超高層建筑快速施工工藝體系研究與應(yīng)用*

段 鋒，薛曉宏，姜繼果，姜子麒，古 剛

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

為解決日益凸顯的住房需求增加與土體資源短缺的矛盾，越來越多規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)新穎、施工難度大的超高層建筑拔地而起[1]。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展與城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛推進，施工速度成為繼數(shù)量、高度后人們對超高層建筑的又一追求，但目前少有學(xué)者研究總結(jié)超高層快速施工技術(shù)，關(guān)于快速施工的研究主要集中在隧道、公路、橋梁等領(lǐng)域[2-5]，如岳萬友等[6]通過對隧道錨智能化快速施工進行研究，使隧道錨施工工期大幅度縮短；張永水等[7]從結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)組合兩方面對高海拔峽谷地帶橋梁快速施工工藝進行比選，最終得出最優(yōu)組合。

本文以綠地絲路全球文化中心項目為背景，從施工、管理及資源優(yōu)化3方面闡述新技術(shù)、新工藝及基于智能建造理論的信息化施工技術(shù)在超高層建筑不同施工階段的應(yīng)用，形成超高層建筑快速施工工藝體系，以期為同類工程的快速施工設(shè)計、實施與管理提供參考。

1 工程概況

綠地絲路全球文化中心項目位于西安市灞橋區(qū)奧體中心東南側(cè)，西鄰杏渭路，南鄰下雙寨村，為第十四屆全運會配套項目，包括2棟超高層、1棟高層、1棟多層商業(yè)及裙房和地下車庫。

2棟超高層對稱設(shè)計，均為矩形鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，地下2層，地上36層，建筑高度160m，核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外框架由矩形鋼管混凝土框架柱、H型鋼梁及桁架樓層板組成。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果

2 施工重難點

1)超高層機械設(shè)備布置和垂直運輸設(shè)備管理 本工程建筑高度大，2棟超高層塔樓高度約160m，塔式起重機單次吊運時間長，塔樓鋼結(jié)構(gòu)工程量大，吊次多，因此塔式起重機的選型、布置和使用時長是影響工程進展的重要因素。本項目垂直運輸量大，施工電梯需求量大，超高層塔樓施工電梯單次往返時間長，合理布置和使用電梯、提高工效是施工組織管理的重點。

2)超高層混凝土泵送施工 本工程設(shè)備機房高151.6m，混凝土強度等級高達C60，泵送層數(shù)為36層，泵送高度大、混凝土坍落度大、泵送困難，因此高性能混凝土配合比的研究、配制及泵送施工是項目施工的重點。

3)立體交叉施工 本工程施工內(nèi)容多，裝修及安裝標(biāo)準(zhǔn)較高，技術(shù)含量也較高。各工序間包括立體、水平及專業(yè)交叉作業(yè)，因此，確保好各專業(yè)間的協(xié)調(diào)配合、交叉施工起至關(guān)重要的作用。

4)工期緊、施工量大 本工程作為獻禮第十四屆全運會項目，工期緊，因此，加快施工進度是本項目的首要難題。

3 超高層建筑快速施工工藝體系

快速施工工藝體系主要由施工、管理及資源優(yōu)化技術(shù)組成。施工技術(shù)包括施工圖深化階段的信息化施工技術(shù)，基礎(chǔ)施工階段的超厚筏板鋼筋支撐技術(shù)，主體施工階段的新型核心筒結(jié)構(gòu)體系、塔樓液壓爬模技術(shù)、側(cè)拋免振鋼管混凝土澆筑技術(shù)；管理技術(shù)包括交叉施工管理、工序質(zhì)量管理、基于傾斜攝影的進度管理、信息化管理；資源優(yōu)化技術(shù)包括人員的合理調(diào)配、材料及設(shè)備的合理選型。

3.1 快速施工技術(shù)

3.1.1塔樓液壓爬模技術(shù)

液壓自爬模由埋件、埋件支座、模板、架體、平臺、圍護、防傾導(dǎo)向支撐及液壓爬升控制等系統(tǒng)組成。整個平臺、鋼模板、操作掛件通過液壓頂升系統(tǒng)完成自動爬升，減少施工過程中對塔式起重機的依賴，避免模板垂直運輸，節(jié)省勞動力，提高施工效率，縮短整體工期[8]。采用液壓爬模技術(shù)可大幅度降低現(xiàn)場勞動強度，提高各工序施工速度并有效減少工藝間歇，從而提高核心筒結(jié)構(gòu)施工速度。液壓爬模一個爬升周期為：后移模板→自爬模爬升→合模澆筑混凝土→上層鋼筋綁扎→后移模板。

