超高層建筑裙房鋼結(jié)構(gòu)工程綜合施工技術(shù)

王林峰

上海城投公路投資（集團(tuán)）有限公司 上海 200335

當(dāng)今的超高層建筑往往都會(huì)配置具有商業(yè)和設(shè)備功能的大型裙房，由于超高塔樓的存在，裙房的施工具有如下的鮮明特點(diǎn)和難點(diǎn)：

1）裙房是個(gè)專業(yè)綜合性較強(qiáng)的分項(xiàng)工程，鋼結(jié)構(gòu)幕墻屋面專業(yè)系統(tǒng)之間的空間關(guān)系將會(huì)比較復(fù)雜，深化設(shè)計(jì)需要進(jìn)行充分的協(xié)同，以確保正確性。同時(shí)，結(jié)構(gòu)施工需要為后一道幕墻屋面工序的開展提供作業(yè)面和工藝條件。

2）對(duì)裙房施工本身來講，受主樓結(jié)構(gòu)施工先行的影響，狹小空間內(nèi)裙房施工塔吊的布置和支承具有較高的安全要求和難度。

3）裙房的建筑往往比較新穎和不規(guī)則，必然帶來復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)體系的安裝技術(shù)和工藝難題。

本文基于上述的特點(diǎn)和難點(diǎn)分析，以某超高層建筑裙房鋼結(jié)構(gòu)為案例，圍繞鋼結(jié)構(gòu)幕墻屋面專業(yè)協(xié)同管理技術(shù)、狹小空間內(nèi)的塔吊布置和支承技術(shù)、鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)及工藝方法等進(jìn)行深入剖析和介紹，希望能夠?yàn)榻窈蟪邔咏ㄖ狗夸摻Y(jié)構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)手段和參考[1-3]。

1 工程概況

某超高層建筑裙房，建筑高度（雙曲型屋面）為38 m，建筑面積為24 600 m2，地上設(shè)有7個(gè)樓層，頂部2層用作設(shè)備用房，其余為商業(yè)用房，其功能主要為會(huì)議和宴會(huì)廳等。整個(gè)建筑外立面通過雙曲的“金色基底玻璃＋直立鎖邊”屋面系統(tǒng)和多達(dá)十幾種類型的幕墻系統(tǒng)構(gòu)成（圖1）。

圖1 建筑效果圖

裙房采用“鋼框架支撐＋混合巨型柱”結(jié)構(gòu)體系，由抗側(cè)體系和重力承載體系兩部分組成（圖2），總用鋼量達(dá)7 000 t?？箓?cè)體系主要由型鋼混凝土巨柱以及鋼支撐框架體系組成（圖3）。重力承載體系主要由巨型桁架和樓面鋼桁架（鋼梁）及鋼柱組成，重力荷載通過樓面系統(tǒng)傳遞給巨型桁架，再由巨型桁架傳給鋼柱，最后傳給基礎(chǔ)（圖4）。

圖2 結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 結(jié)構(gòu)立面

圖4 典型結(jié)構(gòu)剖面及傳力路徑

2 專業(yè)協(xié)同管理技術(shù)

裙房建筑異形、空間復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)幕墻屋面存在眾多界面、空間、工藝構(gòu)造和施工流程方面的問題。將鋼結(jié)構(gòu)、幕墻和屋面作為一個(gè)“三位一體”的有機(jī)整體進(jìn)行深化設(shè)計(jì)協(xié)同和一體化施工管理，能夠更加高效和有序地確保工程安全、質(zhì)量和進(jìn)度。

2.1 協(xié)同深化設(shè)計(jì)

綜合運(yùn)用信息化模型平臺(tái)和合模技術(shù)，將裙房的鋼結(jié)構(gòu)、幕墻和屋面信息化模型進(jìn)行整合，全面查找碰撞、空間不足等問題，并在深化設(shè)計(jì)出圖前通過修正或優(yōu)化的方式對(duì)其加以解決，避免了施工現(xiàn)場(chǎng)的返工或修改。在整個(gè)裙房合模校核的過程中，依次解決了如下主要問題：

