超高層建筑施工關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

胡 俊，楊 成，歐陽浩

（中國建筑第四工程局有限公司 廣州 510665）

關(guān)鍵字：超高層建筑；智能化；綠色化；工業(yè)化

1 概述

國家發(fā)改委印發(fā)的《2021年新型城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)融合發(fā)展重點任務(wù)》通知中提到，2021 年提升城市治理水平，樹立全生命期管理理念，完善治理結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新治理方式，推動城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化，嚴格限制建設(shè)500 m以上的超高層建筑，嚴禁建設(shè)“丑陋建筑”。這無疑給超高層建筑建造敲響了警鐘，超高層建筑不能進行攀比，不是越高越好，應(yīng)該以民生問題出發(fā)，超高層的建造須考慮經(jīng)濟性、安全性、科學(xué)合理性。但這并不會減緩超高層的建設(shè)，而是給超高層建筑建造提出了更高的要求，朝著智能化、綠色化、工業(yè)化的方向發(fā)展。

近年來，超高層建筑如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，包括廣州周大福金融中心（總高度530 m）、合肥恒大中心（總高度518 m）、深圳京基100（總高度441.8 m）等，本文從施工技術(shù)角度，總結(jié)以上超高層建筑如何解決施工中遇到的困難點，涉及地下空間的建造、智能設(shè)備的研發(fā)、BIM 平臺的建設(shè)、新型材料研發(fā)技術(shù)等方面的施工關(guān)鍵技術(shù)。

2 超高層建筑發(fā)展歷程

2.1 超高層建筑國外發(fā)展歷程

1894年，美國曼哈頓人壽保險大樓建成，高106 m，是世界首棟高度大于100 m 的超高層建筑。1907 年，美國紐約建造了47 層高、187 m 的辛爾大廈，是世界首幢超過金字塔高度的高層建筑。1913年，美國紐約采用鋼框架建造了高241 m 的渥爾沃斯大廈，成為當(dāng)時世界最高的超高層建筑。1931年，美國紐約建造了高381 m 的帝國大廈，保持世界最高建筑達40 余年。1967 年俄羅斯莫斯科建造了高540 m 的莫斯科電視塔。是當(dāng)時世界第一高塔。1974年，美國芝加哥建造了高442 m 的西爾斯大廈，保持了世界最高建筑24 年之久。1976 年，加拿大建造了高554 m 的多倫多塔，成為新的世界第一高構(gòu)筑物［1］。

2.2 超高層建筑國內(nèi)發(fā)展歷程

中國高層建筑的發(fā)展，始于20 世紀二三十年代。自1976年，高115 m的廣州白云賓館建成以來，超高層建筑在我國迅速發(fā)展，建筑高度紀錄不斷刷新［2］。2000 年以來，我國超高層建筑建設(shè)進入了高峰期。2008 年建成高492 m 的上海環(huán)球金融中心，成為新的中國第一、世界第三高樓。2009 年，建成高610 m 的世界第一高塔——廣州塔［3］；2015 年建成高632 m 的中國第一、世界第二高樓——上海中心大廈，率先在我國實現(xiàn)了超高層建（構(gòu)）筑物600 m 級高度的突破，使我國超高層建筑施工技術(shù)水平再上新臺階。截至2014 年底，我國已建有100 m 及以上的超高層建筑7 000余座，占世界總量的77.76%，是世界上超高層建筑數(shù)量最多、分布最廣的國家。在建筑高度＞250 m的超高層民用建筑之中，我國也占到世界總量的近一半，達45.7%［4］。截至2017年，我國共建成高度＞200 m的超高層建筑870 棟［5］。其中高度在200～300 m 的超高層建筑共計777 棟；300～400 m 的超高層建筑有76棟；500～600 m超高層建筑有6棟；目前國內(nèi)最高的建筑為上海中心大廈，總建筑高度632 m，世界排名第三。我國有5 座超高層建筑位列世界高度排名前十，是名副其實的超高層建筑大國［6］。

3 超高層建筑關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 精誠壹號-Ⅲ代智能頂模系統(tǒng)

超高層智能頂模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成主要為桁架鋼平臺、格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)、超大行程液壓動力系統(tǒng)、組合鋼模板系統(tǒng)、內(nèi)外掛架及安全圍護系統(tǒng)，通過集成塔吊、登頂施工電梯、布料機、模板、掛架等機械及設(shè)備的施工平臺，為超高層的施工提供一個安全全封閉的操作平臺。具有3大優(yōu)點：輕量簡便、快速高效及智能安全。智能頂模系統(tǒng)整體效果如圖1?所示，結(jié)構(gòu)分解如圖1?所示。

