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        淺析超高層建筑施工難題及技術(shù)

        2021-01-25 06:24:46英,
        四川建筑 2020年6期
        關(guān)鍵詞:電梯混凝土建筑

        羅 英, 李 星

        (中國水利水電第十工程局有限公司, 四川 成都 610072)

        1 超高層建筑概述

        1972年8月,在美國賓夕法尼亞州伯利恒市里海大學(xué)召開的國際高層建筑會議就高層建筑和超高層建筑的分類和定義進(jìn)行了專門的討論,并提出將高層建筑界定為4類:9~16層(高度到50m);17~25層(高度到75m);26~40層(最高到100m);40層以上(高度100m以上)。隨著超高層建筑的快速發(fā)展,不同國家和地區(qū)根據(jù)具體情況對高層建筑的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整,但大體一致,大都以100m高度作為一條分界線,100m高度以下的屬高層建筑,100m以上的為超高層建筑,因為100m高度是建筑垂直方向布局在防火要求方面的一個制約點。在我國,除100m高度的分界線外,250m高度又是超高層建筑的一條分界線。

        從表1統(tǒng)計中可以看出我國的超高層建筑若干施工技術(shù)已處于國際先進(jìn)水平,超高層建筑領(lǐng)域設(shè)備已實現(xiàn)國產(chǎn)化;我國的塔吊生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速,已能生產(chǎn)各種可適應(yīng)超高層建筑施工需要的自升式塔吊;在混凝土超高設(shè)備泵送領(lǐng)域,我國已達(dá)到世界領(lǐng)先水平;國產(chǎn)大空間、大噸位、高速施工電梯也已經(jīng)實現(xiàn)了500m級超高層建筑的成功應(yīng)用。

        表1 世界最高建筑前10名

        2 超高層建筑十大難點

        根據(jù)理論及經(jīng)驗分析,一般在40層(150m)左右,是超高層建筑設(shè)計的敏感高度(建筑物的超長尺度特性將引起建筑設(shè)計概念變化),這種變化促使建筑師必須提出有效設(shè)計對策,調(diào)整設(shè)計觀念,應(yīng)用適宜的建筑技術(shù)。

        超高層樓宇就像一條豎立起來的街道,存在著安全、內(nèi)部交通、環(huán)境、能源消耗等多種難以妥善解決的問題,越是向高處發(fā)展,安全性、耐久性及使用舒適等問題就越多,對結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、暖通、電梯等專業(yè)的要求就越高。

        2.1 難點一:結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

        由于超高層建筑結(jié)構(gòu)的特殊性,建筑內(nèi)部的梁柱將會不可避免地存在,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮異形柱的使用,特別是在超高層住宅戶型設(shè)計中,充分全面考慮梁柱的影響、規(guī)避及利用是設(shè)計的難點。

        2.2 難點二:垂直交通設(shè)計

        超高層建筑,核心筒的設(shè)計需平衡采光、節(jié)能、易于維護(hù)、減少公攤、不同業(yè)態(tài)核心筒上下統(tǒng)一等多方要求,是建筑設(shè)計的難點之一。

        高層建筑與其他建筑的最大區(qū)別,就在于它有一個垂直交通和管道設(shè)備集中在一起的、在結(jié)構(gòu)體系中又起著重要作用的“核”,而這個“核”也恰恰在形態(tài)構(gòu)成上舉足輕重,決定著高層建筑的空間構(gòu)成模式。

        隨著高層建筑建設(shè)的發(fā)展、高度的增加和技術(shù)的進(jìn)步,在高層建筑的設(shè)計過程中,逐漸演化出了中央核心筒式的“內(nèi)核”空間構(gòu)成模式。

        2.3 難點三:電梯

        在超高層建筑中,快速、高效、平穩(wěn)的垂直服務(wù)是難點之一。電梯作為垂直交通工具,對其數(shù)量的配置、控制方式及有關(guān)參數(shù)的選定將不僅直接影響建筑物的一次投資(一般電梯投資約占建筑物總投資的10 %左右),而且還將影響建筑物的使用安全和經(jīng)營服務(wù)質(zhì)量。

