引領我國超高層建筑高質量發(fā)展的創(chuàng)新施工技術

張希黔，華建民，黃樂鵬，張愛莉，羅齊鳴

(重慶大學土木工程學院，重慶 400045)

0 引言

1921年中國共產(chǎn)黨的誕生，掀開了中國歷史的新篇章。百年來，中國共產(chǎn)黨帶領全國人民譜寫了中華民族自強不息、頑強奮進新的壯麗史詩。在黨旗飄揚下，中國建設者們奮力拼搏，開創(chuàng)了我國建設事業(yè)一個又一個新的高峰。

超高層建筑的數(shù)量、高度在一定程度上代表了一個國家的經(jīng)濟與技術實力。自1976年高115m的廣州白云賓館建成以來,超高層建筑在我國迅速發(fā)展，超高層建筑數(shù)量、建筑高度紀錄不斷刷新。截至2018年底，我國已建有200m及以上的超高層建筑678座，占世界總量的46.6%，是第2名美國(198座)的3倍多，中國是世界上超高層建筑數(shù)量最多、分布最廣的國家，是名副其實的超高層建筑大國。

超高層建筑在帶來高效的土地利用效率、豐富的使用功能、震撼的視覺效果的同時，其巨大的荷載、復雜的結構和超大的工程量等特點都為超高層建筑施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。在黨中央、國務院的堅強領導下，以“中國建筑”為代表的我國建筑企業(yè)，不怕困難，自強不息，銳意進取，研發(fā)應用了一大批處于國際領先水平的超高層建筑施工創(chuàng)新技術。這些技術在實現(xiàn)工程項目“又好又快”建造的同時，提高了企業(yè)、行業(yè)的核心競爭力，使得中國建筑業(yè)走出國門，走向世界，“中國建造”已經(jīng)成為我國在世界上的一張亮麗名片。

在中國共產(chǎn)黨成立100周年之際，本文期望通過對近年來我國超高層建筑典型創(chuàng)新施工技術的總結，助力這些創(chuàng)新技術的進一步推廣應用，加速我國建筑業(yè)轉型升級，推動我國超高層建筑高質量發(fā)展。

1 超高層建筑幾個典型的深基坑工程

萬丈高樓平地起，擁有一個高質量的基礎，是超高層建筑正常發(fā)揮作用的前提。超高層建筑的基礎往往具有基坑深度大、作業(yè)環(huán)境復雜和工期要求緊等特點，且施工難度導致施工安全無法得到有效保證。因此，探尋合適的新技術、新方法，實現(xiàn)超高層建筑基坑安全、高效施工已經(jīng)成為工程師們關注的熱點。

1.1 逆作法深基坑施工技術——上海環(huán)球金融中心工程

上海環(huán)球金融中心坐落于上海(見圖1)，其地下室外墻周長為614.1m，基坑平面不規(guī)則，接近矩形，總面積達22 468m2。

項目采用傳統(tǒng)逆作法無法達到預期目標，其立柱數(shù)量多，且土方暗挖工作量大導致出土難度大，這都對整體工期造成了一定影響。故綜合考慮采用中心島順作(自成體系)、裙樓逆作工藝作為項目施工方案。塔樓采用支護體系單獨施工，待主體結構施工至地表，裙樓采用逆作法施工[1]。

地下室施工也分階段進行，基坑被地下連續(xù)墻分為2個區(qū)域(見圖2)，分別為裙房區(qū)和塔樓區(qū)，早期在裙房區(qū)使用順作法施工，待塔樓主體結構施工至地表，后期使用逆作法施工。

圖2 上海環(huán)球金融中心基坑剖面

塔樓底板施工結束后，進行裙樓基坑圍護工作，按四分區(qū)及車道區(qū)由上往下逆作施工，通過對臨時圍堰分階段爆破拆除以對接主樓區(qū)域。每區(qū)先進行土方施工，再進行相應的水平結構施工，交叉施工至底板，最后按照由下向上順作法施工。

取土口設定為每個區(qū)域3～4個，采用分層盆式開挖，開挖深度與層高相同，且在坑邊設置土護臂。中心島區(qū)域的底板施工后進行環(huán)島區(qū)域的土方開挖及底板施工，底板上對圍護結構采用拋撐。水平結構施工結束后，對豎向結構由下向上進行順作施工，同時封鎖出土口，完成裙樓地下結構的整體施工。

1.2 緊鄰長江超大超深基坑施工技術——武漢綠地中心工程

武漢綠地中心位于武昌區(qū)(見圖3)，與漢口外灘一江之隔?；用娣e約為3.6hm2，周長約850m，其形狀近似為1個304m×121m的長方形，土方開挖深度約為23.75～31.35m；地下建筑面積龐大，約為17hm2，地下空間也超過100hm2，因此可以稱之為超大超深基坑工程。該場地周邊地質條件復雜，屬于江南岸 I 級階地地貌，地處臨江多元地貌，伴隨高水頭承壓水，很大程度上增加了施工難度。

圖3 武漢綠地中心

針對本工程承壓水埋深大、水頭高、水量大的特點，遵循“疏堵結合”的地下水治理原則，結合地下連續(xù)墻隔水、多井點降水系統(tǒng)與水位實時監(jiān)測反饋系統(tǒng)。

為了保證地下連續(xù)墻具備良好的防水效果并且能有效隔離滲水，本項目設計并采用了一套完整的技術方案進行施工。旋噴樁位置通過使用改進的三重管法高壓旋噴樁技術進行施工以提高孔壁穩(wěn)定性，控制成樁質量。通過聲吶滲流檢測技術以實時監(jiān)測地下連續(xù)墻接縫處的滲漏情況，若依然有滲漏情況，通過地下連續(xù)墻接縫處預埋的止水堵漏裝置進行雙液注漿止水堵漏，如圖4，5所示。

