鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在高層建筑施工中的應(yīng)用研究

【摘要】鋼結(jié)構(gòu)因其具有強(qiáng)度高、自重輕、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑施工中得到了廣泛應(yīng)用。文中通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，探討了鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑施工中的具體技術(shù)要點(diǎn)，包括鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝、連接技術(shù)、防火與防腐處理等方面。同時(shí)，對(duì)施工過(guò)程的質(zhì)量控制進(jìn)行了深入探討；展望了鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在高層建筑施工中的發(fā)展趨勢(shì)，為鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑施工中的應(yīng)用提供了有益的參考。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；高層建筑；施工技術(shù)；質(zhì)量控制

【中圖分類號(hào)】TU391 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）07-0133-03

0 引言

隨著人口增長(zhǎng)和城市用地日趨緊張，高層建筑已成為城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。鋼結(jié)構(gòu)作為一種前沿且高效的建筑結(jié)構(gòu)形式，在高層建筑的建設(shè)中扮演著舉足輕重的角色。鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)不僅能夠充分滿足高層建筑對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性的高要求，更能顯著縮短施工周期，有效控制工程造價(jià)，進(jìn)而提升建筑的整體使用性能與舒適度。因此，鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在高層建筑中的應(yīng)用前景廣闊，將為城市的可持續(xù)發(fā)展注入新的活力。

1 鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1）強(qiáng)度高。鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的混凝土和磚石結(jié)構(gòu)。在相同的承載要求下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸可以更小，從而為建筑提供更大的使用空間。

2）自重輕。相比混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的自重通常只有其一半左右。這一特點(diǎn)在高層建筑中尤為重要。因?yàn)榻ㄖ锏淖灾貢?huì)對(duì)建筑基礎(chǔ)產(chǎn)生巨大的壓力[1]。使用鋼結(jié)構(gòu)可以顯著減輕建筑物的自重，從而降低建筑基礎(chǔ)的造價(jià)和施工難度。

3）施工速度快。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以在工廠進(jìn)行預(yù)制，然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。工廠化生產(chǎn)方式大大提高了施工效率，縮短了施工周期。在工廠預(yù)制的構(gòu)件具有較高的精度和質(zhì)量，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工中的誤差和整改工作。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

1）抗震性能好。鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延性和耗能能力，在地震作用下能夠有效地吸收和分散能量，從而減少結(jié)構(gòu)的破壞。鋼結(jié)構(gòu)的柔性連接方式使得結(jié)構(gòu)在受到地震力時(shí)能夠產(chǎn)生一定的變形，而不會(huì)立即發(fā)生脆性破壞。

2）綠色環(huán)保。鋼結(jié)構(gòu)可以回收利用，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。當(dāng)建筑物達(dá)到使用壽命或需要拆除時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)可以被拆解并重新加工利用，減少建筑垃圾的產(chǎn)生。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過(guò)程相對(duì)較為清潔，對(duì)環(huán)境的污染較小[2]。與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的能耗和碳排放也更低。

3）空間布置靈活。鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面較小，可以靈活地布置建筑空間，滿足不同的功能需求。無(wú)論是住宅、商業(yè)還是工業(yè)建筑，鋼結(jié)構(gòu)都能夠提供多樣化的空間布局方案。

2 鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑施工中的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)

1）焊接連接。焊接連接具有連接強(qiáng)度高、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的剛性連接。然而，焊接過(guò)程中由于局部高溫會(huì)導(dǎo)致鋼材組織和性能的變化，容易產(chǎn)生焊接變形和殘余應(yīng)力。為了控制焊接變形，可以采用合理的焊接順序、預(yù)留收縮余量、反變形法等措施。對(duì)于殘余應(yīng)力，可以通過(guò)焊后熱處理、振動(dòng)消除法等進(jìn)行消除。