3.1.2側(cè)拋免振鋼管混凝土澆筑技術(shù)

鋼管混凝土柱澆筑常采用泵送澆筑法、高拋免振搗法、人工振搗法和高拋振搗法。其中，泵送澆筑法對鋼管混凝土的施工性能、澆筑設(shè)備及澆筑施工的組織管理水平要求較高；高拋免振法、人工振搗法和高拋振搗法的澆筑時間均較長，且若下一層鋼柱未澆筑完成，上一層鋼柱無法安裝，對施工進度影響較大。采用側(cè)拋免振法澆筑鋼管混凝土可有效解決上述問題。

側(cè)拋免振法即在鋼管混凝土柱頂部側(cè)面適當(dāng)位置開孔，安裝帶截止閥的混凝土輸送管，利用混凝土泵壓力將微膨脹自密實混凝土輸送至鋼管內(nèi)，直至注滿整根鋼管混凝土柱。其工藝流程為：柱頂部開孔→連接截止閥及混凝土輸送管→試配鋼管混凝土→單根鋼管柱混凝土運送到場→現(xiàn)場檢測混凝土坍落度及坍落擴展度→澆筑微膨脹自密實混凝土→混凝土試塊制作→澆筑完成→拆除混凝土輸送管及截止閥→混凝土養(yǎng)護→焊接封口鋼板。

柱頂部開孔朝向建筑內(nèi)側(cè)，且應(yīng)靠近每層樓承板上表面，其中心位置距樓承板600mm，澆筑孔直徑為300mm；在澆筑孔正下方距樓承板100mm位置開設(shè)1個φ20 排氣孔，便于混凝土澆筑時排出鋼管內(nèi)部氣體，如圖2所示。

圖2 鋼管柱開孔示意

3.1.3新型核心筒結(jié)構(gòu)體系

核心筒結(jié)構(gòu)體系施工過程中，通常需將鋼結(jié)構(gòu)的外框架與核心筒連接，以保證核心筒結(jié)構(gòu)強度，同時方便樓層施工，而外框架結(jié)構(gòu)施工中，混凝土結(jié)構(gòu)施工與鋼結(jié)構(gòu)安裝施工交叉較多，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)安裝時與混凝土鋼筋存在避讓和連接的問題，加大施工難度，降低核心筒結(jié)構(gòu)體系的施工效率。

本文提出一種新型核心筒結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系包括核心筒、多個箱形柱及樓板鋼結(jié)構(gòu)，如圖3所示。通過在核心筒外部設(shè)置箱形柱、框架梁和次梁，并配合連接形成核心筒外框架，能避免與內(nèi)部混凝土鋼筋交叉、干擾，保證結(jié)構(gòu)強度的同時簡化外框架的搭建結(jié)構(gòu)，降低施工難度，可有效提高核心筒結(jié)構(gòu)體系的施工效率。

圖3 新型核心筒結(jié)構(gòu)體系

3.1.4超厚筏板鋼筋支撐技術(shù)

本工程筏板厚度可達2 200mm，局部厚度達4 800mm， 筏板鋼筋用量大、自重大，現(xiàn)有筏板鋼筋支撐采用鋼筋馬凳現(xiàn)場焊接制作，該支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超厚型筏板工程，不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，安全性較低，且焊接工程量大，安裝耗費時間較長，經(jīng)濟成本高。

設(shè)計一種新型支撐筏板鋼筋支架，如圖4所示。筏板鋼筋包括上排鋼筋網(wǎng)片和下排鋼筋網(wǎng)片，下排鋼筋網(wǎng)片下方設(shè)置有防水保護層；支架包括支撐于上、下排鋼筋網(wǎng)片間的基礎(chǔ)支撐架，該基礎(chǔ)支撐架包括多根立柱及多根橫梁，立柱沿左右方向和前后方向陣列布置，兩個方向相互垂直，各橫梁沿左右方向延伸并安裝于立柱上，且多根橫梁沿前后方向間隔布置，橫梁與上排鋼筋網(wǎng)片抵接，立柱下端穿過下排鋼筋網(wǎng)片并伸入防水保護層。該支架具有剛度大、平整度好的優(yōu)點，不僅穩(wěn)定性高，安全可靠，且可在場外加工成型，無需現(xiàn)場焊接，減少了工程量，安裝方便快捷，既能縮短工期又能節(jié)約成本。