圖4 槽段接頭示意

圖5 旋噴樁止水及壁柱設置

控制地下水應遵循“疏堵結合”的原則。首先要阻斷基坑內外部之間相互補給和排泄的關系，通過落底式豎向截水帷幕，使連續(xù)墻墻底與不透水基巖進行嵌入式結合，后期再采用深井進行土法開挖階段的疏干和降水。在施工過程中對基坑內外水位進行實時監(jiān)測(見圖6)，結合開挖情況對降水位置、降水量進行控制，實現(xiàn)地下水的有序控制。

圖6 水位觀測孔設計

1.3 地震區(qū)域非對稱土壓力深基坑施工技術——天津高銀117大廈工程

天津高銀117大廈工程(見圖7)，地下室結構共3層，基坑邊坡頂部平面尺寸為394m×315m，開挖面積約12.41萬m2。該工程地質環(huán)境為濱海地區(qū)復雜軟土層，其地下水位高、厚度大、易產(chǎn)生流砂、基坑突涌等現(xiàn)象。

圖7 天津高銀117大廈

根據(jù)基坑周邊場地環(huán)境及基坑超大、超深的特點，提出了新的設計思路——非對稱受力超大圓環(huán)支撐體系(見圖8)，攻克188m超大直徑圓環(huán)非對稱受力支撐體系施工問題，形成了超深地下連續(xù)墻、土方開挖、內支撐、“兩樁合一”支撐立柱、超大深基坑雙層地下水降水等施工關鍵技術。

圖8 非對稱受力超大圓環(huán)支撐體系數(shù)值模擬

考慮到水文地質條件和基坑施工特點，確認含水層厚度后，采用構造措施。降水井被設計成混合井，可起到疏干、減壓作用，保障了基坑降水施工，如圖9所示。

圖9 基于“連通器”效應的混合井自動降水技術

1.4 城市中心區(qū)禁止樁錨桿深基坑施工技術——佛山市中醫(yī)院醫(yī)療綜合大樓工程

佛山市中醫(yī)院醫(yī)療綜合大樓工程(見圖10)是原建設部“十五”重點實施技術示范工程，同樣也是世界級中醫(yī)院醫(yī)療綜合大樓。

圖10 佛山市中醫(yī)院醫(yī)療綜合大樓工程

工程研發(fā)應用懸臂雙排樁深基坑支護體系[2]，采用水泥土拱加固雙排樁間土，提高支護體系抗側移能力。與此同時，采用無粘結預應力鋼絞線創(chuàng)新性地代替了原有的樁錨體系。該支護體系受力機理如圖11所示。

圖11 樁-土共同受力機理

1.5 緊鄰地鐵超大超深基坑施工技術——深圳市星河中心工程

深圳市星河中心工程(見圖12)基坑與地鐵1號線、4號線距離均在10m以內。該項目基坑屬于小變形量的特大型超深基坑變形控制，對基坑變形控制要求高且控制技術復雜，如何控制這類基坑變形，已成為目前我國工程界在基坑方面的重點研究方向。

圖12 深圳市星河中心工程

該工程提出了雙側緊鄰運營地鐵特大型超深基坑多工況變形控制的計算機模擬方法，利用FLAC3D軟件進行數(shù)值分析，優(yōu)化設計方案，有效指導施工，并成功應用于該項目基坑工程。

在嚴格控制基坑變形的原則下，制定了“緩慢卸荷、平穩(wěn)過渡”的內支撐拆除技術路線，提出了“特大型超深基坑鋼筋混凝土內支撐拆除的‘切割+靜爆’施工技術”(見圖13，14)，以確保鋼筋混凝土內支撐拆除時振動微、噪聲小、對周邊環(huán)境影響小，為類似基坑工程提供參考。

圖13 靜態(tài)切割

圖14 靜態(tài)爆破

2 超高層建筑主體施工創(chuàng)新技術

目前，中國超高層建筑數(shù)量居世界之首，超高層建筑成為城市亮點的同時，也推動了我國超高層建筑施工技術提升。超高層建筑的發(fā)展趨勢是高度更高、結構更復雜、施工進度要求更快等。超高層建筑主體施工技術也朝著超高層建筑施工模板體系、超高層垂直運輸體系、超高層鋼結構施工技術、超高層鋼結構裝配式建筑[3]施工技術的方向發(fā)展。

2.1 超高層建筑模板體系

2.1.1超高層模板體系發(fā)展

以中建三局建造的工程為例，300m以上的在施或竣工建筑約有50個，其中絕大多數(shù)采用的是框架核心筒剪力墻結構。相對內部核心剪力墻而言，在主體結構施工中，外圍鋼框架施工速度更快[4]。雖然鋼框架往往落后核心筒數(shù)層才開始施工，但混凝土施工進度會影響鋼結構施工進度。因此，高層、超高層建筑豎向混凝土結構施工技術的一個重要課題就是在保證結構質量與施工安全的前提下提高施工速度。

20世紀40年代初期我國從蘇聯(lián)引進滑模施工技術(見圖15)，可以大幅提升核心筒施工機械化程度。其典型應用工程為武漢國際貿易中心(見圖16)、中央廣播電視塔等。

圖15 液壓滑升模板系統(tǒng)組成

圖16 武漢國際貿易中心

20世紀80年代末，爬模技術開始在國內應用，并在近些年有了長足的進步與發(fā)展。爬模的優(yōu)點主要有布置靈活、機械化程度高、適應性強，應用范圍廣(見圖17，18)。

圖17 液壓自動爬升模板系統(tǒng)

圖18 深圳平安中心巨柱爬模

提模技術主要原理是：利用提升動力系統(tǒng)提升鋼平臺，直至到達設計高程。提模裝置封閉性好，安全性高，模架整體承載力與剛度較大，可以為核心筒施工提供整體作業(yè)平臺(見圖19，20)。

