超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層逆向施工技術(shù)及施工控制研究

馮永強

【摘要】現(xiàn)代社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展使得人們對于建筑居住空間的使用要求也越來越嚴格，建筑本身的結(jié)構(gòu)也逐漸向著復雜化、高層化、功能多元化的方向轉(zhuǎn)變。超高層建筑相較于一般的高層建筑來說，為了能夠滿足人們對于建筑使用功能的要求，往往會在上層運用小開間小進深的軸網(wǎng)設計，中部較上層來說軸網(wǎng)需要進一步加大，下部則需要選擇大開間的房間設計。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況來分析，樓層的受力情況為由上至下逐漸遞增，因此尋常的結(jié)構(gòu)設計一般為下方到上訪剛度依此降低，利用墻柱數(shù)量的控制來實現(xiàn)柱網(wǎng)面積的拓展。還需要將建筑的使用功能及結(jié)構(gòu)受力情況兩大要點進行分析與比對，整體結(jié)構(gòu)在設計環(huán)節(jié)需要選擇反常規(guī)設計的方式，僅滿足建筑功能要求的話往往會導致安全性能無法兼顧，對此為滿足建筑功能和受力、安全等多方要求，超高層建筑鋼桁架應用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層逆向施工技術(shù)成為了一個很好的選擇。本文主要以天津津灣廣場建筑為中心，該建筑為超高層商用辦公多功能建筑，結(jié)構(gòu)主要為核心筒—框架結(jié)構(gòu)，建筑8層設計鋼桁架轉(zhuǎn)換層，利用鋼桁架轉(zhuǎn)換層將上部結(jié)構(gòu)的外框柱更換為下部結(jié)構(gòu)的4根角柱及8根組合巨柱。并且在轉(zhuǎn)換層鋼桁架下弦設計有吊柱，用來承受5層和6層的樓面負荷。但吊住施工難度較大，如何在達到受力要求的同時完成轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計成為了一個問題，因此針對該工程的施工技術(shù)方案及施工控制展開論述。

【關(guān)鍵詞】超高層建筑;鋼桁架轉(zhuǎn)換層;逆向施工技術(shù)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

20.

引言

如今城市化建設的全面深入使得建筑的高層化成為了一種普遍現(xiàn)象，其中超高層建筑更是成為了城市發(fā)展水平的一種體現(xiàn)。鋼桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在超高層建筑設計與建造中的應用使得超高層建筑的發(fā)展也獲得了關(guān)鍵的推助力，這一結(jié)構(gòu)不僅有效改善了原本超高層建筑結(jié)構(gòu)受力和使用功能間具有的矛盾，同時憑借其強度大、重量輕、受力性能優(yōu)良等特性，使其在超高層建筑中獲得了廣泛的應用。針對津灣廣場建筑來說，鋼桁架轉(zhuǎn)換層尤其是下設吊柱導致的施工難度提升現(xiàn)象，若采用常規(guī)施工方案難以保證其功能性，結(jié)合現(xiàn)場情況，確定最后的方案決策，給出鋼桁架轉(zhuǎn)換層和吊柱施工方案，運用創(chuàng)新性理論解決支撐變吊柱的物理矛盾。

一、項目背景

該項目為天津市和平區(qū)的一座商業(yè)辦公多功能建筑，總面積為20.9×104m2，總高299.8m。為了能滿足建筑空間的功能性需求，選擇鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)成建筑的外框，運用鋼桁架轉(zhuǎn)換層實現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力的轉(zhuǎn)換。8層鋼桁架轉(zhuǎn)換層的設計主旨便是受力轉(zhuǎn)換的承接，實現(xiàn)由密柱到疏柱的轉(zhuǎn)換。8層鋼桁架轉(zhuǎn)換層有著22.5m的大跨度結(jié)構(gòu)，也采用了罕見的轉(zhuǎn)換層下設置吊掛層，結(jié)構(gòu)設計建模以及參數(shù)選取具有一定難度，因此施工計算成為了工程設計與建設中的難點問題。相較于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)施工來說，鋼桁架轉(zhuǎn)換層施工在施工控制方法方面更加重要，結(jié)合控制方法的桁架施工分段計算以及桁架節(jié)點驗算等都會對控制方法帶來影響。

二、超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層逆向施工技術(shù)方案

1.施工問題及方法闡述

該項目結(jié)構(gòu)為框架—核心筒結(jié)構(gòu)，外部框架為鋼結(jié)構(gòu)，1～8層為巨柱角柱組合，8層以上的結(jié)構(gòu)負載將會傳遞到基礎中。為了能夠達到軸線轉(zhuǎn)換需求，8層需要設計鋼桁架轉(zhuǎn)換層，1～5層屬于大空間結(jié)構(gòu)，但在此之上的樓層，結(jié)構(gòu)的功能也有了變化，樓板重量進一步提高。為了能夠滿足1～5層結(jié)構(gòu)需求，地面結(jié)構(gòu)不設計支撐柱，選擇吊柱將其固定在鋼桁架轉(zhuǎn)換層，使其成為6～7層荷載向組合巨柱傳遞的媒介。鋼桁架轉(zhuǎn)換層使得建筑結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)設計也有了變化，建筑功能也實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變，這也為超高層建筑設計功能性做好了鋪墊，吊柱設計不僅確保低層建筑大空間功能需求，同時上層空間的設計空間也有了進一步拓展。

