超高層鋼結構施工的復雜臨時支撐體系研究

鄭 俊

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

在超高層設計中，建筑設計師追求創新的建筑形式（建筑造型、建筑功能），部分傳統的施工工藝已無法滿足需求，需針對性地研發及創新一些特殊施工工藝。依托澳門沐梵世酒店鋼結構工程，研究介紹針對此工程研發的臨時支撐體系[1-4]，合理有效地解決施工過程中異形構件的臨時穩定問題，同時兼具安全防護、登高作業的功能，且達到低風險、低成本、高效率的目標，供類似工程借鑒。

1 工程概況

澳門新濠天地沐梵世酒店項目主樓高160 m，地下1層、地上42層。外觀的設計是組合式網狀結構，暴露的網狀結構外骨骼扭曲在一起，建筑中間設有3個“水滴”造型孔洞，體現出優美的曲線，呈現猶如抽象的數字“8”或雙環的形態（圖1、圖2）。采用雙體鋼筋混凝土核心筒、外框鋼結構異形框架所組成的框筒結構體系，為內筒（鋼筋混凝土核心筒）外骨架（鋼結構）高層結構，兩核心筒中間由桁架、鋼骨架等鋼構件連接，核心筒外設有不規則外露鋼骨架（主體承重結構），塔樓兩核心筒中空部分21、23、29、39層設有鋼桁架層，鋼結構總質量約30 000 t。

圖1 沐梵世酒店建筑效果圖

圖2 沐梵世酒店實景

L00～L07層為一區，該區多為較重的不規則節點組成的鋼骨骼；L07～L23層為二區，該區塔樓的外側為2層一循環規則節點組成的鋼骨骼，塔樓中空部分為異形鋼骨骼；L23～L37層為三區，該區塔樓的外側為3層一循環規則節點組成的鋼骨骼，塔樓中空部分為異形鋼骨骼；L37至頂層為四區，該區為較長桿件組成的規則鋼骨骼。外露鋼結構分區如圖3所示，異形結構區域如圖4所示。

2 臨時支撐體系的選擇

沐梵世酒店項目3個水滴造型及3個桁架連廊部位，未形成完整結構體系前無法自穩定，需針對性設計施工過程中臨時支撐體系用于保障施工過程中主體結構臨時穩定，考慮采用兩種支撐形式，二選其一。

2.1 空間立體支撐體系

圖3 外露鋼結構分區示意

圖4 異形結構區域示意

通過設計復雜的平面及立面桁架組成完整的臨時支撐體系，由地下1層直至地上39層，并在支撐體系中設置209個多種類型的托架，將雙核心筒間的復雜異形構件及3道桁架的施工荷載傳遞至支撐體系上，保證施工過程穩定。

臨時支撐體系立面按照標高分區為：基礎區L00～L06，范圍為 1.800～38.817 m；低區L06～L20，范圍為38.817～77.992 m；中區L20～L28，范圍為77.992～110.492 m；上部區域L28以上，范圍為110.492 m以上（圖5）。平面按照功能分區為南側外塔支撐、中心支撐、北側外塔支撐，3個區域通過平面桁架相互聯系。

圖5 空間立體支撐立面和平面分區示意

采用平面立面空間立體支撐體系，其特點為使用受力較為合理的空間桁架系統，總質量約3 000 t。優點為單件構件質量較輕，拆除過程中可以解體為容易拆除的單根小構件，便于人工拆除。缺點為桿件及截面形式數量眾多（工字鋼、角鋼、方鋼），體系復雜，安裝過程占用塔吊較多工作時間。

2.2 大型鋼管臨時支撐體系

由φ609 mm的鋼管組成管桁架支撐體系，由地下1層直至地上39層，支撐雙核心筒中間復雜異形鋼結構及鋼桁架。單根支撐管承載能力較強，構件數量較少，便于安裝（圖6）。臨時支撐體系分區為：基礎區L00～L06，范圍為1.800～38.817 m；中區L06～L28，范圍為38.817～110.492 m；上部區域L28以上，范圍為110.492 m以上。