1）鋼結(jié)構(gòu)與幕墻系統(tǒng)碰撞的問題，通過優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)截面和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式妥善解決（圖5）。

2）鋼結(jié)構(gòu)與屋面空間尺寸不足的問題，通過事先調(diào)整屋面鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)高來留設(shè)足夠的屋面支承構(gòu)造空間（圖6）。

2.2 一體化施工管理

裙房的鋼結(jié)構(gòu)、幕墻和屋面工程是一個(gè)工藝搭接、高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，需要按照產(chǎn)品的生產(chǎn)流程和工藝進(jìn)行一體化管理，方能建造精品。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)與幕墻碰撞檢查

圖6 鋼結(jié)構(gòu)與屋面碰撞檢查

在施工流程安排上，鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)同步考慮后續(xù)幕墻和屋面的流水搭接施工，確保整體最優(yōu)工期。本工程中裙房施工流程為：東裙房鋼結(jié)構(gòu)施工→東裙房屋面系統(tǒng)施工→西裙房鋼結(jié)構(gòu)施工（考慮主樓與裙房后澆帶的封閉因素）→西裙房屋面系統(tǒng)施工→東裙房幕墻施工→西裙房幕墻施工。同時(shí)，合理考慮了西裙房與主樓后澆帶的封閉，東西裙房的屋面和幕墻的連續(xù)施工，屋面及早斷水為二結(jié)構(gòu)和機(jī)電安裝創(chuàng)造工作面等關(guān)鍵因素。

在施工過程質(zhì)量控制上，根據(jù)后一道工序的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)去嚴(yán)格控制前一道工序的施工質(zhì)量（尤其是精度控制），并通過跟蹤測(cè)量和過程靜態(tài)模擬的技術(shù)加以校核，確保了工序移交后工作的流暢和高效，本工程中對(duì)與幕墻和屋面密切連接的鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度進(jìn)行了重點(diǎn)控制，為幕墻和屋面的施工創(chuàng)造了最佳條件（圖7）。

圖7 裙房幕墻屋面系統(tǒng)類型及分界

3 塔吊布置及支承技術(shù)

對(duì)結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件分段、起重性能、施工工期、堆場(chǎng)布置、塔吊裝拆便利性等進(jìn)行綜合研究，確定采用1臺(tái)M900D塔吊，并將其置于⑤軸結(jié)構(gòu)頂板上（圖8），可以最大效率地完成吊裝和拆除任務(wù)，并將對(duì)場(chǎng)地布置和地下室施工的影響降到最低[4-6]。

為減小對(duì)裙房地下室結(jié)構(gòu)及后一道工藝施工的干擾，創(chuàng)新性地采用在土建結(jié)構(gòu)樓板上的狹小空間內(nèi)設(shè)置大型塔吊轉(zhuǎn)換支承基礎(chǔ)的方式進(jìn)行塔吊的設(shè)置。大型塔吊的轉(zhuǎn)換底座由4根呈“井”字形布置的箱形梁及加勁板組成，在轉(zhuǎn)換箱梁上設(shè)置法蘭盤與塔吊底座進(jìn)行連接（圖9）。轉(zhuǎn)換箱梁與土建結(jié)構(gòu)地下室頂板混凝土梁上的預(yù)埋件焊接固定，并針對(duì)承載力不足的混凝土梁進(jìn)行鋼支撐加固（圖10）。

圖8 塔吊布置立面示意

圖9 塔吊轉(zhuǎn)換底座系統(tǒng)

圖10 混凝土支承梁加固示意

4 鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)及工藝方法

通過對(duì)裙房鋼結(jié)構(gòu)體系的成型特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)分段、施工順序、特殊工藝進(jìn)行研究，并通過施工模擬的有限元分析輔助驗(yàn)證，最終確定了整體施工技術(shù)路線和施工流程。

4.1 鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)路線

主要施工流程劃分原則如下：先柱后梁、先巨型桁架后樓面桁架、設(shè)置臨時(shí)支撐、及時(shí)形成空間穩(wěn)定體系。

合理技術(shù)流程的確定，為鋼結(jié)構(gòu)深化、材料的采購(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)的加工制作和現(xiàn)場(chǎng)安裝的連續(xù)流水作業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)安裝工藝方法