圖19 提模技術工藝原理

圖20 廣州電視塔提模施工

隨著建筑市場競爭的加劇，建筑企業(yè)不斷地尋求更加高效的施工技術，進而縮短工期、降低施工成本。因此，專注于超高層核心筒結構施工的具有施工速度快、承載力大、安全性好、集成度高等諸多優(yōu)點的“低位頂?！焙汀凹善脚_”也就應運而生了。

2.1.2低位少支點整體頂升平臺模架體系

在廣州西塔工程中，為了滿足投資方、建設單位的工期要求，中建四局開創(chuàng)性地提出了低位頂升模架技術(第1代頂模)，該技術的應用使核心筒施工最快速度達到驚人的2天1個結構層，整棟塔樓工期縮短了280d。為了改進頂模無法周轉、適應性差、安全冗余度不足等問題，中建三局技術中心依托福州世茂國際中心工程，第1次完成了模塊化低位頂模設計并實施，推廣應用至重慶國金工程、天津高銀117大廈工程等近20個地標性建筑，經(jīng)過不斷總結優(yōu)化，技術逐步趨于成熟，如圖21所示。模塊化低位頂模主要在周轉性、適應性、安全性三方面有所突破，可以達到降低成本、提高效率的目的。

圖21 典型工程頂模系統(tǒng)

為了彌補不足，避免建筑高度的增加與抗側剛度等降低之間的沖突，中建團隊創(chuàng)新性地利用核心筒外側前表面2～3cm素混凝土微凸構造承力，單個支點承載力達400t。該設計的高效性、適應性、安全性、智能化均得到提升。

頂模系統(tǒng)頂升動力采用的是雙作用油缸，該油缸具有大噸位、長行程的特點，能夠準確地將各支撐點同時提升到同一高度位置，具有強大的自動頂升優(yōu)勢，如圖22，23所示。

圖22 頂模系統(tǒng)組成

圖23 頂模系統(tǒng)全景

2.1.3貝雷架輕型化頂模技術

提高超高層建筑的施工速度，核心筒施工是最為關鍵的一環(huán)。隨著建筑功能不斷豐富、高度日漸增高，頂模技術也在不斷發(fā)展進步，目前核心筒施工中最先進的施工工藝便是頂模系統(tǒng)。中建三局第一建設工程有限責任公司對傳統(tǒng)頂模技術進行了研究，分析了頂模系統(tǒng)各方面的優(yōu)勢和劣勢，選擇使用技術成熟且應用廣泛的貝雷架，同時進行標準化、模數(shù)化設計，實現(xiàn)百分百的周轉率，建立了特有的智能頂升模架體系[5]。

廣州航天科技廣場即采用了基于該技術體系下的施工工藝，大大提升了施工效率，且各項質量管控標準均可完美達標，整體觀感也十分舒適。和傳統(tǒng)頂模相比，這種桁架體系節(jié)約鋼材，提高材料的利用率和周轉率，滿足土木工程建設領域綠色施工[6]的要求；同時該體系以簡便、易操作、自保護為目標，能夠滿足各種高層核心筒施工，在工程項目試點應用后，可對其進行產(chǎn)業(yè)鏈設計，實現(xiàn)桁架體系的產(chǎn)業(yè)化。

2.2 超高層建筑垂直運輸體系

超高層建筑施工垂直運輸體系工作任務重，雖投入大，但能夠極大提升施工效率，是施工中非常重要的一部分。近十年，超高層的發(fā)展已進入千米級高度，隨著結構高度增長，垂直運輸?shù)男蕜t相應降低，每個新建的超高層建筑都提出全新的挑戰(zhàn)，建筑結構的日趨復雜以及業(yè)主對建造工期的嚴苛要求，傳統(tǒng)的垂直運輸設備動力及配置不足的問題也逐漸顯現(xiàn)。

2.2.1廻轉式多吊機集成運行平臺

目前超高層建筑大多采用外框鋼結構，而塔式起重機的選型和布置數(shù)量主要依據(jù)外框鋼結構中各構件的情況。其中少量的巨型鋼材決定了塔式起重機的配備，因此通常安裝多臺昂貴的大型動臂式塔式起重機，使其能夠對各構件進行吊裝。各吊機的爬升各自完成，這使得吊機利用率不高，施工效率嚴重下降，且很容易受到其他施工作業(yè)影響，從而影響施工進度。

中建三局集團有限公司研發(fā)出整體自動頂升廻轉式多吊機集成運行平臺[7]，塔機能夠進行360°移位，實現(xiàn)吊裝全覆蓋，根據(jù)實際吊裝需求對塔機配備，選擇不同型號的機型，大大節(jié)省施工費用。同時可減少各塔機爬升工藝，施工進度能夠提高20%，如圖24所示。

圖24 廻轉平臺組成及支承平面布置

多吊機回轉平臺包括：吊機、吊機基座平臺、回轉系統(tǒng)、支承頂升系統(tǒng)。支承頂升系統(tǒng)采用中建三局自主研發(fā)的微凸支點頂模體系。平臺回轉驅動系統(tǒng)實現(xiàn)平臺及上部附屬吊機相對于下部支承體系的整體回轉運動，將上部荷載傳遞到下部支承體系。

成都綠地8號地塊超高層項目中采用的多吊機回轉平臺最多可供4臺吊機工作，且至少有1臺是M1280D或ZSL2700這類吊重能力達百噸級的吊機(見圖25)。吊機基座中心相對于回轉中心的半徑超過16m。超高層施工時，受風荷載影響大，回轉驅動系統(tǒng)承受的平臺荷載大。多吊機回轉平臺所承受各項荷載遠超目前房建領域最大吊重吊機，運動關節(jié)和傳力樞紐為回轉驅動系統(tǒng)。為了保證負載能力和驅動要求，選用目前國內建筑施工裝備領域最大規(guī)格的液壓電動機減速機回轉驅動裝置。該裝置參數(shù)為132.60.6000.03型3排滾柱回轉支承，輸出轉速0.52r/min、扭矩73kN·m，目前已在國內建筑施工裝備領域應用。

