高風(fēng)壓區(qū)域塔冠設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù)

李士江LI Shi-jiang；樂藝LE Yi；速宇SU Yu

（中交（廈門）投資有限公司，廈門 361022）

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)進(jìn)程加快，層高300米左右的超高層建筑不斷涌現(xiàn)，作為城市發(fā)展的地標(biāo)型建筑。由于我國各城市地理因素差距較大，超高層建筑的設(shè)計(jì)還需結(jié)合高風(fēng)壓區(qū)域的特性，對建筑造型、功能、外觀等加以調(diào)整，以此來凸顯城市形象。在BIM技術(shù)、智能技術(shù)、AI技術(shù)等支持下，超高層建筑高風(fēng)壓區(qū)域塔冠設(shè)計(jì)技術(shù)日益成熟，在確保塔冠強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)塔冠創(chuàng)新設(shè)計(jì)，降低施工難度，該方面具有較高的研究價(jià)值?；诖耍疚囊詮B門市集美新城超高層建筑工程項(xiàng)目為例，對其高風(fēng)壓區(qū)域塔冠設(shè)計(jì)及施工技術(shù)進(jìn)行以下探究。

1 工程概況

廈門市的超高層建筑工程項(xiàng)目將在集美新城的核心區(qū)域落地，與集美行政文化中心和軟件園為鄰，打造集美新城規(guī)劃的白鷺西塔項(xiàng)目。是集高檔酒店、辦公、商業(yè)于一體的大型商務(wù)、購物中心，建成后將成為島外第一高樓，市內(nèi)第三高樓。

該項(xiàng)目由中交集團(tuán)負(fù)責(zé)承建，中交建筑有著豐富的超高層建筑經(jīng)驗(yàn)，北京金輝大廈就出自中交之手，已經(jīng)穩(wěn)定使用兩年多。這次項(xiàng)目由中交集團(tuán)第一次完全自主進(jìn)行投資、建設(shè)、運(yùn)營，項(xiàng)目整體的設(shè)計(jì)規(guī)劃是由曾負(fù)責(zé)國內(nèi)第一高樓“上海中心大廈”設(shè)計(jì)的晉思建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司和華東建筑設(shè)計(jì)研究院強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合組成的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)。

該項(xiàng)目占地面積約3.41萬平方米，其中建筑密度占49%，綠地覆蓋率為15%，總建筑面積約占24萬平方米，建筑主體由一棟超高層塔樓、一棟五層的購物中心、三層的整體地下室組成。其中，主塔樓集5A級辦公樓、五星級大酒店于一體，有47層，高度為266米，建筑面積約為9萬平方米，一樓高度12米，作為大樓公共大堂使用，二樓高度和一樓一致，作為酒店宴會(huì)大廳使用，4～25樓標(biāo)準(zhǔn)高度4.2米，作為辦公樓使用，27樓以上標(biāo)準(zhǔn)高度4米，作為酒店使用。三樓、十五樓、二十六樓、三十四樓、四十二樓高度為6米，作為建筑避難層使用，四十五樓高度15米，作為酒店的空中大堂使用，四十六樓高度12米，作為酒店的空中餐廳使用。購物中心的高度為35.85米，最大長度約為180米，最大寬度約為120米，建筑面積約為5萬平方米。地下室的建筑面積約為9.5萬平方米，由地下商業(yè)區(qū)域、停車場、機(jī)房、人防工程等構(gòu)成，屬于典型的地下工程。

2 高風(fēng)壓區(qū)域塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

2.1 鋼結(jié)構(gòu)模型

超高層主體塔樓高47層，建筑高度為266米，屬于超限高層建筑。塔樓的整體結(jié)構(gòu)采用了底部圓鋼管混凝土框架+鋼外框梁+鋼筋混凝土核心筒的混合結(jié)構(gòu)體系建造；建筑外形為上小下大的塔型結(jié)構(gòu)，平面上的尺寸變化明顯，加大了爬模、施工升降機(jī)的爬升難度；并且在塔樓的頂部區(qū)域設(shè)計(jì)有高度29米的塔冠，由于廈門的特殊地理環(huán)境和夏季臺風(fēng)因素的影響，從而對塔冠設(shè)計(jì)的安全性方面要求極為嚴(yán)格。塔冠的主要支撐結(jié)構(gòu)由上反環(huán)桁架、外框桁架和鋼架內(nèi)筒構(gòu)成，需要約為600噸鋼材，且鋼材尺寸極大，大大增加了運(yùn)輸、安裝工作的困難性。塔樓頂部的酒店大堂高度長達(dá)15米，面積約為1482平方米，因?yàn)樵摽臻g要求滿足安全、私密、舒適的環(huán)境外還要實(shí)現(xiàn)通透共享的條件，從而加大了設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)難度，提升了整體的專業(yè)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的要求。