圖1 智能頂模系統(tǒng)效果及結(jié)構(gòu)分解Fig.1 Renderings and Structure Exploded ofIntelligent Top Mold System

⑴輕量簡便。鋼平臺以3～5 個支點與支撐鋼柱連接，相比傳統(tǒng)工藝采用數(shù)10 個集群支點，少支點鋼平臺具備結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強、簡便易調(diào)、受力明確等優(yōu)點。鋼平臺桁架采用薄壁輕質(zhì)高強鋼，采用標(biāo)準化部件拼接，項目完工后可拆卸循環(huán)使用，節(jié)約材料。

⑵快速高效。采用長行程（5 m 以上）油缸，“頂模”能在4 h內(nèi)完成一個結(jié)構(gòu)層高的頂升，頂升過程智能液壓系統(tǒng)可監(jiān)控位移、壓力數(shù)據(jù)，自動維持鋼平臺水平，出現(xiàn)異常狀況可自動急停，保證頂升過程安全。塔吊與模架集成于鋼平臺，可與鋼平臺同步向上頂升，加快施工進度；模架可靈活調(diào)節(jié)，能滿足墻體厚薄、直斜變化，使用可調(diào)高度并能沿軌道滑動的模架吊桿裝置，能實現(xiàn)模架施工的有軌作業(yè)，降低工人勞動強度。

⑶智能安全。智能安全監(jiān)控系統(tǒng)可對鋼平臺的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、垂直度以及工作面的風(fēng)速進行監(jiān)測，提前進行風(fēng)險預(yù)警，保證施工過程安全。安裝防屈曲支撐（BRB）耗能裝置，地震荷載下通過屈曲支撐（BRB）耗能減震，保證鋼平臺仍能處于彈性狀態(tài)，為施工人員逃生贏得寶貴時間。

3.2 基于BIM的智能化施工總承包管理平臺

由于超高層建筑需多家設(shè)計單位共同進行設(shè)計，協(xié)調(diào)設(shè)計難度大；且各專業(yè)分包眾多，進度、質(zhì)量、安全、成本等管理資料多，各個線條管理系統(tǒng)不一，給管理帶來極大地難度。針對上述問題，首次形成了一套基于BIM 的施工現(xiàn)場精細化管理方法論，并基于此成功研發(fā)出BIM5D商業(yè)軟件，在國內(nèi)建筑行業(yè)中得到大規(guī)模推廣應(yīng)用；創(chuàng)造性地提出了在施工全過程中全面融入BIM 技術(shù)的概念，自主研發(fā)了基于BIM 技術(shù)總承包管理信息系統(tǒng)，為后續(xù)BIM 平臺至CIM 平臺的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

⑴ 由于涉及了土建、鋼構(gòu)、機電、幕墻等各個專業(yè)，首先建立了統(tǒng)一的建模制度及建模要求、建模軟件。

⑵聯(lián)合研發(fā)了一款BIM 信息集成管理平臺，打通了軟件與平臺之間的接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫對接，各專業(yè)資料文件和模型實現(xiàn)一一自動掛接。

⑶建立了統(tǒng)一的溝通協(xié)調(diào)平臺，在平臺上可以進行碰撞檢查、工藝模擬、設(shè)計協(xié)同以及場地平面布置等功能的集成。

⑷通過數(shù)據(jù)的收集處理分析，進行施工進度、成本的動態(tài)模擬，并實施對現(xiàn)場的進度過程、成本進行跟蹤管理，實施提醒管理者進度、成本是否與計劃一致，并分析偏差原因。

3.3 超高層高適應(yīng)性綠色混凝土技術(shù)

由于超高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸大、強度高、約束強、鋼筋密，振動成型施工困難，而混凝土自收縮大，早期收縮大，對于鋼板剪力墻墻體容易開裂，從運輸?shù)绞┕さ暮馁M時間，對混凝土的保塑性能要求很。針對以上難點，第一次提出了超高層高適應(yīng)性綠色混凝土技術(shù)，利用微珠超細粉體及天然超細沸石粉技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了高強混凝土各項性能的完美融合，解決了墻體極易開裂的技術(shù)問題。雙層勁性鋼板剪力墻開裂情況如圖2?所示，現(xiàn)場成型質(zhì)量效果如圖2?所示。

圖2 雙層勁性鋼板剪力墻裂縫示意及現(xiàn)場成型質(zhì)量效果Fig.2 Schematic of Cracks in Double Deck Steel Plate Shear Wall and Quality Rendering of Field Forming