圖4 支撐筏板鋼筋支架結(jié)構(gòu)

3.1.5信息化施工技術(shù)

施工圖深化階段應(yīng)用BIM模型提高各專業(yè)間的協(xié)同深化設(shè)計能力，有效保證設(shè)計與施工協(xié)調(diào)，由計算機自行完成管線與結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的碰撞檢查，大大提高管線綜合設(shè)計的技術(shù)解決能力，避免施工過程中可能會出現(xiàn)的管線碰撞問題，將返工率降到最低，減少不必要的工期浪費。三維模型和虛擬動畫可使施工人員更加直觀地了解復(fù)雜部位的施工方案，從而準(zhǔn)確施工，加快施工進度。管線碰撞檢查與優(yōu)化如圖5所示。

圖5 管線碰撞檢查與優(yōu)化

借助BIM技術(shù)對施工組織進行模擬，項目管理方能直觀了解整個施工安裝環(huán)節(jié)的時間節(jié)點和安裝順序，并清晰把握安裝過程中的重難點；施工方也可進一步優(yōu)化原安裝方案，提高施工效率，達到快速施工的目的。

3.2 快速建造管理技術(shù)

3.2.1交叉施工管理

根據(jù)工程特點及現(xiàn)場條件，科學(xué)規(guī)劃施工段，合理進行工序穿插以縮短工期，配備足夠的人力、機械、物資等，提高計劃的可實施性，在保證上道工序質(zhì)量的前提下，下道工序提前插入施工。

主體結(jié)構(gòu)驗收后，隨即穿插粗裝修、機電安裝、幕墻等專業(yè)施工，以加快工程施工進度。本項目交叉工作主要有：①主體施工階段中土建與安裝預(yù)留預(yù)埋的交叉，結(jié)構(gòu)與粗裝修、幕墻的交叉；②裝飾施工過程中機電管線敷設(shè)穿插施工。交叉施工時應(yīng)注意防止成品破壞及避免安全事故。

3.2.2工序質(zhì)量管理

工程項目建設(shè)全過程中每道工序質(zhì)量須滿足下道工序相應(yīng)要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，工序質(zhì)量決定最終的產(chǎn)品質(zhì)量[9]，加強質(zhì)量檢查和成品保護，尤其是樣板間的貫徹和施工過程中的監(jiān)督檢查，嚴格控制工序施工質(zhì)量，確保一次驗收合格，杜絕返工。

3.2.3基于傾斜攝影的進度管理

傾斜攝影技術(shù)作為近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，可在施工階段提供建筑外部整體與內(nèi)部構(gòu)件的實景三維模型。通過對比實景三維模型與BIM模型能直觀反映施工現(xiàn)場進度與計劃進度的偏差，項目管理人員能以此為依據(jù)及時糾正，方便管理人員調(diào)整施工計劃和方案，對機械設(shè)備、人員進行隨時調(diào)度，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中的問題隱患，并在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的整改措施，達到縮短工期的目的。

3.2.4信息化管理

本項目采用先進的信息化管理系統(tǒng)，以保證信息管理規(guī)范化、現(xiàn)代化，確保信息的準(zhǔn)確性、及時性、可追溯性，利用現(xiàn)代化信息管理方式，改變傳統(tǒng)管理模式，實時、高效、全面地反映現(xiàn)場施工的實際情況，加強總部管控能力，并高效協(xié)調(diào)總部各方面資源為項目服務(wù)，提高工作效率、管理水平和協(xié)同能力。信息化管理系統(tǒng)包括綜合信息管理(OA系統(tǒng))、網(wǎng)絡(luò)視頻會議、項目計算機局域網(wǎng)、門禁、報警、遠程監(jiān)控等系統(tǒng)。

3.3 資源優(yōu)化技術(shù)

3.3.1人員合理調(diào)配

做好勞動力的動態(tài)調(diào)配工作，抓關(guān)鍵工序，在關(guān)鍵工序延期時，可抽調(diào)一只精干隊伍，集中突擊施工，確保關(guān)鍵線路按期完成。每道工序施工完成后，及時組織工人退場，給下道工序工人操作提供作業(yè)面，做到所有工作面均有人施工。根據(jù)進度計劃、工程量和流水段劃分，合理安排勞動力和生產(chǎn)設(shè)備投入，保證按進度計劃完成任務(wù)。加強班組建設(shè)，做到分工和人員搭配合理，提高工效，既要做到不停工待料，又要調(diào)整好人員安排。