2.2 結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

此項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)相對而言非常復(fù)雜，施工體量也比較大，所以深化設(shè)計(jì)的工作重要程度就顯得尤為突出。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)塔樓的深化設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合工程后期的進(jìn)度還有塔吊的使用率，在鋼結(jié)構(gòu)塔樓主體開始施工時(shí)，將塔吊盡可能分配到鋼結(jié)構(gòu)施工方面。施工中結(jié)構(gòu)的預(yù)調(diào)整值不是一成不變的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的調(diào)整范圍，及時(shí)進(jìn)行細(xì)節(jié)方面的調(diào)整，使塔樓主體鋼結(jié)構(gòu)階段性完工時(shí)，形態(tài)、數(shù)值符合結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)有的原始位形。鋼結(jié)構(gòu)鋼材部件的運(yùn)輸要根據(jù)塔吊和安裝的方式來進(jìn)行分段處理，結(jié)構(gòu)部件的分段尺寸、重量要在塔吊的承受范圍內(nèi)，然后用塔吊安裝連接用的鋼件和材料，在現(xiàn)場進(jìn)行拼裝、組裝，然后進(jìn)行合理的焊接。

在做與土建結(jié)構(gòu)銜接的施工時(shí)，要注意鋼筋接駁器是不是土建專用的；過程現(xiàn)場有沒有栓釘焊接不方便；鋼筋的孔眼有沒有被穿過；一些固定模板所需要的連接件有沒有準(zhǔn)備好；樓板混凝土所需要的鋼支撐等等。機(jī)電工程的施工要注意：機(jī)電設(shè)備的基座要與鋼結(jié)構(gòu)的板件連接；預(yù)留機(jī)電管線穿過結(jié)構(gòu)件的孔洞和對開孔要進(jìn)行加固處理；連接件需要提前設(shè)計(jì)留好位置。幕墻結(jié)構(gòu)要注意開孔、鋼結(jié)構(gòu)主體的連接、固定板件等要滿足鋼結(jié)構(gòu)制作方面和安裝方面的施工精確度。

2.3 基于BIM全過程設(shè)計(jì)流程

超高層的塔冠結(jié)構(gòu)為空間管桁架結(jié)構(gòu)，先從SketchUp模型中提取塔體外幕墻的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在Rhino中用提取的點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行塔冠模型的搭建，然后計(jì)算分析MIDAS Gen模型，如果總體結(jié)構(gòu)布置合理，再進(jìn)行二次結(jié)構(gòu)的Rhino+CAD細(xì)化建模和MIDAS Gen分析，然后評估結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果，再把MIDAS Gen結(jié)構(gòu)的構(gòu)件模型導(dǎo)出為IFC標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行NAVISWORKS碰撞測試，最后利用節(jié)點(diǎn)ANSYS進(jìn)行有限元分析，把MIDAS Gen結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到TEKLA進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。

圖1 塔冠結(jié)構(gòu)模型

3 高風(fēng)壓區(qū)域塔冠結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

3.1 靜力分析

本項(xiàng)目高風(fēng)壓區(qū)域塔冠受到的靜力包括：一是水平風(fēng)荷載，高壓風(fēng)氣流將會(huì)直接透過檁條作用在塔冠的環(huán)梁，使得環(huán)梁持續(xù)受力，支座位置受力產(chǎn)生彎矩。在正常風(fēng)壓下，內(nèi)環(huán)梁受拉力影響，外環(huán)梁壓力不明顯；高風(fēng)壓區(qū)內(nèi)環(huán)梁受壓力影響，外環(huán)梁承擔(dān)拉力，以此來維持風(fēng)荷載平衡。在塔冠結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到高風(fēng)壓區(qū)域內(nèi)外環(huán)梁水平彎矩，并對相應(yīng)的構(gòu)造進(jìn)行了強(qiáng)化。高風(fēng)壓區(qū)域側(cè)立面弦桿承受較大的力，在內(nèi)外環(huán)梁拉力的作用下，可能會(huì)產(chǎn)生較大彎矩，且彎矩程度逐層疊加，最底層彎矩最大。

