超高層建筑內(nèi)筒外框上下錯(cuò)層同步施工技術(shù)

文／董琳琳 山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東濟(jì)南 250100

引言：

近年來(lái)，超高層建筑項(xiàng)目的建設(shè)數(shù)量不斷增長(zhǎng)。超高層建筑項(xiàng)目的規(guī)模普遍較大，施工時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，樓層較高，施工較為復(fù)雜，施工建設(shè)期間需要使用多種大型機(jī)械設(shè)備。超高層建筑內(nèi)筒外框上下錯(cuò)層同步施工技術(shù)需要結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，進(jìn)行施工設(shè)計(jì)與工藝的控制，保證工程的順利實(shí)施。

1、超高層建筑工程施工技術(shù)難點(diǎn)及管理中存在問(wèn)題

1.1 空間狹小，專(zhuān)業(yè)穿插多

現(xiàn)代超高層建筑多建在城市中心或繁華地段，多為商業(yè)綜合體，集辦公、酒店、休閑、娛樂(lè)、購(gòu)物等功能于一體，系統(tǒng)復(fù)雜、功能眾多。為了實(shí)現(xiàn)廣泛的建筑功能，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和裝飾較為復(fù)雜。機(jī)電系統(tǒng)本身包含龐大的復(fù)雜系統(tǒng)（包括給排水供暖、建筑電氣、通風(fēng)空調(diào)、智能建筑、電梯等），注重施工中的協(xié)調(diào)。建筑企業(yè)組織超高層建筑施工難度大，總承包管理工作煩瑣，協(xié)調(diào)工作量大。要求總承包單位具有較強(qiáng)的施工組織能力，在有限的時(shí)間和空間內(nèi)，高質(zhì)量、高效率地完成所有施工內(nèi)容。

1.2 施工過(guò)程存在安全隱患

超高層建筑近些年的發(fā)展情況較好，但建設(shè)超高層建筑的企業(yè)內(nèi)部對(duì)建筑的管理技術(shù)不完善，容易出現(xiàn)工程安全問(wèn)題。在工程的建設(shè)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)工作人員安全意識(shí)不足、工程安全保護(hù)措施的設(shè)置等一系列影響工程質(zhì)量與工程建設(shè)安全的問(wèn)題。工程建設(shè)人員是否能夠按照工程規(guī)定的標(biāo)注展開(kāi)施工工作，將直接影響建筑的整體質(zhì)量。

2、工程概況

某工程總建筑面積約482911平方米。塔樓共61層，高298.17米。本工程?hào)|、西兩塔均采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)?？蚣苡?8根混凝土剛性鋼框架柱和鋼筋混凝土梁組成，塔截面呈橢圓形，隨高度變化，標(biāo)準(zhǔn)層高4.2m。

最終本項(xiàng)目采用錯(cuò)層安裝、多輪次提升的施工方法。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1)將外框拼裝施工提前插入，節(jié)約施工工期。（2)將大量高空作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)闃敲媸┕?，有助于質(zhì)量管理及安全管理。（3)提供現(xiàn)場(chǎng)施工連續(xù)性，便于現(xiàn)場(chǎng)的施工組織及管理，節(jié)約成本。

3、施工方法

超高層建筑一般采用核心筒+框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí)，常設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層來(lái)提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度。當(dāng)前高度超過(guò)300m的超高層建筑常通過(guò)設(shè)置鋼框架加強(qiáng)層來(lái)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抗側(cè)力要求。加強(qiáng)層一般采用環(huán)帶框架+伸臂框架的結(jié)構(gòu)形式，因其節(jié)點(diǎn)部位構(gòu)件相貫較多、焊接不便且應(yīng)力大，故常采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。鋼框架加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，構(gòu)件尺寸大，數(shù)量多，鋼板厚，焊接量大，施工工期長(zhǎng)，導(dǎo)致其附加應(yīng)力控制、焊接質(zhì)量控制、巨型鑄鋼節(jié)點(diǎn)安裝和工期控制等成為施工的重點(diǎn)。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)超高層建筑環(huán)帶框架與伸臂框架施工進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和深化，對(duì)鋼框架分段確定小拼單元，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、確定節(jié)點(diǎn)重心及吊繩布置；進(jìn)行施工工況模擬，確定吊裝方案和施工順序，確定伸臂框架終固時(shí)間；采用數(shù)字模擬預(yù)拼裝與工廠預(yù)拼裝技術(shù)控制構(gòu)件加工質(zhì)量；采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)多點(diǎn)吊裝技術(shù)，精確調(diào)整鑄鋼節(jié)點(diǎn)安裝過(guò)程姿態(tài)，確保快速準(zhǔn)確就位；對(duì)鋼框架焊接順序機(jī)械施工模擬和針對(duì)性的焊接工藝評(píng)定，以利于焊接應(yīng)力釋放和減少焊接變形。