⑴使用超細粉體“微珠”作為摻合料，利用其形態(tài)和化學(xué)組成特點，實現(xiàn)混凝土工作性提升、水化熱降低、收縮減少；微珠的SEM如圖3所示。

圖3 微珠的SEM圖Fig.3 SEM of Microsphere

⑵基于天然超細沸石粉，制備使混凝土具有增稠控粘、長效保塑、高壓穩(wěn)定、自養(yǎng)護微膨脹等特點的多功能材料；

⑶優(yōu)化配合比，使用自養(yǎng)護微膨脹材料，將C80混凝土3 d的早期收縮控制在0.01%以內(nèi)，避免了墻體宏觀裂縫的出現(xiàn)。自養(yǎng)護微膨脹混凝土原理如圖4所示。

圖4 自養(yǎng)護微膨脹原理示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Self Supporting Micro Expansion Principle

3.4 超高層巨型鋼結(jié)構(gòu)焊接機器人技術(shù)

由于鋼結(jié)構(gòu)作為常用建筑主體越來越多被用在工程建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)焊接連接方式構(gòu)造簡單、焊接的結(jié)構(gòu)形狀沒有限制、節(jié)約材料且效率高，所以焊接技術(shù)成為鋼結(jié)構(gòu)最常用的連接方式［7］。但是鋼結(jié)構(gòu)焊接存在著諸多難點：人工成本日益增大，焊工質(zhì)量受人為因素過大，焊工儲備不足，人工作業(yè)連續(xù)性較差，對于截面尺寸超大超厚的構(gòu)件焊接施工難度大，焊接高空施工危險指數(shù)高等問題，給現(xiàn)場鋼構(gòu)安裝帶來很多問題，項目組通過開發(fā)超高層巨型鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接機器人等技術(shù)，解決了鋼巨柱高空安裝及有限空間焊接難題，推動了鋼結(jié)構(gòu)智慧建造水平。

⑴自動化焊接方法的確定。提出一種掛壁式自動埋弧橫焊技術(shù)，完成自動化埋弧橫焊設(shè)備的設(shè)計與制造，優(yōu)化設(shè)計出該自動化焊接設(shè)備的系統(tǒng)組成并完成各系統(tǒng)設(shè)備的零部件加工制造。

⑵與普通CO2氣體半自動焊相比，埋弧自動橫焊機具有焊接效率高（最大焊絲直徑φ4.0 mm）、合格率高、不需要防風(fēng)和人工成本低等優(yōu)點［8］；且小車體積小、重量輕、模塊結(jié)構(gòu)、使用靈活方便。

⑶施工現(xiàn)場沒有產(chǎn)生有害氣體、沒有弧光，勞務(wù)共勞動強度極大地降低，實現(xiàn)綠色環(huán)保的目標(biāo)。

3.5 超高層建筑登頂施工電梯系統(tǒng)

外爬架施工中普遍存在一個施工痛點：外爬架作為封閉的操作平臺，與施工電梯的運行是分開的，施工電梯在爬架的下面，不能相互交叉，爬架的高度為4～5 層。施工人員進入頂部各樓層的施工作業(yè)位置時，往往需要攀爬6～8層樓梯。

為了解決這一技術(shù)難點，發(fā)明了一種施工電梯與爬架一體化運行系統(tǒng)，通過高位附墻組件將現(xiàn)有技術(shù)中相互獨立的施工電梯和爬架有機結(jié)構(gòu)為一體，將用于支撐施工電梯的主標(biāo)準節(jié)經(jīng)高位附墻組件與爬架連接，使施工電梯在爬架外側(cè)運行，不受爬架影響，從而使施工電梯提升高度可超越爬架的覆蓋范圍運行至爬架上方的建筑主體結(jié)構(gòu)。施工電梯與爬架一體化外立面如圖5?所示，施工電梯登頂如圖5?所示。

圖5 施工電梯與爬架一體化外立面圖及施工電梯登頂Fig.5 Construction Elevator and Climbing Frame Integrated Facade and Construction Elevator Climbing

3.6 超高層建筑新型逆作法施工關(guān)鍵技術(shù)

中二邊一逆作施工：國內(nèi)某項目場針對地條件復(fù)雜以人工填土和淤泥層為主，均為弱土層，工程性能差，基坑開挖過程易產(chǎn)生較大變形。淺層人工填土透水性好，位于海邊，易發(fā)生坑內(nèi)涌水問題，創(chuàng)新地應(yīng)用中二邊一逆作施工技術(shù)。它是中間除四周邊10 m 寬度施工范圍為一層操作空間，而中間部分均為2 層施工操作空間，邊一解決了水平基坑支撐問題；中二加大工作空間，進入大型設(shè)備提高了工作效率。相比1 層一逆施工工程成本更低，工期更短；雖然2層一逆施工速度快，但需要增加支護結(jié)構(gòu)的厚度和配筋來滿足支護結(jié)構(gòu)承受2層空間水土的壓力，增加了工程造價［9］。

