超高層建筑鋼桁架轉換層逆向施工技術及施工控制研究

馮永強

【摘要】現代社會經濟的迅速發(fā)展使得人們對于建筑居住空間的使用要求也越來越嚴格，建筑本身的結構也逐漸向著復雜化、高層化、功能多元化的方向轉變。超高層建筑相較于一般的高層建筑來說，為了能夠滿足人們對于建筑使用功能的要求，往往會在上層運用小開間小進深的軸網設計，中部較上層來說軸網需要進一步加大，下部則需要選擇大開間的房間設計。根據結構的受力情況來分析，樓層的受力情況為由上至下逐漸遞增，因此尋常的結構設計一般為下方到上訪剛度依此降低，利用墻柱數量的控制來實現柱網面積的拓展。還需要將建筑的使用功能及結構受力情況兩大要點進行分析與比對，整體結構在設計環(huán)節(jié)需要選擇反常規(guī)設計的方式，僅滿足建筑功能要求的話往往會導致安全性能無法兼顧，對此為滿足建筑功能和受力、安全等多方要求，超高層建筑鋼桁架應用結構轉換層逆向施工技術成為了一個很好的選擇。本文主要以天津津灣廣場建筑為中心，該建筑為超高層商用辦公多功能建筑，結構主要為核心筒—框架結構，建筑8層設計鋼桁架轉換層，利用鋼桁架轉換層將上部結構的外框柱更換為下部結構的4根角柱及8根組合巨柱。并且在轉換層鋼桁架下弦設計有吊柱，用來承受5層和6層的樓面負荷。但吊住施工難度較大，如何在達到受力要求的同時完成轉換層結構設計成為了一個問題，因此針對該工程的施工技術方案及施工控制展開論述。

【關鍵詞】超高層建筑;鋼桁架轉換層;逆向施工技術

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

20.

引言

如今城市化建設的全面深入使得建筑的高層化成為了一種普遍現象，其中超高層建筑更是成為了城市發(fā)展水平的一種體現。鋼桁架轉換層結構在超高層建筑設計與建造中的應用使得超高層建筑的發(fā)展也獲得了關鍵的推助力，這一結構不僅有效改善了原本超高層建筑結構受力和使用功能間具有的矛盾，同時憑借其強度大、重量輕、受力性能優(yōu)良等特性，使其在超高層建筑中獲得了廣泛的應用。針對津灣廣場建筑來說，鋼桁架轉換層尤其是下設吊柱導致的施工難度提升現象，若采用常規(guī)施工方案難以保證其功能性，結合現場情況，確定最后的方案決策，給出鋼桁架轉換層和吊柱施工方案，運用創(chuàng)新性理論解決支撐變吊柱的物理矛盾。

一、項目背景

該項目為天津市和平區(qū)的一座商業(yè)辦公多功能建筑，總面積為20.9×104m2，總高299.8m。為了能滿足建筑空間的功能性需求，選擇鋼框架結構構成建筑的外框，運用鋼桁架轉換層實現結構受力的轉換。8層鋼桁架轉換層的設計主旨便是受力轉換的承接，實現由密柱到疏柱的轉換。8層鋼桁架轉換層有著22.5m的大跨度結構，也采用了罕見的轉換層下設置吊掛層，結構設計建模以及參數選取具有一定難度，因此施工計算成為了工程設計與建設中的難點問題。相較于傳統(tǒng)鋼結構施工來說，鋼桁架轉換層施工在施工控制方法方面更加重要，結合控制方法的桁架施工分段計算以及桁架節(jié)點驗算等都會對控制方法帶來影響。

二、超高層建筑鋼桁架轉換層逆向施工技術方案

1.施工問題及方法闡述

該項目結構為框架—核心筒結構，外部框架為鋼結構，1～8層為巨柱角柱組合，8層以上的結構負載將會傳遞到基礎中。為了能夠達到軸線轉換需求，8層需要設計鋼桁架轉換層，1～5層屬于大空間結構，但在此之上的樓層，結構的功能也有了變化，樓板重量進一步提高。為了能夠滿足1～5層結構需求，地面結構不設計支撐柱，選擇吊柱將其固定在鋼桁架轉換層，使其成為6～7層荷載向組合巨柱傳遞的媒介。鋼桁架轉換層使得建筑結構的柱網設計也有了變化，建筑功能也實現了轉變，這也為超高層建筑設計功能性做好了鋪墊，吊柱設計不僅確保低層建筑大空間功能需求，同時上層空間的設計空間也有了進一步拓展。