        由于超高層建筑為多梯系統(tǒng),應(yīng)采用微機(jī)電梯控制系統(tǒng),通過計算機(jī)控制系統(tǒng)及時地處理大量信息,判斷各站臺的呼叫信息和各電梯的位置、方向、開閉狀態(tài)、轎廂內(nèi)呼叫等各種狀態(tài),以提高運送能力,改善服務(wù)質(zhì)量,提高超高層建筑的經(jīng)濟(jì)效益。

        2.4 難點四:供電安全性和穩(wěn)定性

        作為超高層建筑,安全性必然是供電系統(tǒng)設(shè)計要格外注意的地方,其次是供電可靠性。配電系統(tǒng)設(shè)計,需考慮多回路供電及備用發(fā)電機(jī)組的配置。因超高建筑的高度,變配電房可以考慮設(shè)置在塔樓中部的樓層,以減少低壓配電的損耗。備用柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置于地庫層,供電電壓采用10kV輸出,再經(jīng)變壓器降壓至低壓配電,保證配電至塔樓的高層。

        2.5 難點五:消防

        消防難點:超高層建筑由于其特殊的構(gòu)造和功能要求,致使其內(nèi)部火災(zāi)荷載大,火勢蔓延迅速,人員疏散困難,救援難度大,形成重大火災(zāi)的隱患大。

        消防設(shè)計要點:防火、控火、耐火。防火,建筑工程中使用防火材料、防火構(gòu)件、防火配件,裝修工程中采用不燃、難燃性建筑材料,易燃易爆場所強(qiáng)化通風(fēng),設(shè)置防爆電氣,使用不發(fā)火地面等。

        2.6 難點六:測量

        超高層建筑一般由超高層塔樓和多層地下室組成,工程測量難度大,如果施工測量失誤,造成的損失會非常嚴(yán)重,且難以彌補和修復(fù),因此工程測量是超高層建筑的重點、難點。

        2.7 難點七:側(cè)向風(fēng)影響

        高層、超高層建筑要承受側(cè)向的風(fēng)力,一般來說,在正常的風(fēng)壓狀態(tài)下,距地面高度10m處,如風(fēng)速為5m/s,那么在90m高空,風(fēng)速可達(dá)到15m/s。若高達(dá)300~400m,風(fēng)力將更加強(qiáng)大,即風(fēng)速達(dá)到30m/s以上時,摩天大樓產(chǎn)生的晃動將十分劇烈。對大樓的這種晃動,首先要考慮它對電梯的影響,電梯被視為超高層建筑的“生命線”。當(dāng)電梯高速運行時,如果大樓的晃動超過一定尺寸,電梯的鋼纜就會因時緊時松的受力不均受到傷害,并造成危險。

        2.8 難點八:煙囪效應(yīng)

        冬天,在氣溫較低的情況下,會由于低層(特別是一層大堂)和地下室的冷空氣竄入電梯井,經(jīng)煙囪效應(yīng)形成強(qiáng)大氣流,造成電梯關(guān)不上門,且會將底層的一些氣味帶到高層,如廚房的氣味、油煙味等,此時如在底層或地下室有電焊操作或燃?xì)庑孤┚涂赡軐⒒鹪措S氣流帶到高層,極端危險。同時,由于電梯轎廂與井壁間的縫隙很小,在電梯移動時,氣流的摩擦?xí)a(chǎn)生嘯叫,這種現(xiàn)象在金茂大廈也有出現(xiàn)。目前,這是個國際性難題,目前尚未找到很好的解決辦法。

        2.9 難點九:管理維護(hù)問題

        一些超高層大樓都曾出現(xiàn)過斷電、跑水等事故,管理上應(yīng)作好預(yù)案,防止事故發(fā)生和做好備用系統(tǒng)以外,一旦事故發(fā)生,如何搶救,是否有一位掌握全局、了解本系統(tǒng)一切細(xì)枝末節(jié)的人十分重要。上海金茂大廈的管理層就曾對沒有一位掌握該建筑14 000多個閥門的人感到十分遺憾。此外,幕墻維護(hù)也成為管理這些龐然大物的一個麻煩,金茂大廈的幕墻有10.18×104m2,據(jù)說兩架擦窗機(jī)連續(xù)工作,一年才能把所有的玻璃擦一遍,而且由于建筑外形凹凸起伏太大,檐部又挑出很多,有的地方達(dá)3m以上,清掃幕墻相當(dāng)困難。