2）螺栓連接。普通螺栓連接施工方便，成本較低，但連接強(qiáng)度相對(duì)較低，通常用于次要結(jié)構(gòu)或臨時(shí)連接。高強(qiáng)度螺栓連接具有強(qiáng)度高、連接可靠的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的重要連接部位。高強(qiáng)度螺栓連接分為摩擦型連接和承壓型連接，摩擦型連接依靠摩擦力傳遞荷載，承壓型連接則在摩擦力被克服后依靠螺栓桿抗剪和孔壁承壓傳遞荷載。

3）鉚連接。鉚連接在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用相對(duì)較少，但其連接可靠、傳力均勻。鉚連接需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉚接作業(yè)，施工效率較低，成本較高。然而，在一些對(duì)連接質(zhì)量要求極高的特殊結(jié)構(gòu)中，鉚連接仍有其應(yīng)用價(jià)值。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的防火與防腐處理

一方面，鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，其強(qiáng)度和剛度會(huì)迅速下降。因此，需要進(jìn)行防火處理以提高其耐火極限。常用的防火措施包括噴涂防火涂料、包裹防火板材等。防火涂料具有施工方便、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但耐久性相對(duì)較差[3]。防火板材如硅酸鈣板、巖棉板等具有較好的防火性能和耐久性，但施工難度較大。

另一方面，鋼結(jié)構(gòu)在潮濕和腐蝕性環(huán)境中容易發(fā)生銹蝕，影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。防腐處理的方法主要有涂刷防腐涂料、熱浸鍍鋅等。防腐涂料能夠在鋼材表面形成一層保護(hù)膜，阻止腐蝕介質(zhì)的侵入。熱浸鍍鋅則是將鋼材浸入熔融的鋅液中，使鋼材表面形成一層鋅層，具有良好的防腐效果。

3 鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程施工中的質(zhì)量控制

3.1 原材料的質(zhì)量控制

1）鋼材質(zhì)量直接決定了結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性。在采購(gòu)鋼材時(shí)，要嚴(yán)格審查供應(yīng)商的資質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量證明文件，確保所采購(gòu)的鋼材符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，對(duì)進(jìn)場(chǎng)的鋼材進(jìn)行抽樣檢測(cè)，包括化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試等。

2）焊接材料的選擇和質(zhì)量控制同樣不容忽視[4]。不同類型的鋼材需要匹配相應(yīng)的焊接材料，以保證焊接接頭的質(zhì)量。對(duì)焊接材料進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其熔敷金屬的化學(xué)成分、力學(xué)性能以及工藝性能符合要求。

3）螺栓作為鋼結(jié)構(gòu)連接的重要部件，其質(zhì)量也必須得到保證。高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度等級(jí)、扭矩系數(shù)等參數(shù)要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢測(cè)，普通螺栓的尺寸、螺紋精度等也要符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 制作過(guò)程的質(zhì)量控制

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作工藝直接影響其質(zhì)量。

1）放樣。放樣必須保證精確無(wú)誤，否則后續(xù)工序?qū)a(chǎn)生累積誤差。

2）下料。下料時(shí)，要根據(jù)鋼材的規(guī)格和構(gòu)件的尺寸，選擇合適的切割方法，如火焰切割、等離子切割或激光切割，并控制切割的精度和表面質(zhì)量。

3）焊接。焊接是鋼結(jié)構(gòu)制作中的關(guān)鍵工序。焊接工人必須具備相應(yīng)的資質(zhì)和技能，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程進(jìn)行操作。在焊接過(guò)程中，要控制焊接電流、電壓、焊接速度等參數(shù)，以獲得良好的焊縫成型和內(nèi)部質(zhì)量。焊接完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，查看是否存在裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，并采用無(wú)損檢測(cè)方法（如超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)）對(duì)焊縫內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。

4）制孔。制孔工序的精度對(duì)于構(gòu)件的連接至關(guān)重要。要保證孔的直徑、位置、垂直度等符合設(shè)計(jì)要求，避免因孔位偏差導(dǎo)致連接不緊密或無(wú)法安裝。