圖25 成都綠地中心廻轉平臺

2.2.2單塔多籠循環(huán)運行施工電梯

垂直運輸系統(tǒng)是整個超高層建筑施工過程中的重要樞紐，而其中施工電梯的運載能力和配備數(shù)量對于整個工程的成本控制、工期長短具有直接影響[8]?，F(xiàn)有的施工電梯運載能力有限，因此在面對超高層建筑施工中巨大的運輸需求時，只能增加施工電梯的數(shù)量，就這造成了超高層建筑在施工組織上的很多問題，主要表現(xiàn)為：①平立面布置困難 多臺施工電梯在平立面布置中占用大量空間位置，且拆除后還需對施工預留進行修補，增加工期；②受限于2部運行梯籠，超高層施工導軌架利用率低下；③用于解決施工電梯平立面布置的通道塔成本高，且安裝、拆除工作復雜。

為克服上述問題, 中建三局以武漢中心工程和武漢綠地中心工程為載體，研發(fā)了單導軌架多籠循環(huán)運行電梯(見圖26，27)，采用旋轉換軌機構進行變換軌道,實現(xiàn)了在單根導軌上運行多部電梯籠的垂直運輸技術，利用群控調度及安全控制系統(tǒng),保證電梯運行的高效安全。其核心技術主要分為以下6個方面：①智能化高精度旋轉換軌技術 能克服復雜施工條件，實現(xiàn)電梯在空中的連續(xù)高精度旋轉定位和切換軌道功能,旋轉驅動裝置緊湊,可靠度高，同時還集成自動糾錯能力。②數(shù)字化高智能群控調度技術 通過監(jiān)控全部梯籠來獲取其狀態(tài)信息，再利用智能調度系統(tǒng)生成運載調度方案，最大化利用新型循環(huán)電梯的運載能力。③大載流智能分段供電技術 采用690V高壓供電,配合對線路進行分段供電,在解決多部梯籠需要大載流的同時,避免了電纜折斷和電壓下降的問題。④豎向分段卸載附著技術 徹底解決了因導軌架搭設高度增加帶來的底部標準節(jié)壁厚及整體結構自重的增加,理論上導軌架搭設高度不再受限,適應任何高度的超高層建筑。⑤多級安全保證技術 通過主控系統(tǒng)、緊急制動系統(tǒng)和緩沖阻尼系統(tǒng),形成了多級防撞安全系統(tǒng)體系，安全可靠。⑥全方位智能監(jiān)測技術 實時監(jiān)測導軌架應力、位移和振動,發(fā)現(xiàn)異常報警并自動進行緊急處理，起到智能健康監(jiān)測的作用。⑦適應超高層建筑高效施工應用技術 解決了多部梯籠儲存檢修的問題和高空增減梯籠的難題，以及樓層曲線變化問題，且縮短與樓層之間的間距。

圖26 循環(huán)電梯組成

圖27 武漢綠地中心單塔多籠循環(huán)電梯

通過武漢中心和武漢綠地中心的試驗驗證及現(xiàn)場應用,該技術解決了目前布置多臺電梯產(chǎn)生的弊端,提高導軌架的利用率,滿足超高層建筑施工對垂直運輸能力日益增長的需求,創(chuàng)造了良好的社會與經(jīng)濟效益。

2.2.3豎向通道塔

隨著超高層建筑的興起和發(fā)展，對架設施工電梯支撐系統(tǒng)高度和穩(wěn)定性的需求也在增加。以往的支撐形式較為單一，大多都由導軌架及附墻桿組成，施工電梯標準節(jié)結形式固定。且主體結構與導軌之間的構造連接不強，整體穩(wěn)定性較差。加之沒有形成規(guī)范的施工電梯支撐體系，現(xiàn)有的施工電梯性能已不能滿足超高層建筑的發(fā)展需要。因此，有必要研發(fā)一種新型的施工電梯支撐體系。

同時，現(xiàn)有垂直運輸系統(tǒng)運載能力的限制和平立面布置困難的問題，已成為阻礙超高層建筑進一步向“高”發(fā)展的主要瓶頸。為滿足超高層建筑的運輸需要，一般施工電梯都分散布置于結構外立面或電梯井道內，影響后期幕墻封閉及正式電梯施工，進而導致工期延后。除此之外，由于布置了多道豎向施工電梯，與其匹配的水平作業(yè)面也大大增加，從而占用了大量的施工空間，而且這種分布式的布置形式，不利于物料運輸管理和人員施工管理，對施工組織管理能力提出了很高的要求。

為解決上述問題，中建三局提出了通道塔新型支撐體系。通道塔通過集中布置室外施工電梯，簡化了施工電梯的布置形式，有效提高了管理效率和運輸效率。通道塔符合施工電梯支撐體系輕量化、集中化、工業(yè)化的發(fā)展趨勢，具有廣闊的發(fā)展及應用前景。

通道塔(見圖28)為裝配式鋼結構塔體，由多個標準節(jié)塔體豎向拼接組成。裝配式鋼結構塔體的柱腳固定于超高層建筑基礎筏板上,每隔2個塔體標準節(jié)便設置1個與主體相連接的附墻桿，側面上均設有連接走道,其他側面上掛有施工電梯,且均設有安全門。與現(xiàn)有技術相比，通道塔集中施工電梯，節(jié)約資源、運輸通道集中，有利于人員、物料的運輸規(guī)劃，安裝拆卸方便，工程造價大大降低，同時節(jié)約工期，綜合經(jīng)濟效益顯著。

圖28 通道塔結構3D示意

如圖29所示，天津高銀117大廈通道塔布置于主塔樓東側，其標準層平臺尺寸為5m×9m。該通道塔通過各項先進技術實現(xiàn)了人、材、機的快速垂直運輸。對于500m以上的超高層建筑，使用通道塔可以把降效降低到10%以內，而普通超高層施工垂直運輸體系降效高達40%。