        2.10 難點十:施工難點

        (1)超高層基礎(chǔ)采用深基礎(chǔ)。由于建筑高,體量大,支撐高層的地基必須達(dá)到足夠的強(qiáng)度,所以多采用深基礎(chǔ),持力層嵌入微風(fēng)化巖層。

        (2)超高層地下室深度大、層數(shù)多、面積大。一是要滿足建筑功能方面的要求,比如人防面積、停車位數(shù)量等;二是要解決在施工過程中的結(jié)構(gòu)抗浮問題。

        (3)超高層結(jié)構(gòu)形式多為混合型。如型鋼混凝土、鋼管混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu),共同特點是:施工簡便、工期短、結(jié)構(gòu)性能好且大大節(jié)約建筑材料,目前已成為超高層建筑群最為實用和主要的結(jié)構(gòu)形式。

        (4)超高層裝飾工程裝飾富于變化,工程量大,技術(shù)含量高、要求高。超高層建筑裝飾工程的安全性功能尤其重要,抗風(fēng)壓,風(fēng)、水、氣的密閉性要求高。

        (5)建筑功能復(fù)雜,子系統(tǒng)多,安裝工程量大,要求精度高。

        (6)新技術(shù)、新材料、新工藝大量采用。

        3 超高層建筑施工技術(shù)

        3.1 高承載力大直徑樁基施工技術(shù)

        隨著建筑物高度的不斷攀升,樁基承載力要求越來越高,樁長也越來越長,施工難度也越來越大(如十字門塔樓樁基直徑達(dá)2.4m,持力層達(dá)到微風(fēng)化花崗巖,單樁承載力設(shè)計值達(dá)65 900kN)。部分超高層工程樁基直徑可達(dá)4m。

        大直徑嵌巖樁一般可采用旋挖成孔、沖孔成孔、潛孔錘成孔技術(shù)。沖孔成孔適應(yīng)性強(qiáng),可以適應(yīng)多種復(fù)雜地質(zhì)情況,但遇孤石或嵌巖較深時,施工速度慢??刹捎盟?地下)爆破技術(shù)對孤石及巖層進(jìn)行爆破后再沖孔施工,可以大大提高工作效率。

        嵌巖旋挖需采用特種大功率設(shè)備,潛孔錘需采用多孔組合施工,施工難度大,且施工成本高。大直徑灌注樁鋼筋籠規(guī)格及數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通灌注樁,且樁長長,采用孔口鋼筋籠對接,需采用特殊措施及鋼筋連接工藝進(jìn)行施工。

        3.2 大體積混凝土施工技術(shù)

        超高層建筑高度高,基礎(chǔ)厚度厚,一次性澆筑混凝土方量大(如上海環(huán)球金融中心基礎(chǔ)一次性連續(xù)澆筑28 900m3,如上海中心6m厚基礎(chǔ)一次性連續(xù)澆筑60 000m3)。大體積高強(qiáng)度混凝土水化熱大、混凝土收縮大、裂縫控制難度大。

        十字門塔樓基礎(chǔ)厚度4.0~12.2m,采用分層澆筑,單次最大澆筑厚度5.6m,澆筑方量約6 000m3。

        超高層超大體積混凝土一般采用優(yōu)化配合比設(shè)計;優(yōu)選原材料;選用中低熱水泥;大摻量粉煤灰和礦物摻合料;采用聚羧酸系高性能減水劑;采用蓄熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)方法;采用實時溫度檢測等綜合控制方法。

        3.3 高強(qiáng)混凝土超高泵送施工技術(shù)

        超高層建筑的混凝土強(qiáng)度高、粘度大,隨著泵送高度的增加,泵送施工越來越困難。隨著材料性能及設(shè)備性能的不斷提升,我國在超高層泵送領(lǐng)域已創(chuàng)造多項世界紀(jì)錄(如深圳京基大廈創(chuàng)下C120超高強(qiáng)混凝土一次性泵送417m高度的紀(jì)錄)。

