū)別。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

鋼結(jié)構(gòu)符合未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和綠色建筑理念的推行之下，鋼結(jié)構(gòu)也屬于一種新型環(huán)保的建筑體系。相比于其他結(jié)構(gòu)在達(dá)到同能使用需求和強(qiáng)度的條件下，鋼結(jié)構(gòu)所使用的材料更少。鋼鐵材料本身就是一種節(jié)能環(huán)保型的建筑材料，能夠進(jìn)行回收和二次利用，在達(dá)到建筑使用年限或需要建筑報(bào)廢時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生大量的建筑垃圾。在政策層面上，我國(guó)已經(jīng)編制了完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與驗(yàn)收體系，并納入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略之中。若鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)能夠打破壁壘，且設(shè)備價(jià)格下調(diào)，未來(lái)對(duì)于低層建筑而言，采用經(jīng)濟(jì)適用的輕鋼結(jié)構(gòu)體系在綜合成本和施工效率方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

3.1 框架安裝要點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)主要是由鋼框架和鋼柱逐層安裝形成主體框架，對(duì)于超高層鋼結(jié)構(gòu)而言，在構(gòu)件尺寸和吊裝的限制之下，需要進(jìn)行作業(yè)段劃分。作業(yè)段不能無(wú)窮高的主要限制就是塔式起重機(jī)的起吊高度以及構(gòu)件的制作、運(yùn)輸、堆放等。一般而言，根據(jù)鋼柱長(zhǎng)度，進(jìn)行作業(yè)段的劃分工作。同時(shí)根據(jù)每層的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)要求，將框架歸納為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)框架與特殊節(jié)框架。

在超高層鋼結(jié)構(gòu)中，大部分框架均有相同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型與構(gòu)件組成，其在施工時(shí)的次序和注意要點(diǎn)也是相同，一般而言在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)施工的過(guò)程中，可按照構(gòu)件分類(lèi)流水的方式進(jìn)行，即先安裝鋼柱，而后安裝框架梁，在整體框架完成后安裝其他構(gòu)件，直至該樓層安裝完成，而后從下至上逐層安裝[3]，如圖1 所示。

圖1 安裝流程整體框架

在進(jìn)行框架安裝時(shí)，需要注意各個(gè)構(gòu)件的安裝次序性，一般而言要先形成整體框架，而后進(jìn)行次要構(gòu)件的安裝工作。主要原因是為了保持施工的穩(wěn)定性，需要盡早形成框架，而后在進(jìn)行框架內(nèi)部的次要構(gòu)件安裝。同時(shí)這種安裝方式具有一定的機(jī)動(dòng)性，對(duì)于某一框架內(nèi)的次要構(gòu)件即使未安裝完成，也不影響后續(xù)施工工作。

框架的固定方式主要有螺栓和焊接兩種方式，一般的順序?yàn)橄冗M(jìn)性螺栓固定而后進(jìn)行焊接工作，在進(jìn)行焊接工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)鋼柱和框架的位置偏差及垂直度情況有針對(duì)性的進(jìn)行焊接順序選擇，其核心指標(biāo)是減少變形并對(duì)整體垂直度進(jìn)行控制。

隨著工藝技術(shù)的不斷提高，陶瓷紋飾對(duì)繪畫(huà)水平有了愈發(fā)嚴(yán)格的要求，同時(shí)對(duì)陶工們的審美亦是一種考驗(yàn)。我們現(xiàn)在可見(jiàn)的異彩紛呈的陶瓷紋飾都是先輩們思想，藝術(shù)的結(jié)晶。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中一般有樓梯構(gòu)件，樓梯構(gòu)件為次要構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)中不承擔(dān)荷載，但為了后續(xù)的施工便捷性，通常樓梯也作為主要構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)先安裝。其目的是，能夠解決鋼結(jié)構(gòu)框架內(nèi)的垂直登高及安全通道，同時(shí)作為作業(yè)層的輔助通道使用，能提高后續(xù)工程的施工便捷性。

3.2 鋼柱安裝要點(diǎn)

鋼柱多采用吊裝的方式進(jìn)行安裝，在安裝之前，若該鋼柱有爬梯，則在安裝之前需要將爬梯與鋼柱進(jìn)行可靠連接，而后進(jìn)行整體吊裝就位，以便于后期登高作業(yè)。鋼柱的主要控制點(diǎn)之一就是標(biāo)高和位置，可在地面進(jìn)行尺寸復(fù)驗(yàn)，確保滿(mǎn)足要求后再進(jìn)行安裝，若誤差較小，可進(jìn)行修正處理。為了便于鋼柱的施工流程和臨時(shí)固定，在鋼柱兩端可設(shè)置耳板，用于調(diào)節(jié)過(guò)程和焊接之前的臨時(shí)固定。在進(jìn)行位置矯正及可靠固定后，將耳板拆除即可。