3.3 安裝過(guò)程的質(zhì)量控制

鋼結(jié)構(gòu)安裝是將制作好的構(gòu)件組合成整體結(jié)構(gòu)的過(guò)程，這個(gè)階段的質(zhì)量控制尤為關(guān)鍵。構(gòu)件的垂直度、平整度和軸線位置直接影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

1）在安裝前，要對(duì)基礎(chǔ)的標(biāo)高、軸線進(jìn)行復(fù)測(cè)，確?；A(chǔ)的平整度和位置偏差在允許范圍內(nèi)。

2）安裝過(guò)程中，使用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器對(duì)構(gòu)件的垂直度、平整度和軸線位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整偏差。同時(shí)，要注意安裝順序和臨時(shí)支撐的設(shè)置。合理的安裝順序可以保證結(jié)構(gòu)受力均勻，避免出現(xiàn)局部受力過(guò)大導(dǎo)致變形或失穩(wěn)。

3）臨時(shí)支撐要經(jīng)過(guò)計(jì)算和設(shè)計(jì)，確保其能夠承受施工過(guò)程中的荷載。

3.4 連接質(zhì)量的控制

鋼結(jié)構(gòu)的連接方式主要有焊接連接和螺栓連接。連接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體性和安全性。

1）焊接連接。除了前面提到的在制作過(guò)程中的質(zhì)量控制外，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)還要對(duì)焊縫的外觀進(jìn)行檢查，對(duì)重要焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。同時(shí)，要注意焊接環(huán)境的溫度、濕度等條件，避免在不利條件下進(jìn)行焊接作業(yè)。

2）螺栓連接的質(zhì)量控制主要包括螺栓的擰緊力矩、螺栓的預(yù)緊力以及螺栓的安裝順序等。對(duì)于高強(qiáng)度螺栓連接，要進(jìn)行扭矩系數(shù)和抗滑移系數(shù)的試驗(yàn)，確保連接的強(qiáng)度和可靠性。

4 鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)在高層建筑施工中的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 新材料與新技術(shù)的應(yīng)用

4.1.1 高性能鋼材的研發(fā)與應(yīng)用

隨著科技的不斷進(jìn)步，高性能鋼材在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用正逐漸成為主流趨勢(shì)。高性能鋼材具有更高的強(qiáng)度、更好的韌性和耐腐蝕性，能夠滿足高層建筑對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的更高要求。例如，高強(qiáng)度低合金鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比傳統(tǒng)鋼材顯著提高，使得在相同承載能力下可以減少鋼材的使用量，從而減輕結(jié)構(gòu)自重，降低基礎(chǔ)造價(jià)。同時(shí)，耐候鋼的出現(xiàn)也為鋼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用提供了保障，使其能夠在自然環(huán)境中形成穩(wěn)定的氧化層，有效抵抗大氣腐蝕，減少維護(hù)成本。

4.1.2 新型連接技術(shù)的發(fā)展

連接技術(shù)是鋼結(jié)構(gòu)施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，新型連接技術(shù)的不斷涌現(xiàn)為鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用帶來(lái)了更多可能性。除了傳統(tǒng)的焊接和螺栓連接，一些新型的連接方式如銷軸連接、鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接、黏接技術(shù)等逐漸得到應(yīng)用。

1）銷軸連接具有安裝方便、受力明確等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大跨度鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的連接。

2）鑄鋼節(jié)點(diǎn)則能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和抗震性能。

3）黏接技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也在研究和探索之中，有望為鋼結(jié)構(gòu)的連接提供一種新的選擇。

4.2 綠色施工與可持續(xù)發(fā)展

4.2.1 節(jié)能減排措施在鋼結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用

在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排的背景下，鋼結(jié)構(gòu)施工也在積極采取措施降低能源消耗和減少環(huán)境污染。在鋼材的生產(chǎn)過(guò)程中，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備可以降低能耗和污染物排放。在施工過(guò)程中，合理安排施工順序、優(yōu)化施工方案，能夠減少不必要的資源浪費(fèi)。例如，采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以減少現(xiàn)場(chǎng)加工帶來(lái)的能源消耗和噪聲污染。此外，利用可再生能源為施工設(shè)備提供動(dòng)力，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑。

