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

引言：

近年來，超高層建筑項目的建設(shè)數(shù)量不斷增長。超高層建筑項目的規(guī)模普遍較大，施工時長較長，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)筒外框上下錯層同步施工技術(shù)需要結(jié)合施工現(xiàn)場實際，進(jìn)行施工設(shè)計與工藝的控制，保證工程的順利實施。

1、超高層建筑工程施工技術(shù)難點及管理中存在問題

1.1 空間狹小，專業(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、購物等功能于一體，系統(tǒng)復(fù)雜、功能眾多。為了實現(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)部對建筑的管理技術(shù)不完善，容易出現(xiàn)工程安全問題。在工程的建設(shè)過程中，可能會出現(xiàn)工作人員安全意識不足、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。本工程東、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。

最終本項目采用錯層安裝、多輪次提升的施工方法。該方法具有以下優(yōu)點。（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)場施工連續(xù)性，便于現(xiàn)場的施工組織及管理，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)力不滿足設(shè)計要求時，常設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層來提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度。當(dāng)前高度超過300m的超高層建筑常通過設(shè)置鋼框架加強(qiáng)層來滿足結(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。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，導(dǎo)致其附加應(yīng)力控制、焊接質(zhì)量控制、巨型鑄鋼節(jié)點安裝和工期控制等成為施工的重點。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

對超高層建筑環(huán)帶框架與伸臂框架施工進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化和深化，對鋼框架分段確定小拼單元，優(yōu)化節(jié)點設(shè)計、確定節(jié)點重心及吊繩布置；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)點多點吊裝技術(shù)，精確調(diào)整鑄鋼節(jié)點安裝過程姿態(tài)，確?？焖贉?zhǔn)確就位；對鋼框架焊接順序機(jī)械施工模擬和針對性的焊接工藝評定，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→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)點多點吊裝→鋼框架安裝→鋼框架焊接施工→焊縫無損檢測、驗收。對構(gòu)件分段需綜合考慮以下因素：（1）考慮采購鋼板的尺寸，盡量減少鋼板拼接；（2）考慮運輸條件限制，構(gòu)件不得超寬超高，托座尺寸須滿足運輸要求；（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，以滿足運輸要求；分段后弦桿及腹桿均為常規(guī)構(gòu)件，滿足運輸要求。

3.3 錯層安裝

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用；將全部外框拼裝作業(yè)層選確定畢后，再結(jié)合提升點的布置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化依據(jù)提升的工期、費用、施工難度。綜合上述考慮本項目將外框分4個樓層進(jìn)行拼裝，分別為13.150，22.225，31.280，51.700m，其中前3個拼裝層需配合進(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)，本項目共配備五類胎架：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)樓板通過埋件連接，埋件在結(jié)構(gòu)施工過程中安裝。找平胎架用于外框與下方樓板問距小于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的支撐與調(diào)平；上弦支撐胎架提供下弦拼裝時的固定和調(diào)平；側(cè)向支撐胎架用于保證整個外框的穩(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。本項目采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行提升部分力學(xué)計算。

（1)載荷及載荷組合

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

（2)邊界條件

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

（3)計算結(jié)果

本論文以第二次外框提升為例進(jìn)行計算說明。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，滿足施工要求。根據(jù)上述計算各個吊點中力，本項目根據(jù)計算結(jié)果將中力分為兩類：第1類為中力值小于40OkN；第2類為中力值大于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。鋼絞線按各點中力分別進(jìn)行配置。根據(jù)上述計算提升架及混凝土柱強(qiáng)度及位移滿足提升過程的工況要求，但產(chǎn)生的變形若不采取措施最終難以消除；為了確保提升時混凝土柱不產(chǎn)生較大變形，本項目在進(jìn)行外框提升時，在提升點背側(cè)同時進(jìn)行加載，加載量為提升側(cè)的60%。