3.2 施工工藝

施工工藝為：優(yōu)化與深化設(shè)計(jì)→確定鋼框架安裝順序→吊裝分析及吊索具選擇→鋼框架預(yù)拼裝→巨型鑄鋼節(jié)點(diǎn)多點(diǎn)吊裝→鋼框架安裝→鋼框架焊接施工→焊縫無(wú)損檢測(cè)、驗(yàn)收。對(duì)構(gòu)件分段需綜合考慮以下因素：（1）考慮采購(gòu)鋼板的尺寸，盡量減少鋼板拼接；（2）考慮運(yùn)輸條件限制，構(gòu)件不得超寬超高，托座尺寸須滿(mǎn)足運(yùn)輸要求；（3）綜合考慮塔式起重機(jī)起重能力，充分發(fā)揮其起重性能；（4）現(xiàn)場(chǎng)小拼單元的重量須在起重機(jī)吊裝能力范圍內(nèi)。鋼柱托座的尺寸不超2.8m，以滿(mǎn)足運(yùn)輸要求；分段后弦桿及腹桿均為常規(guī)構(gòu)件，滿(mǎn)足運(yùn)輸要求。

3.3 錯(cuò)層安裝

結(jié)合各層樓板與外框的平面位置關(guān)系，將外框放置在下方樓板上，采用結(jié)構(gòu)預(yù)留、胎架支撐、結(jié)構(gòu)預(yù)留+胎架支撐組合的方式進(jìn)行確定，確定的方式為施工難度及成本費(fèi)用；將全部外框拼裝作業(yè)層選確定畢后，再結(jié)合提升點(diǎn)的布置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化依據(jù)提升的工期、費(fèi)用、施工難度。綜合上述考慮本項(xiàng)目將外框分4個(gè)樓層進(jìn)行拼裝，分別為13.150，22.225，31.280，51.700m，其中前3個(gè)拼裝層需配合進(jìn)行多輪次提升，每層拼裝插入在該層。為適應(yīng)復(fù)雜的樓板結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目共配備五類(lèi)胎架：即找平胎架、短柱胎架，格構(gòu)式胎架、上弦支撐胎架和側(cè)向支撐胎架。為增加胎架的穩(wěn)定性，胎架與下方結(jié)構(gòu)樓板通過(guò)埋件連接，埋件在結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中安裝。找平胎架用于外框與下方樓板問(wèn)距小于10cm的調(diào)平；短柱胎架用于外框與下方樓板間距大于10cm的調(diào)平；格構(gòu)式胎絪用于外框與下方樓板不在同一層樓層時(shí)的支撐與調(diào)平；上弦支撐胎架提供下弦拼裝時(shí)的固定和調(diào)平；側(cè)向支撐胎架用于保證整個(gè)外框的穩(wěn)定。

3.4 多輪次提升

根據(jù)平面位置關(guān)系，將外框分為南北兩個(gè)提升區(qū)，結(jié)合土建施工進(jìn)度先南后北進(jìn)行提升。本項(xiàng)目采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行提升部分力學(xué)計(jì)算。

