高層建筑主體結構工程與施工技術

高 毅

(湖北省武漢市黃鶴樓公園管理處，湖北武漢 430060)

1 概述

在近代經(jīng)濟快速的發(fā)展與科技技術的進步導致了高層建筑出現(xiàn)了很大的改變，高層建筑的發(fā)展距今已經(jīng)有100多年的歷史了。世界上主要的高層建筑出現(xiàn)在美國、加拿大等國家中。這一現(xiàn)象一直持續(xù)到20世紀80年代末期，世界上高層建筑主要還是分布在北美洲。在1991年有一個公布世界建筑的排行表，在前100座最高的建筑中，美國一個國家占據(jù)了78座，墨西哥1座，加拿大5座，也就是說北美洲占了84%，成為了最高世界建筑的主要地區(qū)。

1.1 我國近代高層建筑的發(fā)展

第一階段:新中國成立到20世紀60年代末期。這個階段的建筑主要是在20層樓以下，建筑的結構主要是框架的形式。

第二階段:70年代這個階段的房子一般最高在20層～30層。主要是用來做住房、辦公以及旅館等。到1974年我國北京建成了20層的北京飯店，高達到了87.4 m，是當時北京最高的建筑群體。1976年建成的廣州白云賓館33層，112.45 m，剪力墻結構，是國內(nèi)首棟百米高層(見圖1)。

圖1 廣州白云賓館

第三階段:80年代，從1980年～1983年3年的時間就建成了自1949年以來30多年中所有高層建筑的總和。

第四階段:從90年代初開始。1)高層的建筑速度有了明顯的加快。1990年～1994年初期，每年建成的層數(shù)超過10層以上的建筑面積在1 000萬m2以上，占到了高層建筑的40%。2)超高層的建筑發(fā)展。高層建筑的發(fā)展更加快速，建成了許多超過200層以上的建筑。

1.2 國外現(xiàn)代高層建筑的發(fā)展

第一階段:是19世紀中期以前，主要建筑材料是磚石和木材，且設計手段和施工技術的限制，歐美國家一般只能建造6層及以下的建筑。

第二階段:是從19世紀初期到20世紀50年代。

1885年電梯系統(tǒng)的發(fā)展，使人們建造更高的建筑成為可能。

高層的建筑已經(jīng)發(fā)展到了采用鋼結構，并且高度已經(jīng)超越了100 m的難題。

第三階段:是從20世紀50年代開始發(fā)展。

由于采用的材料主要是輕質(zhì)的高強材料、采用的結構是抗風和抗震的結構體系，施工采用的技術和機械等方面取得了很大的進步，同時計算機技術在建筑上的應用使得高層的建筑得到了飛速的發(fā)展[1］。

世界上最高的建筑主要分布在美國，世界上最早采用的鋼筋混凝土結構的高層建筑是當時在美國1903年建成的辛辛那提的因格爾斯大樓。高64 m，16層，在1931年美國紐約建成了102層高381 m的著名的帝國大樓，這一記錄保持了41年之久，這一時期，雖然高層建筑有了比較大的發(fā)展，但受到設計理論和建筑材料的限制，結構材料用量較多、自重較大，且僅限于框架結構，建于非抗震區(qū)。

1990年至今，世界上新建的最高建筑，幾乎全部集中在亞洲區(qū)域;有不斷的建筑物超過200 m和300 m的高度。一般的建筑物的高都在80 m～150 m，同時還有大量的高建筑物在不斷的興建。到了21世紀，亞洲將成為新的高層建筑中心。

2 高層建筑結構施工概述

2.1 高層建筑的定義

1)世界建筑聯(lián)盟委員會在1972年建議，將高層的建筑劃分了四類:第一類:9層～16層，其高度不超過50 m;第二類:17層～25層，高度不超過75 m;第三類:26層～40層，高度不超過100 m;第四類:40層以上，高度100 m以上。

2)我國對高層建筑的分類:我國JGJ 37-87民用建筑的設計原則中規(guī)定:如果民用建筑的層數(shù)超過10層及10層以上或者是高度超過了24 m的公共的建筑物以及綜合性的建筑物統(tǒng)稱為高層建筑。同時如果層數(shù)超過了100 m我們就稱其為超高層建筑。

2.2 高層建筑的施工方法與結構體系

1)體系結構。框架結構[2］的體系結構是由柱體、梁通過結點連接組成的結構稱其為框架模型(見圖2)。優(yōu)點:建筑的布置較靈活，可以形成較大的空間;缺點:結果屬于柔性結構，在抗震、水平承受荷載差。在多層的房屋結構中框架結構使用很廣泛，同時也是高層的建筑中基本的單元，但其H/B≤5，否則無法滿足強度的要求，容易形成肥胖的橋梁柱剪力墻體系結構[3］，剪力墻體系結構是利用建筑物的外墻和內(nèi)墻作為主要的承重骨架來構成剪力墻的體系結構，一般的鋼筋混凝土墻H≥140 mm，此時的體系側向剛度很大，可以承受豎向、水平荷載。缺點:平面被分成了很多的小開間。施工方法:使用的大模、滑模施工框架—剪力墻體系結構，框—剪結構平面布置靈活，同時能夠很好的承受水平的載荷，并且抗震性很好。適用于15層～30層，H≤120 m的高層建筑。