圖29 天津高銀117大廈通道塔

2.3 鋼結構施工創(chuàng)新技術

在我國城市化大趨勢下，建筑數(shù)量和建造技術都得到了井噴式的發(fā)展[9]，其中超高層建筑脫穎而出，在城市建筑中占有的比例逐漸上升。超高層建筑的出現(xiàn)有效解決了城市用地不足的情況，有效緩解城市人口壓力，也滿足了人們對于建造更高、更大的宏偉建筑的愿望，象征了現(xiàn)代社會經(jīng)濟的繁榮。超高層建筑在向天空進軍之時，必然需要鋼結構的強力支撐。

超高層建筑中，通常會使用鋼柱、鋼梁、鋼板剪力墻、環(huán)帶桁架、伸臂桁架等鋼結構構件。隨著建筑高度的不斷攀升，鋼結構構件逐漸呈現(xiàn)巨型化和復雜化的趨勢，鋼結構的施工難度和面臨的問題也隨之不斷增加。

2.3.1多腔體巨型鋼柱施工關鍵技術

隨著超高層建筑高度的不斷攀升，巨型鋼結構逐漸得到了應用。巨型鋼結構優(yōu)點在于可最大限度利用材料的物理力學性能，且具有超強的抗側剛度、更好的穩(wěn)定性和更高的效能[10]。

巨型鋼柱作為超高層建筑外框架主承力構件，為整棟大樓起到中流砥柱的作用。從廣州東塔“田”字形巨型鋼柱到天津高銀117大廈[11]、中國尊的異形多腔體巨型鋼柱，超高層建筑結構朝著尺寸更大、更為復雜的方向發(fā)展[12]。傳統(tǒng)超高層鋼柱多為箱形或圓管形，截面尺寸小，僅需縱向分段即可，并且截面規(guī)整，對稱性明顯，焊接工藝相對簡單。多腔體巨型鋼柱的特點為截面尺寸大、腔體眾多，鋼板厚度大，焊縫縱橫交錯，傳統(tǒng)工藝已不能滿足其施工要求，對鋼結構的深化設計、制造及焊接技術提出了更高的要求。

天津高銀117大廈主塔樓建筑高度597m，結構高度596.2m，由4根變截面巨型鋼柱提供豎向承載力。巨柱截面在筏板基礎處的截面面積達到了108m2，包含了26個異形腔體，幾何形狀非常復雜(見圖30,31)，吊裝工作量和焊接量也十分巨大。為此，高銀117大廈對多腔體、多單元的全焊接組拼情況進行了詳細的計算模擬，和實際施工情況對比并形成了相應技術。通過理論計算結果與實際施工效果的雙重印證，提出先立焊后橫焊，由中心單元向四周單元擴展的焊接方法，保證了巨柱的組拼焊接施工。該創(chuàng)新焊接工藝流程的提出對于解決異形多腔體巨柱焊接時產(chǎn)生的殘余應變和殘余應力提供了很好的思路，同時對于多單元拼裝、密集焊接、大量焊接填充也有很好的效果。

圖30 巨柱分段

圖31 巨柱分段拆分

2.3.2超長、超厚單層鋼板剪力墻制造與安裝技術

超高層建筑一般采用單層鋼板剪力墻形式，具有增加結構延性、減小結構自重等特點，能夠提高結構抗側剛度，有利于超高層建筑的位移控制。單層鋼板剪力墻一般具有超長、超厚等特點，其制造、運輸、安裝相較于常規(guī)構件具有較大難度。對此，開展鋼板剪力墻深化設計、制造及現(xiàn)場連接，確保超長、超厚鋼板剪力墻的制造和安裝質量。

2.3.3現(xiàn)場自動焊接機器人施工技術

隨著建筑高度的不斷攀升和人工成本的日益增加，超高層建筑鋼結構的焊接將向自動化、智能化發(fā)展，現(xiàn)場鋼結構自動焊接機器人將是未來的發(fā)展趨勢(見圖32)。針對現(xiàn)場鋼結構的對接形式和施工特點，開展自動焊接機器人適用性、自動化和輕量化設計研究，通過試驗確定合適的現(xiàn)場鋼結構自動焊接工藝參數(shù)，并在超高層項目上加以應用，提高現(xiàn)場鋼結構焊接施工自動化水平[13]。

圖32 自動焊接機器人

2.3.4結構變形控制關鍵技術

施工過程中的變形差異，將帶來外框-核心筒之間的豎向偏差，不利于建筑的施工質量和結構安全。對施工期間的超高層結構變形情況進行施工模擬，得出鋼框架與混凝土核心筒在施工過程中的變形規(guī)律和特點，并結合實際工程項目施工情況，提出結構標高控制施工措施與結構豎向變形差控制措施，以最大限度地控制鋼框架與混凝土核心筒的不均勻變形[14]，確保超高層建筑安裝精度，保障施工安全和結構穩(wěn)定。

2.3.5遠程無線實時檢測技術

超高層建筑施工過程中，需對結構進行施工全過程現(xiàn)場實時監(jiān)測，確保結構施工精度和安全性。隨著建筑高度的增加，采用遠程無線實時監(jiān)測技術，以更及時便捷地對超高層建筑施工過程進行實時監(jiān)測[15]。

2.4 超高層裝配式建筑施工技術

全預制裝配式超高層建筑作為建筑工業(yè)化的主要推手，是指對結構和構件進行科學化的后臺設計，再通過先進的工業(yè)水平形成制造、運輸、安裝全鏈路的一種集中的、高水平的、高效率的生產(chǎn)方式。目前，我國超高層裝配式建筑的建造技術已基本滿足建造要求，但尚存在建造環(huán)節(jié)信息割裂、生產(chǎn)質量精細化控制不足、施工技術創(chuàng)新較弱，且未形成完整的建造技術體系等問題，導致裝配式建筑的自身優(yōu)勢未能充分發(fā)揮，極大限制了進一步推廣。為此，重慶大學、重慶建工集團、美好建筑裝配科技有限公司等單位，創(chuàng)新研發(fā)了系列技術，很好地解決了上述問題。