（1)載荷及載荷組合

計(jì)算被提升外框時(shí)，荷載為結(jié)構(gòu)自重荷載(dead）進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，荷載組合為1.5dead；對(duì)外框進(jìn)行變形驗(yàn)算時(shí)，荷載組合1.Odead。計(jì)算提升支架時(shí)，荷載為提升支架自重(dead)荷載及提升荷載(p)，水平荷載按照吊點(diǎn)荷載的5%進(jìn)行取值。對(duì)提升支架進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，荷載組合為1.3dead+1.5p；對(duì)提升支架進(jìn)行變形驗(yàn)算時(shí)，荷載組合1.Odead+1.Op。

（2)邊界條件

吊點(diǎn)位置施加豎向約束和水平彈簧(彈簧剛度很小，可忽略不計(jì))的形式來(lái)模擬鋼絞線對(duì)吊點(diǎn)的約束。提升支架計(jì)算時(shí)，混凝土柱根部采用剛接約束。根據(jù)提升過(guò)程依次計(jì)算出各次提升進(jìn)行模擬，計(jì)算出每次提升的變形、應(yīng)力比吊點(diǎn)中力，以及提升架的應(yīng)力比，豎向位移及水平位移。

（3)計(jì)算結(jié)果

本論文以第二次外框提升為例進(jìn)行計(jì)算說(shuō)明。結(jié)論：提升工況下，第2次外框提升最大下?lián)霞s9.8mm〈33000/400=82.5，桿件最大應(yīng)力比約0.62〈0.9，滿(mǎn)足施工要求。結(jié)論：最大水平位移約81mm，最大豎向位移約13mm，桿件最大應(yīng)力比約0.54〈0.9，滿(mǎn)足施工要求。根據(jù)上述計(jì)算各個(gè)吊點(diǎn)中力，本項(xiàng)目根據(jù)計(jì)算結(jié)果將中力分為兩類(lèi)：第1類(lèi)為中力值小于40OkN；第2類(lèi)為中力值大于4OOkN，小于1200kN。前者統(tǒng)一按60t配置提升架、提升器及下吊其；后者統(tǒng)一按200t配置提升架，提升器及下吊具。鋼絞線按各點(diǎn)中力分別進(jìn)行配置。根據(jù)上述計(jì)算提升架及混凝土柱強(qiáng)度及位移滿(mǎn)足提升過(guò)程的工況要求，但產(chǎn)生的變形若不采取措施最終難以消除；為了確保提升時(shí)混凝土柱不產(chǎn)生較大變形，本項(xiàng)目在進(jìn)行外框提升時(shí)，在提升點(diǎn)背側(cè)同時(shí)進(jìn)行加載，加載量為提升側(cè)的60%。

圖1 錯(cuò)層同步施工示意圖

3.5 鑄鋼節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下綜合考慮鑄鋼節(jié)點(diǎn)的三圍尺寸和加工鑄造難度、運(yùn)輸條件、構(gòu)件重量等易造成質(zhì)量安全的事項(xiàng)，同時(shí)兼顧安裝及制作成本。原設(shè)計(jì)北側(cè)兩個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)尺寸超長(zhǎng)，外形尺寸達(dá)4000mm×3800mm×5300mm，需采取特殊運(yùn)輸手段，并需臨時(shí)拆除部分途經(jīng)路段，運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)，社會(huì)影響大，會(huì)大幅增加運(yùn)輸成本。根據(jù)BIM技術(shù)深化建模，該鑄鋼件理論重量達(dá)60t，現(xiàn)場(chǎng)單臺(tái)塔式起重機(jī)不能滿(mǎn)足吊裝要求，需改用雙機(jī)抬吊方案，致使工期延長(zhǎng)、危險(xiǎn)性較大且成本增加。為此在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)減小北側(cè)鑄鋼件尺寸范圍，減小部分采用與鋼框架材質(zhì)相同的鋼材制作，經(jīng)計(jì)算能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，這一做法也征得了設(shè)計(jì)單位同意。優(yōu)化后的鑄鋼節(jié)點(diǎn)理論重量約47t，外形尺寸為4000mm×3800mm×3800mm，既滿(mǎn)足了運(yùn)輸要求，也滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)單臺(tái)塔式起重機(jī)的起重性能要求，降低了現(xiàn)場(chǎng)安裝風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 框架安裝順序