3.2 動(dòng)力分析

高風(fēng)壓區(qū)域塔冠需充分采用抗風(fēng)設(shè)計(jì)，盡可能減少幕墻附近的構(gòu)架，防止構(gòu)件出現(xiàn)損壞后波及其他區(qū)域，造成范圍性的破壞，影響塔冠的整體安全。因此，本項(xiàng)目工程為了達(dá)到動(dòng)力設(shè)計(jì)要求，應(yīng)力比參數(shù)嚴(yán)格控制在0.5至0.9之間，外環(huán)梁最大應(yīng)力比為0.84，角腹桿應(yīng)力比在0.5左右，留下足夠的安全冗余度，使得塔冠在建設(shè)完成后在高風(fēng)壓區(qū)域具有更強(qiáng)的承受力。當(dāng)高風(fēng)壓達(dá)到一定程度時(shí)，立面支撐結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載影響產(chǎn)生變形，向內(nèi)側(cè)產(chǎn)生剪切作用，各個(gè)構(gòu)件相互擠壓，因此需根據(jù)動(dòng)力情況考慮變形因素，盡可能使得各板塊滿足變形限值條件。

4 高風(fēng)壓區(qū)域塔冠施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工流程

圖2 高風(fēng)壓區(qū)域塔冠設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù)路線圖

一是總體的技術(shù)路線：超高層塔樓主體結(jié)構(gòu)安裝中部的支撐框架，其中，材質(zhì)為Q345GJC的勁性鋼柱22根，當(dāng)鋼柱存在變截面時(shí)，要把鋼柱分成兩段用塔吊進(jìn)行吊裝，中部支撐框架的鋼梁和斜撐不用分段。完成中部的支撐框架安裝后，就可以進(jìn)行外幕墻支架和屋面梁的安裝。外幕墻支架有著25.25米的高度，為了方便使用塔吊，要分成兩段來進(jìn)行安裝。第一段的標(biāo)準(zhǔn)高度為253.75米～267.48米，為了保證穩(wěn)定性采用臨時(shí)的硬支撐，當(dāng)?shù)谝欢握w形成體系以后，就可以利用核心筒里的兩步塔吊來配合安裝第二段的支架，標(biāo)準(zhǔn)高度為267.48米～279米，兩段外幕墻支架完成安裝形成環(huán)形以后，就可以對頂部的屋面梁進(jìn)行吊裝。

二是魚腹式桁架吊裝路線：當(dāng)?shù)谝欢文粔Φ闹Ъ馨惭b到位以后，在塔吊不會(huì)松鉤的情況下可以進(jìn)行斜向圓管硬支撐的安裝。RF1層和硬支撐通過埋件進(jìn)行相連，支撐與幕墻支架的連接要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求的尺寸來做焊接。當(dāng)相鄰的幕墻支架安裝完畢以后，開始安裝兩榀支架之間的橋梁，可以通過臨時(shí)的連接板把第一段幕墻支架和第二段幕墻支架連接起來。下部的幕墻支架經(jīng)過吊裝安裝后，開始進(jìn)行安裝上部幕墻支架，當(dāng)屋面梁幕墻的豎向支撐完成配套安裝以后，就可以吊裝支撐作用的鋼梁了。幕墻的支撐和鋼梁是使用擱置板和臨時(shí)的連接板，所以在校正工作完成以后及時(shí)使用電焊進(jìn)行焊接或者使用高強(qiáng)螺栓固定。

4.2 組織分工

為了使鋼結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案順利、完整的實(shí)施，作為投資承建方的中交集團(tuán)重金聘請了科技公司，采用了先進(jìn)的三維過程管控系統(tǒng)對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測的方案，系統(tǒng)會(huì)把監(jiān)測的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到BIM平臺，發(fā)生預(yù)警情況會(huì)立即自動(dòng)向監(jiān)理人員、設(shè)計(jì)人員、承包方報(bào)備。

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測

為了保證安全、可靠、滿足質(zhì)量要求的安裝鋼結(jié)構(gòu)，工程項(xiàng)目部在應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)測功能的基礎(chǔ)上又增加了人工測量，對人工測量數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，雙保險(xiǎn)來確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。并在鋼結(jié)構(gòu)桁架的主要受力點(diǎn)位安裝了應(yīng)力應(yīng)變片，與數(shù)據(jù)監(jiān)控器相連，受力數(shù)據(jù)全部上傳到BIM平臺，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)掌握鋼結(jié)構(gòu)形變的目的，做到鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生形變時(shí)能夠及時(shí)地采取方案措施應(yīng)對。做好鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變數(shù)據(jù)和鋼結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)采集、分析，如果變形數(shù)據(jù)超過可控制范圍的數(shù)值，模型中會(huì)發(fā)出紅色的預(yù)警提示，施工單位負(fù)責(zé)人員就可以根據(jù)預(yù)警出現(xiàn)的位置進(jìn)行數(shù)值調(diào)控。除了對鋼結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測外，還使用了BIM 5D系統(tǒng)平臺對安全質(zhì)量進(jìn)行全方位的監(jiān)控，安全質(zhì)量關(guān)乎所有工程人員，要加強(qiáng)所有工程人員的安全責(zé)任心，方便對工程項(xiàng)目進(jìn)行更好的管理。