1)在設計上，開展了裝配式標準化設計研究，研發(fā)了標準化產(chǎn)品庫和BIM智能設計平臺[16]，形成了標準戶型30余種，建立了涵蓋建筑、結構、機電和裝飾裝修等各專業(yè)7 000余個BIM設計專業(yè)族。自主研發(fā)了基于 BIM的裝配式混凝土信息一體化交互平臺，打通了設計、生產(chǎn)與施工環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了建造過程質量、安全、進度、成本的高效管控，大幅提高了建造效率，如圖33,34所示。

圖33 超高層裝配式建筑高效建造技術體系

2)在構件生產(chǎn)上，開展了內約束對混凝土收縮性能的影響研究，揭示了內約束對混凝土孔結構、收縮應變、強度以及開裂風險的影響，有效解決了部件收縮開裂問題，提高了部件生產(chǎn)質量，顯著提升了整體建造工效。對鋼筋直徑、分布方式、鋼板厚度、栓釘長度、直徑等內約束參數(shù)對混凝土收縮開裂風險進行了定量研究，建立了內約束下混凝土收縮及開裂風險預測評估方法，提出了基于毛細孔張力理論的約束收縮預測公式。提出了以“原材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化、約束改善條件、養(yǎng)護合理”為基本原則的系統(tǒng)化部件生產(chǎn)工法。

圖34 全產(chǎn)業(yè)鏈的信息化技術架構及云平臺

3)在施工技術上，研發(fā)了以工程級、工序級、動作級為核心的“裝配單元三級精益建造管控體系”(LCA 體系)以及裝配式住宅分段式樓梯、預制柱、疊合板等構件的安裝工藝成套技術體系，實現(xiàn)了高效建造。結合超高層建筑特點，提出了多種超高層裝配式建筑高效施工工法及配套機具。

3 處于國際領先水平的超高泵送混凝土技術

目前，超高層建筑混凝土施工首選高效、環(huán)保、經(jīng)濟的泵送工藝。與普通混凝土相比，超高泵送混凝土存在兩大特點：①泵送條件極端，與普通泵送相比，超高泵送高度高(>200m)、管道長(可達千米級)、壓力大(可達30MPa，是普通泵送2～5倍)、脈沖次數(shù)多(可達500次)，堵管風險極高、工期延誤時間長、經(jīng)濟損失大；②硬化環(huán)境復雜，混凝土強度等級高、豎向結構養(yǎng)護困難、異型與復雜鋼混結構約束強、高空大風低溫等材料、施工、結構、環(huán)境因素大大增加了開裂風險，進而影響安全使用壽命。以上特點給超高泵送混凝土的研究與工程應用帶來了三大難題。

1)可靠評價難 目前，混凝土超高可泵性能評價、泵送壓力損失計算仍參考普通泵送，并未考慮超高泵送長時、脈沖、高壓等極端條件，同時，傳統(tǒng)的坍落度、擴展度等不能量化評價超高可泵性能，盤管試驗驗證成本高、耗時長且可靠性不佳，壓力計算依賴經(jīng)驗且系數(shù)取值相對固定，未充分考慮混凝土性能的影響，誤差通常>50%，因此，現(xiàn)有方法無法有效評價混凝土超高可泵性、指導泵送設備選型。

2)協(xié)同調控難 一方面，超高泵送長時、脈沖、高壓極端泵送條件下，混凝土流變性能穩(wěn)定調控是實現(xiàn)超高泵送的關鍵，而關鍵材料是核心基礎；另一方面，超高泵送混凝土通常參考大流態(tài)設計方法，膠材用量高、放熱量大、收縮明顯，與復雜耦合環(huán)境下的結構抗裂性能之間存在天然矛盾，而當前針對超高泵送混凝土相關調控關鍵材料的技術研究基本空白。

3)施工應用難 超高層豎向結構鋼板剪力墻、鋼管柱等是典型的大體積、強約束鋼-混組合結構，混凝土設計強度等級高，且耦合了大風低溫復雜環(huán)境，開裂風險極高，常用的灑水、覆膜養(yǎng)護手段無法實施，施工中通常采用延長帶模養(yǎng)護時間的被動方法避免開裂，主動抗裂施工技術研究缺失。

綜上，建立超高泵送混凝土可靠評價方法，開發(fā)流變性能、體積穩(wěn)定性能調控關鍵材料，開發(fā)主動抗裂施工技術，對于支撐超高層建筑應用技術進步具有重要意義。為此中建西部建設股份有限公司聯(lián)合其他單位開展了復雜耦合環(huán)境下現(xiàn)代混凝土超高泵送-超高抗裂性能協(xié)同提升關鍵技術的研究工作。

研究針對超高泵送混凝土施工的特點，圍繞“泵送時不堵、硬化后不裂”兩個核心目標，從“長時、脈沖高壓作用下大流態(tài)混凝土流變性能演化機理”“基于環(huán)境、結構、材料多因素耦合的超高泵送與抗裂性能協(xié)同提升機制”兩個關鍵問題研究入手，通過揭示超高泵送混凝土流變性能時變機制，建立泵送壓力精準預測方法，開發(fā)評價方法與指標體系、過程精準監(jiān)測系統(tǒng)，針對流變性能、體積穩(wěn)定性能調控要求，開發(fā)系列性能調控關鍵材料、組成設計與抗裂施工協(xié)同技術。