核心筒內(nèi)鋼框架加強(qiáng)層施工順序?yàn)椋喊惭b伸臂框架勁型鋼柱→安裝伸臂框架下弦桿→焊接固定后開(kāi)始爬升→澆筑加強(qiáng)層下一層剪力墻混凝土→安裝加強(qiáng)層伸臂框架斜腹桿→安裝上弦桿→澆筑加強(qiáng)層混凝土。外框鋼框架安裝順序?yàn)椋喊惭b塔樓外框鋼柱→安裝鋼框架下弦桿→安裝腹桿小拼單元（或上弦桿與腹桿小拼單元）及腹桿散件→安裝鋼框架上弦桿→采用連接板臨時(shí)連接伸臂框架弦桿、腹桿與核心筒連接端，待結(jié)構(gòu)封頂后焊接封閉。

4、質(zhì)量控制

4.1 錯(cuò)層安裝

胎架安裝時(shí)需嚴(yán)格控制胎架的位置及標(biāo)高。外框拼裝時(shí)采用由點(diǎn)及面的順序進(jìn)行，即先拼主框架，再拼相連的次框架，再拼其他相鄰的外框形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。外框拼裝的拼裝順序依次是下弦、上弦、腹桿。下弦的拼裝為整體外框拼裝精度控制的關(guān)鍵，關(guān)鍵控制兩端坐標(biāo)及標(biāo)高、下弦的起拱值、整體的平整度；下弦整體校正完畢后由中部向外焊接，待下弦全部定位焊接完畢方可進(jìn)行上弦的安裝、上弦需輔以上弦短柱胎架以及側(cè)向斜撐，關(guān)鍵控制兩端坐標(biāo)及標(biāo)高、上弦的起拱值、上下弦的豎向間距、整體的平整度。上弦打底焊接完成后方可進(jìn)行腹桿的安裝校正，腹桿焊接采用先從中向外隔一焊一的方式進(jìn)行，再進(jìn)行其余腹桿焊接的方式進(jìn)行，以防焊接變形影響拼裝精度，同時(shí)拼裝后長(zhǎng)時(shí)間的地面停放可完成大部分焊接應(yīng)力的消除。外框拼裝的質(zhì)量控制主要為拼裝質(zhì)量及焊接變形，施工中需要嚴(yán)控施工過(guò)程，嚴(yán)格按技術(shù)要求進(jìn)行施工。

4.2 多輪次提升

提升時(shí)需要注意如下事項(xiàng)。（1)觀測(cè)液壓提升系統(tǒng)壓力變化情況，定時(shí)做好記錄，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)。（2)上吊點(diǎn)提升平臺(tái)結(jié)構(gòu)工作情況。（3)外框提升過(guò)程的整體穩(wěn)定性。（4)提升鋼絞線的垂直度(應(yīng)控制在±1°以?xún)?nèi))。（5)液壓提升系統(tǒng)設(shè)備的提升同步性。（6)激光測(cè)距儀配合測(cè)量各提升吊點(diǎn)在提升過(guò)程中的同步性。（7)提升承重系統(tǒng)監(jiān)控：提升承重系統(tǒng)是提升工程的關(guān)鍵部件，務(wù)必做到認(rèn)真檢查，仔細(xì)觀察。重點(diǎn)檢查：錨具(脫錨情況，錨片及其松錨螺釘)；導(dǎo)向架中鋼絞線穿出順暢；主油缸及上、下錨具油缸(是否有泄漏及其它異常情況)；缸頭閥塊，軟管及管接頭；各種傳感器及其導(dǎo)線。（8)液壓動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)控：系統(tǒng)壓力變化情況；油路泄漏情況；油溫變化情況；油泵電機(jī)、電磁閥線圈溫度變化情況。

4.3 焊接控制

4.3.1 焊接順序

為確保外框提升后，不因焊接應(yīng)力造成外框發(fā)生較大的變形，同時(shí)為了有效控制焊接應(yīng)力，保證焊接質(zhì)量，本項(xiàng)目按如下原則進(jìn)行提升后焊接施工。