中順邊逆施工：中順邊逆施工技術(shù)，國內(nèi)某項目的整個基坑圍護結(jié)構(gòu)采用人工挖孔方樁，并在核心筒和筒外建筑區(qū)域之間設(shè)置了1 道圓形支護樁（直徑36 m），將核心筒與筒外區(qū)域建筑分開，圓形支護樁以內(nèi)核心筒結(jié)構(gòu)采用正作施工，筒外建筑區(qū)域為逆作施工。解決了在廣州市中心復(fù)雜施工環(huán)境條件下的超高層建筑工程低成本建造所遇到的技術(shù)難題。中順邊逆效果及現(xiàn)場航拍情況如圖6所示。

圖6 中順邊逆施工三維效果及現(xiàn)場航拍Fig.6 Three-dimensional Renderings and On-site Aerial of Side by Side Reverse Construction

3.7 超高層建筑數(shù)字化制作及安裝技術(shù)

弧形漸變焊接端面數(shù)控精確切割技術(shù)：采用專業(yè)軟件模擬最真實的切割路徑，采用數(shù)控技術(shù)精準控制，并根據(jù)實驗結(jié)構(gòu)不斷修正各項參數(shù)，實現(xiàn)由內(nèi)向外坡口漸變不規(guī)則端面進行數(shù)字化多角度自動精準定位切割，切割斷面一次成型。

創(chuàng)新采用數(shù)字化預(yù)拼裝技術(shù)：采用專業(yè)軟件從下料、組裝、構(gòu)件預(yù)拼裝等過程進行虛擬建模及模擬，解決了復(fù)雜空間節(jié)點、形狀多樣、數(shù)量多、加工制作與安裝精度要求極高的難題。

巨型鋼柱對接器自平衡安裝技術(shù)：百層高樓鋼結(jié)構(gòu)對接口異型復(fù)雜，呈多項空間不規(guī)則，為了對傳統(tǒng)吊裝技術(shù)的改進，不必拉設(shè)纜風(fēng)繩和架設(shè)鋼支撐。設(shè)計一個對接器裝置，以對接器作為基準口，通過基準口對構(gòu)件的初步對接，實現(xiàn)復(fù)雜異型接口的快速定位。

3.8 超高層建筑施工監(jiān)測技術(shù)

使用測量機器人對樓體擺動測量是為了確切反映建筑物在自重、風(fēng)荷載等因素影響下的實際變形數(shù)值和變形方向。通過樓體擺動的測量能夠清楚知道大型超高層建筑在一個自然日里樓體擺動的準確數(shù)值，為整棟大樓的安全和舒適性提供了數(shù)據(jù)支持。測量頻率為1次/min，24 h內(nèi)連續(xù)測量。

由于項目施工距離地鐵線隧道較近，所以對地鐵隧道結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，及時了解隧道結(jié)構(gòu)狀況，對于確保施工安全、確保地鐵安全具有重大意義。因地鐵運營期間隧道實行封閉式管理，任何人員不得進入，且為滿足信息化施工對于時效性的要求，采用了自動測量機器人實現(xiàn)監(jiān)測過程智能化、信息化，極大地加強監(jiān)測力度和密度，保證施工過程變形控制在1 mm 以內(nèi)。本工程隧道監(jiān)測確定的監(jiān)測項目為隧道結(jié)構(gòu)三維方向的結(jié)構(gòu)變形、包括地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、沉降［10］。水平位移方向為X方向、Y方向，沉降為H高程方向。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，超高層建筑能夠解決土地使用緊迫的問題，超高層建筑的發(fā)展是一種不可替代的選擇，超高層建造技術(shù)也在不斷突破著建筑行業(yè)的技術(shù)極限，結(jié)合實踐經(jīng)驗，本文提出的施工關(guān)鍵技術(shù)能夠有效解決超高層施工管理難、垂直運輸難度大、鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點及焊接質(zhì)量控制、超高泵送等行業(yè)技術(shù)難點和痛點。

隨著建筑結(jié)構(gòu)形式越來越多變、結(jié)構(gòu)材料越來越豐富，超高層施工困難增加，但是也面臨著更多的機遇。結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，打造又快又好的建造技術(shù)將是未來發(fā)展的方向。