鋼桁架轉換層的施工方法如下：1）桁架吊裝。桁架吊裝相交于其他方法來說更加便利，只需要在地面進行拼裝，再通過吊裝的方式安裝為整體即可;2）懸挑施工。這也是目前的一種新型方法，在鋼結構施工中應用較為廣泛，結構不斷向外延伸進行安裝;3）施工支撐設計。施工支撐是鋼桁架轉換層施工的主要手段，在需要支撐的結構下方搭設型鋼支撐，為鋼桁架施工提供平臺。在該項目中，吊車能力受限無法采用整體吊裝的方案，懸挑施工針對柱的抗彎型具有一定要求，所以選擇臨時施工支撐設計的方案。而這也使得鋼桁架轉換層的最高跨度達到了22m以上，所以桁架體積與重量也有了提高，在實際施工中需要采用分步安裝法，根據由下至上的流程，吊柱施工需要在6層和7層框架梁施工結束后再進行吊柱安裝，將樓面荷載傳遞到轉換層桁架，但這也迎來了一個難題，轉換層桁架施工前無法實現吊柱安裝，轉換層桁架也無法承載荷載，對此需要找到一個新的控制方法來替換傳統(tǒng)方法。

2.吊柱施工方案

建筑的正常使用需要由設計到施工所有結構都能達到受力及傳力要求，不同構建有著不同定位，在某一位置負責傳力工作。鋼吊柱施工也需要利用這一機制來達到建筑要求，據上述來看，吊柱施工的開展仍然需要解決一些問題，而面對這些問題，理想的施工過程如下：1）吊柱施工理想結果。先完成吊柱安裝，再進行鋼桁架轉換層施工，在完成施工后能夠順利達到施工預期效果;2）實現理想結果的阻礙。鋼桁架轉換層重量過大，安裝只能現場拼接，所以需在轉換鋼桁架下弦全部節(jié)點設計支撐;3）如何規(guī)避這一阻礙。轉換層鋼桁架安裝過程中，受壓臨時支撐轉變?yōu)槭芾踔?4）規(guī)避阻礙的可用條件。轉換層鋼桁架安裝下弦設計的臨時支撐，若能實現受壓臨時支撐轉變?yōu)槭芾е?，那么就可以達到理想結果。

3.技術方案整合與評價

根據上述施工控制方法的研究，能夠設計一個轉換桁架施工中的逆向施工方法，具體程序如下：1）先實現1～7層的框架梁及柱結構施工，以及臨時支撐桁架和吊柱安裝;2）根據吊柱和臨時支撐構成的支撐平臺，實施轉換桁架施工;3）在桁架轉換層作業(yè)結束后，進行桁架卸載;4）完成桁架卸載后實施桁架上部結構施工，拆除臨時支撐;5）在轉換桁架下?lián)线_到最高時焊接吊柱，并完成上部結構的后續(xù)環(huán)節(jié)，拆除臨時桁架和5～6層樓板。

技術方案的評價如下：1）一改傳統(tǒng)施工中依賴外部施工支撐的現狀，運用吊柱當作施工支撐，施工成本有了進一步控制，施工效率也有了提高;2）在連接板中設計長圈孔，利用調節(jié)螺栓的方式達到桁架下移的要求，實現桁架的快速卸載;3）逆向施工法的運用使得桁架轉換施工有效滿足了上下結構同步開展的要求，施工效率也進一步提高。

三、超高層建筑鋼桁架轉換層逆向施工控制策略

施工控制理論能夠使工程能夠在多種不確定因素之下完成預期功能，當前控制理論經過不斷的發(fā)展已經有了很多分支，以基本的理論和方法來看，分為最優(yōu)控制、線性系統(tǒng)理論及自適應控制等。在該項目中，具體的施工控制內容與方法如下：

1.施工控制內容

施工控制內容主要包括構件的應力與形變等參數，將安全施工作為基本要素，針對結構的應力和應變等進行控制，確保施工期間的應力應變能夠穩(wěn)定在合理區(qū)間，一同作用在建筑的全部施工環(huán)節(jié)。