在裙房鋼結(jié)構(gòu)安裝中較為特殊的安裝工藝，是施工流程推進(jìn)中的關(guān)鍵技術(shù)，主要有巨型桁架安裝工藝和臨時(shí)支撐卸載工藝兩部分內(nèi)容。

4.2.1 巨型桁架安裝工藝

裙房鋼結(jié)構(gòu)采用順作法進(jìn)行施工，從結(jié)構(gòu)體系角度分析，結(jié)構(gòu)由懸掛結(jié)構(gòu)、巨型鋼梁、巨型桁架和懸挑結(jié)構(gòu)等多種系統(tǒng)組成；從構(gòu)件安裝角度分析，由于構(gòu)件質(zhì)量和體積較大，無法一次成型，在結(jié)構(gòu)逐步成型的過程中必須設(shè)置大量的臨時(shí)支撐（圖11、圖12）。其中，④軸、⑥軸、⑦軸和⑧軸為巨型桁架結(jié)構(gòu)。

圖11 ④軸巨型桁架分段及臨時(shí)支撐設(shè)置

圖12 ⑥軸巨型桁架分段及臨時(shí)支撐設(shè)置

4.2.2 臨時(shí)支撐卸載工藝

在結(jié)構(gòu)合攏后，根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的傳力路徑和特點(diǎn)確定合理的支撐卸載順序，確保施工完成后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形達(dá)到最佳性態(tài)。卸載分為2個(gè)階段：④軸以東臨時(shí)支撐卸載和④軸以西臨時(shí)支撐卸載。卸載時(shí)，利用鋼管臨時(shí)支撐上的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置將臨時(shí)支撐長(zhǎng)度收縮，使臨時(shí)支撐上的受力逐步轉(zhuǎn)換到主體結(jié)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的卸載和最終成型。主要卸載順序?yàn)樾遁d樓面系統(tǒng)臨時(shí)支撐，完成樓面系統(tǒng)的成型→從④軸至⑧軸，從上至下依次卸載④軸、⑥軸、⑦軸、⑧軸的巨型桁架臨時(shí)支撐，將所有的樓面荷載傳遞至巨型桁架→從上至下依次卸載④軸以西懸挑部位樓面桁架（5F）和樓面箱梁（2F）臨時(shí)支撐→完成結(jié)構(gòu)體系的最終成型[7]。

施工全過程模擬分析結(jié)果表明，整個(gè)施工全過程安全可控，主體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為75 MPa，臨時(shí)支撐應(yīng)力最大值為97 MPa，考慮構(gòu)件穩(wěn)定后應(yīng)力比為0.55，主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐應(yīng)力均滿足要求；施工完成后結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為75 MPa（圖13）＜設(shè)計(jì)值85 MPa，變形最大值29 mm（圖14）＜設(shè)計(jì)值30 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 卸載完成后結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（最大值75 MPa）

圖14 卸載完成后結(jié)構(gòu)變形云圖（最大值29 mm）

5 實(shí)施效果

本文圍繞鋼結(jié)構(gòu)幕墻屋面專業(yè)一體化管理技術(shù)、狹小空間內(nèi)的塔吊布置和支承技術(shù)、鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)及工藝方法等進(jìn)行了深入剖析，這些研究成果在本超高層裙房鋼結(jié)構(gòu)工程中得到了成功的應(yīng)用。

工程實(shí)施歷經(jīng)5個(gè)月左右的時(shí)間，提前1個(gè)月完成了鋼結(jié)構(gòu)安裝，整個(gè)施工過程安全可控，施工精度滿足后一道工序幕墻和屋面的要求，真正做到了“結(jié)構(gòu)成型安全可控、成型結(jié)構(gòu)精度可控”的雙重目標(biāo)。希望本文的研究能夠?yàn)榻窈蟪邔咏ㄖ狗夸摻Y(jié)構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)手段和參考資料。