圖1 錯層同步施工示意圖

3.5 鑄鋼節(jié)點優(yōu)化

對鑄鋼節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)在滿足設(shè)計要求的前提下綜合考慮鑄鋼節(jié)點的三圍尺寸和加工鑄造難度、運輸條件、構(gòu)件重量等易造成質(zhì)量安全的事項，同時兼顧安裝及制作成本。原設(shè)計北側(cè)兩個鑄鋼節(jié)點尺寸超長，外形尺寸達(dá)4000mm×3800mm×5300mm，需采取特殊運輸手段，并需臨時拆除部分途經(jīng)路段，運輸時間長，社會影響大，會大幅增加運輸成本。根據(jù)BIM技術(shù)深化建模，該鑄鋼件理論重量達(dá)60t，現(xiàn)場單臺塔式起重機(jī)不能滿足吊裝要求，需改用雙機(jī)抬吊方案，致使工期延長、危險性較大且成本增加。為此在優(yōu)化設(shè)計時減小北側(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)計算能滿足設(shè)計要求，這一做法也征得了設(shè)計單位同意。優(yōu)化后的鑄鋼節(jié)點理論重量約47t，外形尺寸為4000mm×3800mm×3800mm，既滿足了運輸要求，也滿足了現(xiàn)場單臺塔式起重機(jī)的起重性能要求，降低了現(xiàn)場安裝風(fēng)險。

3.6 框架安裝順序

核心筒內(nèi)鋼框架加強(qiáng)層施工順序為：安裝伸臂框架勁型鋼柱→安裝伸臂框架下弦桿→焊接固定后開始爬升→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為：安裝塔樓外框鋼柱→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 錯層安裝

胎架安裝時需嚴(yán)格控制胎架的位置及標(biāo)高。外框拼裝時采用由點及面的順序進(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，同時拼裝后長時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

提升時需要注意如下事項。（1)觀測液壓提升系統(tǒng)壓力變化情況，定時做好記錄，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對。（2)上吊點提升平臺結(jié)構(gòu)工作情況。（3)外框提升過程的整體穩(wěn)定性。（4)提升鋼絞線的垂直度(應(yīng)控制在±1°以內(nèi))。（5)液壓提升系統(tǒng)設(shè)備的提升同步性。（6)激光測距儀配合測量各提升吊點在提升過程中的同步性。（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，同時為了有效控制焊接應(yīng)力，保證焊接質(zhì)量，本項目按如下原則進(jìn)行提升后焊接施工。

（1)同一外框節(jié)點兩側(cè)嚴(yán)禁同時焊接。（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，焊接施工時須先焊接下弦，后焊接上弦。

4.3.2 焊接關(guān)鍵控制技術(shù)

本項目為厚板，焊接過程中須嚴(yán)格控制焊接過程，須按規(guī)范要求做好預(yù)熱及焊接過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，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量，測量點應(yīng)在離電弧經(jīng)過前的焊接點各方向不小于75mm處；當(dāng)采用火焰加熱進(jìn)行預(yù)熱時，正面測溫應(yīng)在火焰離開后進(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，且在焊接過程中不應(yīng)低于這一溫度。

（5)焊接過程中層間溫度的控制

厚板焊接時，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)顯測溫儀，隨時對焊接點的前后方向，側(cè)面進(jìn)行測溫。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。

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

后熱溫度應(yīng)為200～250℃，保溫時間應(yīng)依據(jù)工件板厚按每25mm板厚不小于0.5h、且總保溫時間不得小于lh確定，本項目多為60mm厚板，最低須保溫1.5h。達(dá)到保溫時間后應(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)定時間保溫，然后使焊件緩慢冷卻至常溫。

結(jié)語：

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“錯層安裝+多輪次提升”的施工方法必將成為新的發(fā)展趨勢。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，縮短項目施工工期2個月，降低施工成本，有很高的推廣價值。該工程的施工為其他工程的類似工程打下了基礎(chǔ)，有利于推動大跨度重型外框結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。