3.3.2材料合理應(yīng)用

1)采用混凝土輕質(zhì)墻板

蒸壓陶粒輕質(zhì)混凝土墻板本身具有其他墻體材料無法比擬的優(yōu)勢，如強度高、表面光滑、整體性好、耐腐蝕、收縮小、抗老化、防火、防水、隔聲、隔熱、保溫及安裝走線方便、可鑿、可切割、可釘掛等。采用混凝土輕質(zhì)墻板可減少現(xiàn)場濕作業(yè)，加快施工進度，減少抹灰層作業(yè)，增加空間使用面積。

2)采用鋁合金模板

本項目核心筒內(nèi)外墻、梁、頂板、標(biāo)準(zhǔn)層樓梯均采用鋁合金模板。與木模板、鋼模板等傳統(tǒng)模板相比，鋁合金模板具有自重小、施工周期短、拼裝速度快、承載力高、整體剛度好、周轉(zhuǎn)次數(shù)多、無需二次抹灰、對垂直運輸設(shè)備依賴小、施工便捷、效率高等特點，可大大提高主體結(jié)構(gòu)施工速度。

3.3.3設(shè)備合理選型

1)混凝土泵送機械選擇

選用超高性能混凝土輸送泵，配合內(nèi)爬式布料機，有效解決高強混凝土強度與可泵性的矛盾，保證混凝土輸送一泵到頂，提高施工效率，保證工期。

根據(jù)泵送出口壓力計算結(jié)果，綠地絲路全球文化中心工程混凝土泵送出口壓力約25.56MPa。選擇混凝土輸送泵時，混凝土泵的最大出口壓力應(yīng)比實際所需壓力高20%左右，多出的壓力儲備用來應(yīng)對混凝土變化引起的異?，F(xiàn)象，避免堵管。超高層建筑的混凝土泵送要求更高，需足夠的壓力儲備，因此，確定主樓混凝土最大出口壓力為32MPa，一方面具有充足的壓力儲備，另一方面在正常工作狀態(tài)下，液壓系統(tǒng)工作壓力≤24MPa，工作可靠性更高，有利于保證工程順利進行。

本項目布置2臺HBT90CH-2135D型混凝土輸送泵，1臺備用，其理論混凝土輸送量為35m3/h，最大混凝土輸送壓力為35MPa，配有2套液壓截止閥+液壓泵站，1套備用。該設(shè)備采用彩色圖形動態(tài)顯示運行參數(shù)，提示故障類型，設(shè)置多重自動保護，且設(shè)有先進的S管閥系統(tǒng)，密封性能好，大大延長了易損構(gòu)件的使用壽命；混凝土活塞自動退回，檢測、更換更便捷，可大大降低人工操作難度，提高工作效率。

2)塔式起重機的選型與布置

為提高施工效率，確保工期，本工程共布置9臺塔式起重機，確保平面全覆蓋及滿足材料吊裝需求。2棟超高層塔樓依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)吊裝質(zhì)量，各安裝1臺ZSL750型動臂塔式起重機、1臺ZSL500型動臂塔式起重機，滿足主體施工、鋼構(gòu)件吊裝和后續(xù)幕墻機電施工的需要。

4 結(jié)語

通過應(yīng)用超高層快速施工工藝體系，在施工圖深化階段借助BIM技術(shù)對施工組織模擬，減少施工階段的返工返修，提高施工效率；在基礎(chǔ)施工階段使用超厚筏板鋼筋支撐技術(shù)，減少現(xiàn)場工作量，既縮短工期又節(jié)約成本；主體施工階段使用液壓爬模技術(shù)、混凝土側(cè)拋免振技術(shù)及新型核心筒結(jié)構(gòu)體系，大大降低主體結(jié)構(gòu)施工難度，提高施工效率。在快速施工技術(shù)的基礎(chǔ)上輔以高效的管理技術(shù)、合理的資源優(yōu)化技術(shù)，三者相輔相成，極大地解決了本項目結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工管理難度大、工期緊的問題，在保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了縮短工期的目標(biāo)，取得良好的應(yīng)用效果。