1)超高泵送混凝土可泵性能評價關鍵技術

基于混凝土流變性能研究，探明了高泵壓下時變機制，建立了混凝土流變性能與超高可泵性能之間的相互關系，明確了超高泵送混凝土流變性能調控指標與范圍，針對超高泵送特點，創(chuàng)新提出了高壓泵送穩(wěn)定性系數(shù)Gb、泵送極限系數(shù)Jb、勻質性系數(shù)CV等超高可泵性能控制指標，開發(fā)了相關檢測方法與裝置，形成了超高泵送混凝土可泵性能評價關鍵技術。

2)長時、脈沖、高壓下混凝土流變性能調控關鍵技術

基于超高泵送長時、脈沖、高壓條件下混凝土流變性能時變機制，利用聚合物分子的堿環(huán)境響應、空間構象效應、親水鏈段鎖水效應等，開發(fā)了分散性能調控、黏聚性能調控、穩(wěn)定性能調控關鍵材料及其應用技術，實現(xiàn)了超高泵送條件下混凝土流變性能的調控。

3)復雜耦合環(huán)境下混凝土抗裂性能提升關鍵技術

針對混凝土設計強度等級高、水化放熱集中、高空內部濕度低的問題，開發(fā)了多源復合收縮補償材料、低水化熱高性能專用摻合料、可控吸-釋水濕度調控材料等體積穩(wěn)定性能調控材料，實現(xiàn)了超高層建筑硬化環(huán)境下，混凝土體積穩(wěn)定性能的調控。

4)混凝土超高泵送性能與超高抗裂性能協(xié)同提升技術

以協(xié)同提升混凝土可泵性、強度、抗裂性能為目標，通過以極值劃定閾值和以限值劃定閾值的方法，建立了基于工效系數(shù)法的配合比優(yōu)化設計方法；建立了膠材用量、砂率等多個自變量與可泵性、抗壓強度、開裂風險系數(shù)間的函數(shù)關系，提出了基于遺傳算法的配合比設計優(yōu)化方法。

5)基于主動控溫的鋼-混組合結構抗裂施工關鍵技術

開發(fā)了鋼板-混凝土剪力墻硬化過程中溫度、應力應變監(jiān)測裝置，靶向判斷荷載、溫度、體積變化引起的應力，建立了混凝土抵抗自約束應力開裂風險研判方法，探明了鋼板-混凝土剪力墻變形不同步導致開裂的機理，通過加熱使鋼板在混凝土塑性階段預膨脹，強度發(fā)展階段停止加熱、同步收縮，對混凝土施加微壓應力，避免了鋼板、栓釘約束導致的裂縫。

該技術在工程項目中獲得了成功的應用，在天津高銀117大廈創(chuàng)造了泵送高度621m的世界紀錄。

4 超高層建筑智慧建造技術

4.1 虛擬現(xiàn)實技術的應用

為了在工程項目實施前，提前展示完成效果、驗證可行性并指導后續(xù)施工，將數(shù)字圖像和仿真技術以及傳感器技術結合，以此達到指導施工、控制質量的目的。

西安邁科商業(yè)中心項目(見圖35)，由辦公樓、客房餐館等組成。主塔樓為鋼框架-支撐體系結構，結構整體十分復雜。為解決復雜桁架結構對施工作業(yè)造成的巨大挑戰(zhàn)，項目對鋼連橋的多項施工方案進行全過程模擬分析[17]，如圖36所示。

圖35 西安邁科商業(yè)中心項目

圖36 連橋施工過程模擬

考慮了施工時受力狀態(tài)的時變性，需要針對各階段受力狀況進行優(yōu)化，以滿足計算和規(guī)范要求，分析過程如圖37所示，卸載施工應力如圖38所示。

圖37 連橋施工過程的受力分析

圖38 連橋卸載階段施工應力

如圖39所示，通過實時監(jiān)測，可以全方位掌握受力狀況，以保障施工。

圖39 連橋施工過程監(jiān)測

4.2 GPS及北斗衛(wèi)星技術的應用

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)[18]，深圳平安金融中心首次使用了該系統(tǒng)[19]。項目依據(jù)現(xiàn)場情況焊接天線桿，確定相應監(jiān)測方案(見圖40)，并實時存儲數(shù)據(jù)最終全程、全方位記錄測點各項參數(shù)。

圖40 基準點與監(jiān)測面平面位置

4.3 云平臺+互聯(lián)網(wǎng)+無線傳輸?shù)戎腔劢ㄔ旒夹g應用

深圳灣壹號T7項目采用了中建五局自主研發(fā)的基于無線采集與云數(shù)據(jù)平臺的自動化監(jiān)測系統(tǒng)[20]，能夠有效解決管理成本、工作風險與采集效率等問題。中建五局團隊結合最新的無線互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術與云服務器、云數(shù)據(jù)庫等技術，使得在辦公室內和項目實時直觀地監(jiān)測現(xiàn)場傳感器應力應變情況成為現(xiàn)實。該自動化監(jiān)測系統(tǒng)的具體操作流程如下：首先需要將通訊模塊接入到測量模塊中，使得測量模塊能有媒介與云端相通，在應用之前還需要對各個模塊進行相應的調試，使通訊模塊能夠在固定的時間間隔內(30min左右、最短可以10min)向云服務器端發(fā)射測量數(shù)據(jù)并寫入云數(shù)據(jù)庫，接著在阿里云數(shù)據(jù)庫中，服務器能夠將現(xiàn)場傳來的應變、溫度等測量結果實時地在圖表中更新顯示。