        混凝土澆筑機(jī)械選擇:超高層每層混凝土澆搗方量較大,混凝土澆筑一般采用 2 泵2管一泵到頂?shù)氖┕ぜ夹g(shù)。

        應(yīng)用雙泵技術(shù)在一組出現(xiàn)故障時,另一組仍可繼續(xù)進(jìn)行工作,避免混泥土輸送中斷造成質(zhì)量事故。高度較高的超高層建筑一般會增加備用泵及管路系統(tǒng)。

        超高層高壓泵帶有專項管道水洗技術(shù),利用該專項技術(shù)的混凝土活塞、自動補償磨損間隙的眼鏡板、切割環(huán)及管路的良好密封性。采用水洗技術(shù),直接用混凝土泵泵送水洗,能夠做到泵送多高,水洗多高。水洗輸送管可以最大限度利用管道中的混凝土,減少混凝土浪費和對施工環(huán)境的污染。

        3.4 垂直運輸技術(shù)

        超高層建筑塔機(jī)布置,常規(guī)采用外掛、內(nèi)爬等形式附著于建筑主體結(jié)構(gòu),塔機(jī)位置固定,吊裝范圍有限,爬升工藝復(fù)雜。為滿足吊裝需要,施工單位往往會投入數(shù)部大型塔機(jī),且附著、爬升耗時費力,投入大、工效低,成為制約超高層建筑施工的關(guān)鍵技術(shù)難題。

        為攻克這一技術(shù)難題,提出建造多吊機(jī)廻轉(zhuǎn)平臺。該平臺由支撐頂升系統(tǒng)、廻轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)、鋼桁架平臺系統(tǒng)和塔機(jī)組成。塔機(jī)置于廻轉(zhuǎn)平臺系統(tǒng)上,依托平臺廻轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)可進(jìn)行360 °圓周移位,實現(xiàn)塔機(jī)吊裝范圍對超高層建筑的360 °全覆蓋,并可根據(jù)吊裝需求選擇大小級配的塔機(jī)進(jìn)行合理配置,充分利用每臺塔機(jī)的工作性能,節(jié)省30 %~40 %的費用支出。平臺支撐頂升系統(tǒng)為微凸支點形式,依托平臺可以實現(xiàn)多塔機(jī)整體、連續(xù)、快速、安全頂升,簡化各塔機(jī)附著、爬升工藝,每層可節(jié)省約20 %的工期。

        3.5 模架施工技術(shù)

        微凸支點智能控制頂升模架(以下簡稱“凸點頂?!?是第三代超高層施工頂升模架,具有承載力高、適應(yīng)性強(qiáng)、智能綜合控制三大特點,顯著提高了超高層施工的機(jī)械化、智能化及綠色施工水平,使超高層尤其是近千米的超高層建筑施工的安全、功效大幅提升。

        4 超高層建筑特點及應(yīng)在施工中采取的對策

        4.1 施工技術(shù)必須有新突破

        超高層建筑絕不僅是建筑樓層數(shù)量上的疊加、施工的延長,在施工技術(shù)方面必須注入新元素,必須有新突破。

        4.1.1 深基礎(chǔ)施工技術(shù)

        根據(jù)地質(zhì)條件,深基礎(chǔ)一般采用大直徑人工挖孔樁,沖(鉆)孔灌注樁,預(yù)制混凝土管樁或預(yù)制鋼管樁,為一種或兩種同時采用。對于施工總承包來說,按照設(shè)計的樁類型進(jìn)行施工,主要考慮的是技術(shù)能力、設(shè)備能力、安全和質(zhì)量控制能力。工程總承包項目就需要考慮成本因素以及獲得這些能力的難易程度。

        4.1.2 大基坑土方開挖和支護(hù)技術(shù)

        按照我國現(xiàn)行的政策和建筑本身的需要,超高層建筑必然有一個超大、超深的地下室結(jié)構(gòu)部分,這部分工程施工的最大難點在于土方開挖和基坑支護(hù)。超高層建筑一般在城市的主要路段,場地狹窄,周圍環(huán)境復(fù)雜而且重要。土方開挖的方案至少應(yīng)該解決以下幾個問題:

        (1)進(jìn)出土路線的選擇。

        (2)土方挖運設(shè)備數(shù)量和性能的選擇以及進(jìn)退場安排。

        (3)最后土方挖、運的具體措施。

        (4)基坑支護(hù)技術(shù)的優(yōu)化和周圍環(huán)境建(構(gòu))筑物以及基坑邊坡的變形監(jiān)測。

        (5)土方開挖和基坑支護(hù),乃至樁基礎(chǔ)施工的配合。

        4.2 施工組織要有新思維

        超高層建筑的豎向跨度非常大,在施工組織中首要解決垂直運輸效率的問題。利用有限的機(jī)械設(shè)備解決龐大的人員、材料的上下,做到有序且有效。

        4.2.1 合理配置大型機(jī)械設(shè)備

        要核算現(xiàn)場人員流量,在施工高峰期有多少人需要乘電梯到達(dá)現(xiàn)場,全部輸送完需要多少時間。結(jié)合工期計劃,核算和分析需要使用人貨電梯運輸?shù)脑牧?、周轉(zhuǎn)材料、成品、半成品的總用量以及周轉(zhuǎn)率要求,核算工作時間。在此基礎(chǔ)上,合理確定塔吊,人、貨電梯的規(guī)格型號和數(shù)量;選擇混凝土輸送泵的性能和數(shù)量。在實際中,超過150m的建筑應(yīng)考慮布置一臺高速施工電梯和一臺普通施工電梯,分別服務(wù)不同的施工區(qū)域。應(yīng)選用一次泵送到位的混凝土輸送泵,油泵和電泵均要配備。塔吊的性能和布置不僅要滿足鋼筋、模板、鋼管等材料運輸,而且必須考慮鋼結(jié)構(gòu)件的吊裝和安裝需要。大型機(jī)械平面布置要慎密規(guī)劃,緊貼實際,科學(xué)統(tǒng)籌,分析現(xiàn)場條件和地理位置情況,按照最短運輸路徑和最大運輸能力的原則進(jìn)行布置??焖偬嵘芎褪┕る娞菔滓紤]樓層內(nèi)的運輸路線;塔吊要考慮安裝和拆除的便利、覆蓋面積和附墻的可行性。

        4.2.2 機(jī)械使用計劃

        既要合理而不富余的配置機(jī)械,就必然存在機(jī)械使用的沖突問題,機(jī)械的使用計劃十分必要。

        對各工種、工序現(xiàn)場作業(yè)的先后順序要預(yù)先安排并強(qiáng)制執(zhí)行。體現(xiàn)在垂直運輸設(shè)備的使用安排計劃上,每個人、每一件物都要清楚自己的運輸時間、順序。有計劃有組織地調(diào)節(jié)設(shè)備的使用頻率,提高使用效率。

        4.2.3 采取技術(shù)措施,減少對垂直運輸?shù)囊蕾?/p>

        鋼筋網(wǎng)片的使用,機(jī)械接頭的使用,大模板的使用,可以有效地提高現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動生產(chǎn)率,減少對作業(yè)人員和操作設(shè)備的需求,從而減少垂直運輸?shù)膲毫Α?/p>

        4.3 施工質(zhì)量要求高

        以建筑總高度允許偏差值來說,超高層建筑的質(zhì)量要求高于普通建筑,特別體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的安全性能和建筑功能要求上。超高層建筑承受的風(fēng)壓非常大,對氣密性、水密性有很高要求,玻璃或幕墻的三性檢驗報告不可缺少。裝飾工程中,外墻粘貼磚的施工質(zhì)量關(guān)系到建筑的使用安全,必須引起足夠重視,應(yīng)從技術(shù)、工藝上予以解決。外墻的防水工程應(yīng)從材料的選用、工藝試驗、過程質(zhì)量監(jiān)督等方面嚴(yán)格把關(guān)。

        4.4 安全文明施工管理與普通建筑的不同

        超高層建筑的文明安全施工管理與普通建筑施工有諸多不同,裝飾工程、安裝工程的立體交叉施工,必須設(shè)立安全分隔區(qū)和防火分隔區(qū)。腳手架的搭設(shè)、拆除方案必須經(jīng)過審批、落實和檢查。另外,大型設(shè)備要有特殊安全保護(hù)措施等。

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