圖2 現(xiàn)代高層建筑框架模型

2)筒中筒的結構體系。多筒的體系結構是指一個或幾個筒體作為重結構的高層建筑的體系結構，整個筒體如一個固定于基礎上的空心并且是封閉的懸臂梁，不僅可抵抗很大彎矩，也可抵消扭矩，是非常有效的抗側力體系。建筑結構布置靈活，單位面積結構耗材少。采用滑升模板施工較為適宜。

2.3 高層建筑施工的特點

高:建筑物的高度高，施工時垂直運輸量大。

深:基礎埋置深度深，天然地基埋置深度不小于1/12L;樁基不小于1/15L，深基礎給施工帶來很大的難度。

長:建筑物施工周期長。

密:高層建筑的施工條件復雜。

3 高層建筑主體結構施工用機械設備

3.1 塔式起重機

塔式起重機:高層建筑施工中主要是附著式(自升式)和內(nèi)爬式兩種。要求:起重臂要長;工作速度要高且能調(diào)速;采用小車變幅臂架;改善操縱條件。

選擇與布置:綜合考慮建筑物的高度、結構形式、構件重量、現(xiàn)場布置等，同時要兼顧裝、拆場地和建筑結構滿足錨固、爬升要求。

3.2 混凝土泵

混凝土泵:連續(xù)完成混凝土的水平運輸和垂直運輸，能有效解決混凝土量巨大的基礎施工以及占總垂直運輸量左右的高層建筑上部結構混凝土的運輸問題。

3.3 施工電梯

施工電梯:又稱人貨兩用電梯，是高層建筑施工設備中唯一可運送人員上下的垂直運輸設備。如不采用施工電梯，高層建筑施工中的凈工作時間損失將達30%左右。

主要運送對象是施工人員、材料、設備和工具等。

3.4 腳手架

鋼管扣件式腳手架。爬升式腳手架:套管式附著升降腳手架;懸挑附著升降腳手架;互爬式附著升降腳手架;導軌式附著升降腳手架。腳手架方案選擇原則:安全;適應性強(技術、進度滿足要求);可行、經(jīng)濟;合理選擇(依高度、結構、裝飾施工等)。

4 高層建筑主體結構的施工

4.1 高層框架結構的施工

全現(xiàn)澆鋼筋混凝土的結構施工:主要是解決模板的組合問題，高強度的混凝土的制造工具、泵送或者是無粘結構來進行現(xiàn)澆柱體、預制梁和樓板框架結構的施工:1)先進行澆柱，后吊裝預制的梁、板;2)先吊裝預制的梁，后澆柱，最后吊裝板。

4.2 高層建筑大模板施工

內(nèi)澆外掛體系:全部采用的是剪力墻大模板現(xiàn)澆;

內(nèi)澆外砌體系:外墻掛板改為砌磚;內(nèi)墻采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土;

全現(xiàn)澆體系:主要適合16層以上的高層，對內(nèi)隔墻，縱橫承重墻都是采用大規(guī)模現(xiàn)澆鋼筋混凝土。

4.3 高層建筑液壓滑升模板施工

整體性好，質(zhì)量高，抗震能力強[5，6］。

施工工藝:滑一澆一，滑三澆一。

筒體結構的施工方法:

1)施工的特點:標準的層很多;工程量很大;垂直運輸很多，工期也很長，需要考慮冬雨季施工。2)提模施工:是高層建筑現(xiàn)澆筒體結構的一種施工方法，運用升降機來提升墻、柱以及梁的模板，由第一層到頂層，等整個結構工程完成后，才能夠移除模板。

臺模:又稱為桌模、飛模，是一種由臺板、梁、支架、支撐、調(diào)節(jié)支腿及配件組成的工具式模板。實現(xiàn)一次組裝、整體就位、整體拆除和整體吊升。

工作原理:利用起重機械從已澆筑完的樓層中吊運至上層重復使用，中途不落地。

適用于高層建筑大柱網(wǎng)、大空間的現(xiàn)澆混凝土框架、框—剪，特別適合于無柱帽的無梁樓蓋結構工程施工。

5 高層建筑施工的安全技術

1)高層建筑腳手架的搭設和拆除:支撐牢固;設安全網(wǎng)、防護板等。

2)高層建筑施工的防雷保護措施:做好接地;裝避雷針等。

3)高層建筑施工其他安全措施:四口(樓梯口、電梯口、垃圾口、預留洞口)設蓋板;五臨邊(陽臺邊、屋面周邊、井架側邊、樓層周邊、斜道側邊)設雙層圍欄或設安全網(wǎng)。另要防電、消防安全等。

[1]GB 50011-2001，建筑抗震設計規(guī)范[S］.

[2]豐定國，王社良.抗震結構設計[M］.武漢:武漢理工大學出版社，2006.

[3]楊鵬宇.鋼結構高強螺栓連接施工[J］.山西建筑，2006，32(16):140-141.

[4]郝燕春.大型鋼網(wǎng)架安裝技術[J］.山西建筑，2007，33(10):195-196.

[5]魏明鐘.鋼結構[M］.武漢:武漢工業(yè)大學出版社，2002.

[6]沈祖炎.鋼結構基本原理[M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.