（1)同一外框節(jié)點(diǎn)兩側(cè)嚴(yán)禁同時(shí)焊接。（2)外框焊接需要由外框區(qū)中間向四周擴(kuò)散。（3)外框單側(cè)焊縫完成后，應(yīng)留有空余靜置時(shí)間并進(jìn)行焊縫應(yīng)力消除措施；各提升區(qū)段焊接方向從中心向外。（4)外框區(qū)外圍焊接節(jié)點(diǎn)，焊接施工時(shí)須先焊接下弦，后焊接上弦。

4.3.2 焊接關(guān)鍵控制技術(shù)

本項(xiàng)目為厚板，焊接過(guò)程中須嚴(yán)格控制焊接過(guò)程，須按規(guī)范要求做好預(yù)熱及焊接過(guò)程中層間溫度的控制。預(yù)熱溫度的選擇應(yīng)依據(jù)母材板厚，最低預(yù)熱溫度應(yīng)按下表執(zhí)行，本項(xiàng)目最低預(yù)熱溫度為80℃。

（1)接頭的預(yù)熱溫度應(yīng)不小于規(guī)定的溫度，層間溫度不得大于230℃。

（2)接頭板厚不同時(shí)，應(yīng)按接頭中較厚板的板厚選擇最低預(yù)熱溫度和層間溫度。

（3）預(yù)熱的加熱區(qū)域應(yīng)在焊縫坡口兩側(cè)，寬度應(yīng)大于焊件施焊處板厚的1.5倍，且不應(yīng)小于100mm；預(yù)熱溫度宜在焊件受熱面的背面測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在離電弧經(jīng)過(guò)前的焊接點(diǎn)各方向不小于75mm處；當(dāng)采用火焰加熱進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，正面測(cè)溫應(yīng)在火焰離開(kāi)后進(jìn)行。

（4）當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃但不低于-10℃，應(yīng)采取加熱或防護(hù)措施，應(yīng)確保接頭焊接處不小于2倍板厚且不小于100mm范圍內(nèi)的母材溫度，不低于20℃或規(guī)定的最低預(yù)熱溫度二者的較高值，且在焊接過(guò)程中不應(yīng)低于這一溫度。

（5)焊接過(guò)程中層間溫度的控制

厚板焊接時(shí)，因母材的冷卻速度較快，造成溫度下降，為了使焊接的層間溫度一直保持在200-230℃之間，采用數(shù)顯測(cè)溫儀，隨時(shí)對(duì)焊接點(diǎn)的前后方向，側(cè)面進(jìn)行測(cè)溫。必須注意：預(yù)熱溫度和層間溫度必須在每一焊道即將引弧施焊前加以核對(duì)。

（6)本項(xiàng)目為厚板焊接，需要進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定進(jìn)行

后熱溫度應(yīng)為200～250℃，保溫時(shí)間應(yīng)依據(jù)工件板厚按每25mm板厚不小于0.5h、且總保溫時(shí)間不得小于lh確定，本項(xiàng)目多為60mm厚板，最低須保溫1.5h。達(dá)到保溫時(shí)間后應(yīng)緩冷至常溫；后熱處理應(yīng)于焊后立即進(jìn)行。后熱的加熱范圍為焊縫兩側(cè)各1O0mm，溫度的測(cè)量應(yīng)距焊縫中心線5Omm處進(jìn)行。焊縫后熱達(dá)到規(guī)定溫度后，用石棉布或保溫棉等將焊縫按規(guī)定時(shí)間保溫，然后使焊件緩慢冷卻至常溫。

結(jié)語(yǔ)：

在外框施工中，傳統(tǒng)的胎架高空拼裝存在很大的局限性。對(duì)于外框下方空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、凈空較大的外框結(jié)構(gòu)采用“錯(cuò)層安裝+多輪次提升”的施工方法必將成為新的發(fā)展趨勢(shì)。該技術(shù)有效降低措施量，節(jié)約措施2000余t，提前插入拼裝尷工，縮短項(xiàng)目施工工期2個(gè)月，降低施工成本，有很高的推廣價(jià)值。該工程的施工為其他工程的類(lèi)似工程打下了基礎(chǔ)，有利于推動(dòng)大跨度重型外框結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。