3.3 鋼梁與桁架安裝要點(diǎn)

鋼梁和桁架的安裝一般依附于已經(jīng)可靠固定的鋼柱，故在安裝之前需要完成前置工序的檢查工作，尤其對(duì)于鋼梁和桁架需要連接的預(yù)埋件和前置件進(jìn)行預(yù)檢，對(duì)于需要進(jìn)行螺栓固定的位置，還需進(jìn)行摩擦面和孔洞定位工作進(jìn)行檢查。同樣對(duì)于鋼梁和桁架而言，要進(jìn)行扶手繩和扶手管的安裝工作，作為未來(lái)的工作通道使用，并需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求設(shè)置到位，防止未來(lái)補(bǔ)裝造成的工作煩瑣[4]。

3.4 特殊結(jié)構(gòu)的安裝要點(diǎn)

除框架構(gòu)件、主要結(jié)構(gòu)、次要組成件之外，一般鋼結(jié)構(gòu)建筑中會(huì)有較多其他形式的構(gòu)件，如外連廊天橋、外伸梁或桁架、裝飾類(lèi)構(gòu)件、天線(xiàn)或避雷針等。其共同點(diǎn)就是為預(yù)制組合體的形式，或安裝后形成長(zhǎng)時(shí)間架空，跨境較大。因其形狀外觀和強(qiáng)度的要求，往往具有較大的體積和自重，且無(wú)法分割。對(duì)于這類(lèi)構(gòu)件，在進(jìn)行吊裝時(shí)需注意起重機(jī)械、固定方式、就位方式的選擇，對(duì)于超規(guī)構(gòu)件要有相應(yīng)的專(zhuān)項(xiàng)施工方案。對(duì)于不同工程而言，其特殊結(jié)構(gòu)的種類(lèi)和類(lèi)型也會(huì)不同，需在實(shí)際施工中按需選擇，明確施工要點(diǎn)和技術(shù)要求。

4 鋼結(jié)構(gòu)安全控制及措施

4.1 大型機(jī)械安全

鋼結(jié)構(gòu)大部分作業(yè)形式屬于高空作業(yè)，在此過(guò)程中需要較多的大型機(jī)械輔助作業(yè)，并進(jìn)行起吊工作。這種作業(yè)屬于危大工程，在進(jìn)行施工前需明確現(xiàn)場(chǎng)安全要求，在進(jìn)行起吊作業(yè)時(shí)做好安全防護(hù)，同時(shí)對(duì)機(jī)械操作人員明確安全操作規(guī)程，正在作業(yè)時(shí)應(yīng)有安全員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)劃，非必要不接近作業(yè)區(qū)域[5]。

4.2 垂直登高措施

因施工需要或驗(yàn)收需要，在進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中不可避免的需進(jìn)行垂直方向移動(dòng)。通常而言，建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的登高措施有施工電梯、層間扶梯、鋼柱爬梯等。施工電梯屬于特種設(shè)備，需定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和檢查工作，且作為臨時(shí)設(shè)施，在不滿(mǎn)足使用條件后應(yīng)拆除；扶梯一般是永久性措施，也是建筑施工完成后的樓梯通道，注意在施工過(guò)程可靠連接、鋼柱爬梯在使用時(shí)應(yīng)做好安全防護(hù)，非必要不使用。

4.3 水平安全通道和操作平臺(tái)

4.4 安全網(wǎng)與隔離層

為了保證高層作業(yè)時(shí)，底層位置的安全，防止因構(gòu)件掉落等造成的高空墜物風(fēng)險(xiǎn)，一般采用安全網(wǎng)或隔離層的形式進(jìn)行垂直方向的墜落。安全網(wǎng)是懸挑在建筑之外的防護(hù)網(wǎng)，起始位置從腳手架通道位置開(kāi)始，可增大防護(hù)范圍能夠?qū)Π踩ǖ劳瑫r(shí)進(jìn)行防護(hù)。隔離層是在樓板層向外延伸的部分，作用于安全網(wǎng)相同，但其防護(hù)性能更好，不易損壞，但拆除較為困難。

5 超高層鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用案例分析

5.1 案例概況

案例位于X 市，位于非濱海地區(qū)、非地震帶敏感地區(qū)，建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)特殊用途和規(guī)定。建筑主體框架為鋼結(jié)構(gòu)，建筑設(shè)計(jì)高度為148m。建筑用途為一商業(yè)辦公建筑，其中1~4 層為商業(yè)類(lèi)建筑，其以上為辦公用途或公寓用途。建筑施工技術(shù)和建筑施工方式遵循行業(yè)內(nèi)主流方式。