（1）變形控制

該工程中構件的形變現象基本難以規(guī)避，而如何將結構變形量控制在合理范圍中就成為了一個重要問題。為了能夠避免施工期間結構的嚴重變形，一般可以在施工之初利用預應力構件、設計預調值等方式來進行控制。桁架轉換層的變形控制一般要選擇拼裝過程的反變形來實現。

（2）應力控制

構件的界面形式選擇一般需要考慮受力方式，若選擇的構件受力轉變的非正確方案，可能會存在嚴重的質量或安全問題。因此構件應力重分布需要進行全面監(jiān)測，反饋監(jiān)測數據并進行理論計算值的分析，對下一施工的所需條件進行整改。

（3）穩(wěn)定控制

建筑失穩(wěn)可能會導致傾斜、塌陷等嚴重問題，而引起失穩(wěn)的因素很可能僅僅是某一個構件。如法國戴高樂機場候機大廳便是一個典型的案例?，F代建筑尤其是超高層建筑，不但要考慮好建筑結構的強度與剛度，同時穩(wěn)定性也非常重要，只有保障建筑穩(wěn)定性，才能確保施工與運行的安全性。

（4）卸載控制

根據TRIZ理論，吊柱是施工過程中的主要支撐結構，但兩個桁架構件的銜接位置也需要設計支撐輔助系統(tǒng)，從而與吊柱一同實現結構的有效支撐，確保桁架施工能夠快速完成。對此需要對桁架的施工特征進行分析，設計輔助支撐系統(tǒng)，為規(guī)避平面外失穩(wěn)等問題，支撐需要設計在框架梁上。臨時支撐架利用外框架和核心筒的連接框架梁作為平面外失穩(wěn)的穩(wěn)定結構，臨時支撐架結構一般包含了臨時傾撐、臨時支撐柱、臨時鋼梁等，在桁架施工結束后需要進行及時卸載。施工支撐的卸載與受力轉換及應力重分布相關，也會受施工現場環(huán)境因素影響，難以同時完成所有支撐的卸載，因此選擇科學的卸載控制方案至關重要。

2.施工控制方法

超高層建筑鋼桁架轉換層逆向施工控制方法在其基本思路上有著開環(huán)、閉環(huán)、自適應三種控制模式。超高層建筑對于建設質量具有更高要求，并且鋼桁架轉換層的應用使得整體施工過程變得更為冗雜，結構形式的轉變使得施工中也增添了一些不確定因素。該項目的施工控制以閉環(huán)控制為主，以自適應控制為輔。

（1）開環(huán)控制

開環(huán)控制是一種常見的施工控制方法，經過理論計算和分析之后，結合現有的設計參數進行計算，獲得結構的理想狀態(tài)，同時對結構施工中的盈利應變分布進行調節(jié)，掌握施工過程的穩(wěn)定狀況。在完成施工后，投運的結構可以達到結構設計的預期效果，內力穩(wěn)定性較強。

（2）閉環(huán)控制

超高層建筑相較于尋常建筑來說更為復雜，所以無法單純依賴經驗施工的方式完成控制，需要采用模擬軟件對施工全過程進行模擬，但模擬過程也可能具有一定局限，需要針對可能出現的誤差進行調節(jié)，尋找更適合項目的施工控制方法。

（3）自適應控制

閉環(huán)控制能夠滿足很多超高層建筑施工需求，但相比之下自適應控制也非常適合本項目施工，利用現代計算機監(jiān)測控制的功能，對施工各環(huán)節(jié)實施動態(tài)化監(jiān)控，將得到的狀態(tài)參數信息向操作人員反饋，結合實際參數來調整計算模型參數。自適應控制的理論研究目前也取得了可喜的成果，但該系統(tǒng)仍然需要進一步改進，針對很多空間鋼結構來說，閉環(huán)控制為主，自適應控制為輔的方法更加適宜。

結論：

目前，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的全面推行，鋼結構建筑作為綠色施工技術的一種也獲得了廣闊的發(fā)展空間，而建筑的高層化也早已成為了一個主流趨勢，這使得鋼結構高層建筑也應運而生。鋼桁架轉換層結構的受力形式較為簡單，結構空間設計更加靈活，但桁架施工卻存在很多難點問題，因此需要根據現場條件采用逆向施工的技術方案，并做好施工中的控制工作，確保施工目標的圓滿完成。

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