4.2.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑的全生命周期評(píng)價(jià)

鋼結(jié)構(gòu)建筑的全生命周期評(píng)價(jià)包括從原材料的開(kāi)采、加工、運(yùn)輸，到建筑的施工、使用、維護(hù)，直至拆除和回收的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑全生命周期的環(huán)境影響和資源消耗進(jìn)行評(píng)估，可以為設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)利用和環(huán)境的最小影響。

1）在設(shè)計(jì)階段，考慮建筑的可拆卸性和可回收性，選用環(huán)保材料。

2）在施工階段，加強(qiáng)廢棄物的管理和回收利用。

3）在使用階段，優(yōu)化建筑的能源管理，降低運(yùn)行能耗。

4）在拆除階段，制定合理的拆除方案，最大程度地回收利用建筑材料。

4.3 與其他建筑技術(shù)的融合

4.3.1 與預(yù)制混凝土技術(shù)的結(jié)合

鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)制混凝土技術(shù)的結(jié)合能夠充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，提高建筑的性能和施工效率。預(yù)制混凝土構(gòu)件可以提供良好的防火、隔音和耐久性，而鋼結(jié)構(gòu)則能夠提供大跨度空間和快速施工的能力。例如，在高層建筑施工中，可以考慮采用預(yù)制混凝土核心筒和鋼結(jié)構(gòu)框架的組合結(jié)構(gòu)體系，核心筒承擔(dān)大部分的水平荷載，鋼結(jié)構(gòu)框架承擔(dān)豎向荷載。這種組合結(jié)構(gòu)既能夠滿足建筑的功能要求，又能夠縮短施工周期。

4.3.2 BIM技術(shù)與鋼結(jié)構(gòu)的深度整合

BIM（建筑信息模型）是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具。BIM技術(shù)為鋼結(jié)構(gòu)施工帶來(lái)了全新的管理模式和協(xié)同方式。通過(guò)建立鋼結(jié)構(gòu)的BIM，可以實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維的全過(guò)程信息化管理。在設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行精確建模和分析，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。在施工階段，施工人員可以通過(guò)BIM獲取詳細(xì)的施工信息，包括構(gòu)件尺寸、連接方式、施工順序等，提高施工的準(zhǔn)確性和效率。同時(shí)，BIM技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)各參與方之間的信息共享和協(xié)同工作，及時(shí)解決施工中的問(wèn)題，減少變更和返工。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)憑借其獨(dú)特的特點(diǎn)和顯著的優(yōu)勢(shì)，成為高層建筑施工中的關(guān)鍵技術(shù)。在施工過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝、連接技術(shù)以及防火與防腐處理等技術(shù)要點(diǎn)的把控，對(duì)于保障建筑的質(zhì)量和安全性至關(guān)重要。同時(shí)，通過(guò)對(duì)原材料、制作過(guò)程、安裝過(guò)程以及連接質(zhì)量的嚴(yán)格控制，能夠有效提升鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中的施工質(zhì)量，確保建筑的穩(wěn)定性和可靠性。相信在不斷的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐探索中，鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)將在高層建筑領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為城市的發(fā)展和人們的生活創(chuàng)造更加優(yōu)質(zhì)、舒適和安全的空間。

參考文獻(xiàn)

[1] 王云峰，廖祥紅，鮑方剛，等.工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及質(zhì)量控制研究[J].中國(guó)建筑裝飾裝修，2024（1）：168-170.

[2] 吳炳忠.建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究[J].中國(guó)住宅設(shè)施，2023（12）：115-117.

[3] 余濤.建筑工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)分析[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2023，22（5）：40-42.

[4] 曹紅衛(wèi).土木建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)探討[J].石材，2023（1）：79-81.

[作者簡(jiǎn)介]孫鳳山（1987—），男，山東濰坊人，本科，工程師，研究方向：建筑施工。