借助該自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠對復雜構件的應變情況進行實時監(jiān)測。應變的實測數(shù)據(jù)隨著時間的推進在不斷波動變化，測量結果較容易看懂。同時，該自動化監(jiān)測系統(tǒng)是基于云數(shù)據(jù)平臺的，因此無論項目管理人員身在何處，只要身上帶有或者附近有能夠連入互聯(lián)網(wǎng)的設備，就能夠在任何時間、地點，登陸平臺端查看施工現(xiàn)場的應變監(jiān)測情況。當然，該自動化監(jiān)測系統(tǒng)能做的不僅僅是實時監(jiān)測，根據(jù)使用者需求，還能夠隨時調用歷史數(shù)據(jù)進行分析，包括預警頻率分析、歷史最大值等，同時，通過接口還能夠開發(fā)其他智能化服務。該自動化監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，不僅能大量減少人力和物力成本投入，還使得工地的整體運作更加智慧化[21]、標準化、科學化。

4.4 BIM技術創(chuàng)新應用

4.4.1管線碰撞檢查

深圳灣壹號T7塔樓高度超過300m，在其地下室放置了各類大型機房設備，這些機房是整棟大樓機電運作的核心。考慮到機房設備以及配套管線復雜繁多，為了保障機房安裝的順利開展，項目部對各大機房單獨設計管線布置方案。地下室3層制冷機房的布置如圖41所示，在對大型制冷機房管線設計時需要考慮的因素比較多，包括設備維修管理空間、設備支架設計、管道排布避免交叉、減震系統(tǒng)布置、管線排列間距控制等[22]。

圖41 地下室3層制冷機房

深圳灣壹號T7項目借助BIM軟件，針對機電管線布置進行優(yōu)化設計，借助BIM對機房設備區(qū)域、管線密集區(qū)域的管線布置進行梳理調整，提高管線布置的合理性，滿足業(yè)主的使用要求和觀感要求。充分考慮管線布置的凈高問題，能夠有效避開管線碰撞問題、管線與結構的碰撞問題[23]。應用BIM模型能夠查看該建筑中任意部位的管線布置細節(jié)，制冷機房局部管線排布如圖42所示。碰撞檢查是借助BIM模型來檢查工程中還遺留的實體(構件、管網(wǎng))之間碰撞沖突問題。碰撞檢查的工作流程主要有各專業(yè)模型的繪制與審核，開展現(xiàn)有模型的碰撞檢查并導出對應結果，核對模型的碰撞檢查結果并給出具體的模型碰撞檢查報告。對T7塔樓模型進行分析，塔樓標準層的碰撞檢查結果顯示存在200多個碰撞問題，管線密集樓層的碰撞檢查結果顯示超過800個碰撞問題，參建各方多次集中討論提前解決了暴露出來的問題，這也使得T7塔樓的整體施工效率得到保證。

圖42 制冷機房局部管網(wǎng)排布

4.4.24D進度模擬

4D進度模擬是在構建三維模型的基礎上增加進度維度的分析，使得進度計劃空間化。T7塔樓項目是在構建完各專業(yè)模型之后，借助Navisworks軟件開展4D進度模擬的，如圖43所示，將編制好的進度計劃表與各專業(yè)細化模型相對接，進而得到該進度計劃下近似現(xiàn)場施工過程的情況。項目管理者借助4D進度模擬手段能夠對整個施工過程進行可視化分析，去判別該進度計劃下開展施工活動所暴露出的問題，例如施工順序、工作面等，進而完善整體進度計劃。

圖43 4D進度模擬

在T7塔樓施工前期，借助BIM的4D進度模擬手段發(fā)現(xiàn)并解決了施工過程中的一些沖突。例如對塔樓施工模擬時，發(fā)現(xiàn)了塔式起重機爬升與主體鋼結構之間存在空間沖突，通過提前采取措施保證了塔式起重機的正常爬升；在對塔樓32層進行施工模擬時，發(fā)現(xiàn)幕墻安裝與機電設備吊裝存在沖突，如不在幕墻安裝前預先將機電設備吊入32層中，則會出現(xiàn)重新拆除幕墻的問題，因此項目部及時調整了施工順序，保障了施工進度。

為了促進安全施工、減少材料浪費，T7塔樓項目針對臨邊、洞口防護欄布置進行三維模擬設計，統(tǒng)計塔樓中需要安裝欄板的基本信息，用以指導欄板加工，減少加工誤差和加工超量浪費情況。例如，T7塔樓25層用到了0.5，1，1.8m共3種規(guī)格欄板120張，配套連接桿件155條，25層的防護模擬和現(xiàn)場布置如圖44所示。

圖44 25層防護模擬與現(xiàn)場防護

4.4.3吊裝模擬

T7塔樓屬于超高層建筑，在施工過程中大型設備的吊裝與運輸成為了施工難點，如果沒有及時安排好施工順序或吊裝路徑，很容易導致大型設備無法順利吊裝到指定樓層上。項目部借助BIM技術進行大型設備的吊裝過程可視化模擬[24]，能夠發(fā)現(xiàn)吊裝過程中存在的問題，制定合理完備的吊裝方案，并在現(xiàn)場吊裝工作開始前，及時進行可視化交底，保證了吊裝工作的順利開展。T7項目32層大型設備吊裝模擬以及地下室設備吊裝模擬分別如圖45,46所示。項目部在對地下室設備開展吊裝工作前，依照模擬結果明確吊裝思路、預留吊裝通道、安排好進場機械等，僅用了半天時間就完成變壓器的現(xiàn)場運輸與安裝，花費5天時間完成了9臺制冷機的現(xiàn)場運輸與安裝。

圖45 32層設備吊裝

圖46 地下室設備吊裝

5 結語

建黨百年以來，在中國共產(chǎn)黨的堅強領導下，中國建筑人用自己的勤勞和智慧，不斷努力，從科研、實踐中探索出一套套新的理論和技術，創(chuàng)造了一個又一個的建筑奇跡，讓世界震驚。

相信在下一個一百年中，會涌現(xiàn)出更多人才，前赴后繼，投身于我國建筑事業(yè)，會有更多領先的超高層建筑創(chuàng)新施工技術被研發(fā)與應用，為促進我國建設事業(yè)高質量發(fā)展、實現(xiàn)中華民族偉大復興作出一份貢獻!