5 高風(fēng)壓區(qū)域塔冠施工質(zhì)量控制手段

廈門集美新城的超高層建筑項(xiàng)目，在建筑的頂部高風(fēng)壓區(qū)域設(shè)計(jì)有高度29米的塔冠，塔冠對于高層建筑具有特殊的造型和功能。塔冠的設(shè)計(jì)可以直接影響整個(gè)高層建筑的設(shè)計(jì)方案，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代超高層建筑的塔冠造型也越來越大膽、復(fù)雜、多樣化，比如武漢中心和深圳平安金融中心的塔冠建造就采用了鏤空、懸掛的方式。由于廈門的特殊地理環(huán)境和夏季臺風(fēng)因素的影響，塔冠的設(shè)計(jì)和要求也極其嚴(yán)格，比如：塔冠對整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響；塔冠結(jié)構(gòu)的抗震性能；塔冠支座的嵌固作用；塔冠的風(fēng)荷載對他樓結(jié)構(gòu)的影響等，這些問題、因素都要方方面面地考慮到。塔冠為鋼結(jié)構(gòu)主體，大約需要使用600噸的鋼材，這些鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)量極多，連接方式也極其復(fù)雜，所以，在工程安裝過程中容易出現(xiàn)偏差與結(jié)構(gòu)件變形產(chǎn)生的連接問題、冷脆問題、焊接問題、材料缺陷問題等。同時(shí)這些問題又容易造成鋼結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生安全事故，因此對于此項(xiàng)目的塔冠結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制方面主要有以下兩點(diǎn)：

5.1 施工精度控制

塔冠的施工都是在幾百米的高空完成安裝，因此對施工方案的可行性、安全性、科學(xué)性都要做到精準(zhǔn)地控制，可以借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行施工程序的模擬與科學(xué)分析，在原有方案的基礎(chǔ)上及時(shí)做出改進(jìn)。而且在施工的過程中，要對鋼結(jié)構(gòu)主體還有跨度比較大的鋼桁架施工結(jié)構(gòu)的安裝進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督檢測，對工程施工過程中各個(gè)控制點(diǎn)位的坐標(biāo)位置和變形程度的控制，進(jìn)行精度的監(jiān)測。保證鋼結(jié)構(gòu)主體完成施工以后，各個(gè)主控制點(diǎn)的坐標(biāo)位置和變形程度能滿足設(shè)計(jì)時(shí)的需要。

5.2 焊接工藝控制

根據(jù)施工環(huán)境為227～260米的高空作業(yè)，再結(jié)合工程施工的特性，在進(jìn)行焊接施工時(shí)使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，該方式的應(yīng)用操作方面極其簡單，工作效率高，適合自動(dòng)焊和全方位的焊接。然而高空中風(fēng)力的影響會(huì)造成二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的保護(hù)不夠，所以施工時(shí)要盡量來避免風(fēng)力的干擾。防風(fēng)控制是二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工作質(zhì)量的關(guān)鍵所在，當(dāng)焊接工作區(qū)域受到風(fēng)速影響手工焊超過8米/秒，二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊超過2米/秒時(shí)，要及時(shí)使用防風(fēng)棚或者采用其他防風(fēng)的方案。比如，可以利用焊接把焊接平臺做成一個(gè)半封閉的狀態(tài)，能夠有效減少大風(fēng)帶來的影響，當(dāng)風(fēng)力超過六級時(shí)要馬上停止高空作業(yè)。因?yàn)榧佬鲁桥R近東海，所以在七月份時(shí)降雨會(huì)較多，空氣濕度也會(huì)有較大提升，當(dāng)空氣濕度大于85%時(shí)，焊接容易產(chǎn)生各種缺陷，所以可以在半封閉平臺處進(jìn)行局部除濕，來保障焊接工作的順利進(jìn)行。

6 結(jié)論

綜上所述，本文通過對廈門市集美新城建筑工程項(xiàng)目進(jìn)行探究，提出了新的高風(fēng)壓區(qū)域塔冠設(shè)計(jì)，選擇了施工關(guān)鍵技術(shù)，制定了施工方案。該項(xiàng)目塔冠設(shè)計(jì)合理，承受力較強(qiáng)，選擇合適的塔機(jī)、起重設(shè)備，能夠確保塔冠的順利施工，整體建筑既具有新時(shí)代城市的特點(diǎn)，又具有較高的結(jié)構(gòu)變形矯正能力。在未來建設(shè)與發(fā)展中，超高層建筑將會(huì)進(jìn)一步向著300米以上進(jìn)發(fā)，推動(dòng)城市向著建筑更高、經(jīng)濟(jì)發(fā)展更快、人民生活更加富足的方向發(fā)展，對該類案例進(jìn)行研究可為同類型塔冠施工提供借鑒。