5.2 案例重點(diǎn)難點(diǎn)及解決對(duì)策

5.2.1 機(jī)械設(shè)備

該建筑最高高度148m，大部分位置均需要機(jī)械輔助進(jìn)行高空作業(yè)。該案例使用的設(shè)備有塔式起重機(jī)、履帶式門(mén)式起重機(jī)作為吊裝設(shè)備，液壓千斤頂作為構(gòu)件頂升設(shè)備。根據(jù)案例的工程體量和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，選取2 臺(tái)1200TM 級(jí)M900D 塔式起重機(jī)作為主力設(shè)備，其在正式施工過(guò)程中承擔(dān)構(gòu)件起吊的任務(wù)。

5.2.2 施工數(shù)據(jù)基礎(chǔ)測(cè)量

對(duì)于超高層建筑，其數(shù)據(jù)誤差的容錯(cuò)率極低，為了保證質(zhì)量和安全需要，對(duì)測(cè)量設(shè)備的適用性和精準(zhǔn)性均要考慮。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可信度和準(zhǔn)確性，以及避免整個(gè)過(guò)程中的工作誤差，該案例選取了雙重控制網(wǎng)的測(cè)量準(zhǔn)則，采取高精度GPS 定位進(jìn)行基網(wǎng)測(cè)量工作，網(wǎng)內(nèi)測(cè)量設(shè)備為電子全站儀，對(duì)于關(guān)鍵線(xiàn)路采取雙向多次測(cè)量的方式保證精度。

5.2.3 焊接方法選擇

經(jīng)綜合考慮，該案例選取的方式為二氧化碳?xì)怏w自動(dòng)保護(hù)焊，對(duì)于不便操作的位置和微小位置仍采取手工焊接的形式，這樣能夠提升總體焊接的工程質(zhì)量，且利于現(xiàn)場(chǎng)操作。

5.2.4 結(jié)構(gòu)變形解決方案

為確保施工過(guò)程中的安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量隱患，該工程考慮在施工過(guò)程中進(jìn)行變形情況的監(jiān)測(cè)工作，且在施工時(shí)采取對(duì)應(yīng)解決方案。案例使用BIM 技術(shù)對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)中的薄弱點(diǎn)予以標(biāo)記。實(shí)際施工中，采用預(yù)變形的形式來(lái)有效應(yīng)對(duì)施工后形變，對(duì)于薄弱位置安裝形變傳感器，以對(duì)形變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，當(dāng)形變超出安全范圍外后采取對(duì)應(yīng)措施，保證施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全，并將質(zhì)量隱患降低。

5.2.5 氣象影響

在實(shí)際施工中，超高層鋼結(jié)構(gòu)均會(huì)收到氣象因素的影響，主要是大風(fēng)與雷電。在設(shè)計(jì)之初，鋼結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定耐久能力，對(duì)于大風(fēng)具有抵御能力，但在安裝過(guò)程中，還未進(jìn)行可靠固定的情況且無(wú)法承擔(dān)大風(fēng)帶來(lái)的外力，而雷電影響也是后果嚴(yán)重的危險(xiǎn)源。為了解決超高層鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的氣象影響，該案例委托最近的氣象監(jiān)測(cè)站進(jìn)行異常天氣監(jiān)控，并對(duì)異常天氣下的應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行完善。

5.3 案例結(jié)果與分析

通過(guò)完備的施工方案和進(jìn)度計(jì)劃編排，該案例最終在工期之內(nèi)如期交付，順利通過(guò)各種驗(yàn)收。案例實(shí)施過(guò)程中，無(wú)重大質(zhì)量問(wèn)題，無(wú)安全事故，所有施工位置保質(zhì)保量完成工作，異常天氣應(yīng)急響應(yīng)100%。該案例通過(guò)借鑒行業(yè)內(nèi)先進(jìn)方案，同時(shí)有針對(duì)性的對(duì)案例問(wèn)題進(jìn)行分析，明確技術(shù)要點(diǎn)，并提出有針對(duì)性的措施，最終保證工程的順利開(kāi)展。

6 結(jié)語(yǔ)

超高層鋼結(jié)構(gòu)具有較多的技術(shù)要點(diǎn)，在設(shè)計(jì)、場(chǎng)地準(zhǔn)備、施工前期、設(shè)備選用等方面均需考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，并有針對(duì)性地編制施工方案和技術(shù)指標(biāo)要求。在實(shí)際施工中，需對(duì)工程質(zhì)量、安全影響等充分考量，同時(shí)注意焊接、吊裝、提升等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。通過(guò)規(guī)范技術(shù)要求、科學(xué)編排計(jì)劃、合理選用設(shè)備、明確安全措施等形式，為打造高品質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)工程賦能。