采用大型鋼管支撐體系臨時支撐，其特點為使用多根鋼管組成支撐體系，單根支撐管承載能力較強，并可在L07層臨時支撐體系上搭設堆料平臺，可用于臨時堆放部分鋼結構構件，減輕地面堆場的堆放壓力，總質量約2 000 t。優點為鋼管構件數量少，整體安裝較為簡便，安裝過程中占用塔吊時間少。缺點為單根構件質量大，拆除難度較大，主體結構完成后塔吊無法協助拆除。

圖6 大型鋼管臨時支撐體系立面和局部布置示意

2.3 支撐體系選擇

對比兩種臨時支撐體系，同時考慮本項目中整體施工進度、施工費用控制等，最終選取結構形式較為規整，能夠提供高效鋼構件及節點支撐，拆除難度較小的空間桁架支撐體系作為最終整體臨時支撐體系。

3 臨時支撐體系中托架系統的設計

臨時支撐體系選用空間桁架系統，設計時與空間異形鋼構件及節點并無直接連接，需設計專用轉換托架，將構件自重及施工荷載傳遞至臨時支撐體系上，保證施工過程結構臨時穩定。

托架系統設計需求：結構輕巧，盡量做到人工能搬運，不能過多占用吊車吊裝時間；能夠對構件進行x、y、z方向及轉角的調節；待永久結構形成完整體系后能夠進行卸載作業；能夠重復使用。

3.1 托架系統一

托架系統一具有較大承載能力，能夠較好滿足多向調節需求，但是整體總量較大，調節方式較復雜。該形式托架系統調節精度較高，但是調節方式過于復雜，現場實際使用發現占用太多安裝時間，故未大規模使用，目前僅作為試驗（圖7）。

圖7 托架一效果圖

3.2 托架系統二

托架系統二具有較大承載能力，能夠較好滿足多向調節需求，但是整體總量較大，調節方式簡單（圖8）。

3.3 托架系統三

托架系統三具有較大承載能力，能夠較好滿足多向調節需求，能有效利用臨時連接板，無需改變永久結構，調節方式簡單（圖9、圖10）。

圖8 托架二效果圖

圖9 托架三效果圖

圖10 托架三施工現場

3.4 托架系統四

托架系統四具有極大的承載能力，能夠較好滿足多向調節需求，調節方式復雜（圖11、圖12）。

圖11 托架四效果圖

圖12 托架四施工現場

4 臨時支撐體系計算分析

臨時支撐體系計算分析涉及整體空間桁架體系計算及局部支撐托架系統計算。其中整體空間桁架體系計算，是通過建立支撐體系計算模型，并與主結構模型進行計算模型整合，施加結構自重、風荷載及施工荷載，并分成不同施工階段計算來模擬實際施工狀態，通過計算反饋結果再進行支撐體系調整，最終實現臨時支撐體系安全、高效以及經濟合理（圖13、圖14）。

托架系統計算通過整體計算模型計算結果得出的支撐節點反力，結合該節點所對應的托架形式，采用手算方式校驗托架的安全性。

5 臨時支撐體系卸載

整體結構共設置209個支撐托架，分布于3個“水滴”及桁架連廊周邊，據計算分析結果，分成9個卸載步驟依次進行卸載作業。

圖13 臨時支撐體系與主體結構合模計算示意

圖14 臨時支撐體系局部結構計算示意

卸載過程中，以位移控制為主，荷載控制為輔。每個卸載步驟分為4個循環進行，每個循環卸載5 mm，共卸載20 mm（圖15）。由計算分析結果可以得知，單點卸載后的最大變形值為20 mm，即卸載20 mm后，理論上所有的節點皆能脫離托架。每個循環過程由標高高的位置往標高低的位置依次進行。

圖15 臨時支撐體系卸載步驟示意

6 結語

澳門新濠天地沐梵世酒店鋼結構工程結構體系復雜，異形構件及節點眾多，給施工帶來極大的難度，通過合理設計臨時支撐體系，解決了異形構件及節點施工過程中臨時穩定問題，同時可以作為施工登高及平面通道，保證施工作業人員安全，順利推動施工開展，節約工期，兼具經濟效益及社會價值，可為類似的復雜鋼結構工程提供一定的參考。