鋼桁架轉(zhuǎn)換層的施工方法如下：1）桁架吊裝。桁架吊裝相交于其他方法來說更加便利，只需要在地面進行拼裝，再通過吊裝的方式安裝為整體即可;2）懸挑施工。這也是目前的一種新型方法，在鋼結(jié)構(gòu)施工中應用較為廣泛，結(jié)構(gòu)不斷向外延伸進行安裝;3）施工支撐設計。施工支撐是鋼桁架轉(zhuǎn)換層施工的主要手段，在需要支撐的結(jié)構(gòu)下方搭設型鋼支撐，為鋼桁架施工提供平臺。在該項目中，吊車能力受限無法采用整體吊裝的方案，懸挑施工針對柱的抗彎型具有一定要求，所以選擇臨時施工支撐設計的方案。而這也使得鋼桁架轉(zhuǎn)換層的最高跨度達到了22m以上，所以桁架體積與重量也有了提高，在實際施工中需要采用分步安裝法，根據(jù)由下至上的流程，吊柱施工需要在6層和7層框架梁施工結(jié)束后再進行吊柱安裝，將樓面荷載傳遞到轉(zhuǎn)換層桁架，但這也迎來了一個難題，轉(zhuǎn)換層桁架施工前無法實現(xiàn)吊柱安裝，轉(zhuǎn)換層桁架也無法承載荷載，對此需要找到一個新的控制方法來替換傳統(tǒng)方法。

2.吊柱施工方案

建筑的正常使用需要由設計到施工所有結(jié)構(gòu)都能達到受力及傳力要求，不同構(gòu)建有著不同定位，在某一位置負責傳力工作。鋼吊柱施工也需要利用這一機制來達到建筑要求，據(jù)上述來看，吊柱施工的開展仍然需要解決一些問題，而面對這些問題，理想的施工過程如下：1）吊柱施工理想結(jié)果。先完成吊柱安裝，再進行鋼桁架轉(zhuǎn)換層施工，在完成施工后能夠順利達到施工預期效果;2）實現(xiàn)理想結(jié)果的阻礙。鋼桁架轉(zhuǎn)換層重量過大，安裝只能現(xiàn)場拼接，所以需在轉(zhuǎn)換鋼桁架下弦全部節(jié)點設計支撐;3）如何規(guī)避這一阻礙。轉(zhuǎn)換層鋼桁架安裝過程中，受壓臨時支撐轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾踔?4）規(guī)避阻礙的可用條件。轉(zhuǎn)換層鋼桁架安裝下弦設計的臨時支撐，若能實現(xiàn)受壓臨時支撐轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾е敲淳涂梢赃_到理想結(jié)果。

3.技術(shù)方案整合與評價

根據(jù)上述施工控制方法的研究，能夠設計一個轉(zhuǎn)換桁架施工中的逆向施工方法，具體程序如下：1）先實現(xiàn)1～7層的框架梁及柱結(jié)構(gòu)施工，以及臨時支撐桁架和吊柱安裝;2）根據(jù)吊柱和臨時支撐構(gòu)成的支撐平臺，實施轉(zhuǎn)換桁架施工;3）在桁架轉(zhuǎn)換層作業(yè)結(jié)束后，進行桁架卸載;4）完成桁架卸載后實施桁架上部結(jié)構(gòu)施工，拆除臨時支撐;5）在轉(zhuǎn)換桁架下?lián)线_到最高時焊接吊柱，并完成上部結(jié)構(gòu)的后續(xù)環(huán)節(jié)，拆除臨時桁架和5～6層樓板。

技術(shù)方案的評價如下：1）一改傳統(tǒng)施工中依賴外部施工支撐的現(xiàn)狀，運用吊柱當作施工支撐，施工成本有了進一步控制，施工效率也有了提高;2）在連接板中設計長圈孔，利用調(diào)節(jié)螺栓的方式達到桁架下移的要求，實現(xiàn)桁架的快速卸載;3）逆向施工法的運用使得桁架轉(zhuǎn)換施工有效滿足了上下結(jié)構(gòu)同步開展的要求，施工效率也進一步提高。

三、超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層逆向施工控制策略

施工控制理論能夠使工程能夠在多種不確定因素之下完成預期功能，當前控制理論經(jīng)過不斷的發(fā)展已經(jīng)有了很多分支，以基本的理論和方法來看，分為最優(yōu)控制、線性系統(tǒng)理論及自適應控制等。在該項目中，具體的施工控制內(nèi)容與方法如下：

1.施工控制內(nèi)容

施工控制內(nèi)容主要包括構(gòu)件的應力與形變等參數(shù)，將安全施工作為基本要素，針對結(jié)構(gòu)的應力和應變等進行控制，確保施工期間的應力應變能夠穩(wěn)定在合理區(qū)間，一同作用在建筑的全部施工環(huán)節(jié)。

（1）變形控制

該工程中構(gòu)件的形變現(xiàn)象基本難以規(guī)避，而如何將結(jié)構(gòu)變形量控制在合理范圍中就成為了一個重要問題。為了能夠避免施工期間結(jié)構(gòu)的嚴重變形，一般可以在施工之初利用預應力構(gòu)件、設計預調(diào)值等方式來進行控制。桁架轉(zhuǎn)換層的變形控制一般要選擇拼裝過程的反變形來實現(xiàn)。

（2）應力控制

構(gòu)件的界面形式選擇一般需要考慮受力方式，若選擇的構(gòu)件受力轉(zhuǎn)變的非正確方案，可能會存在嚴重的質(zhì)量或安全問題。因此構(gòu)件應力重分布需要進行全面監(jiān)測，反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)并進行理論計算值的分析，對下一施工的所需條件進行整改。

（3）穩(wěn)定控制

建筑失穩(wěn)可能會導致傾斜、塌陷等嚴重問題，而引起失穩(wěn)的因素很可能僅僅是某一個構(gòu)件。如法國戴高樂機場候機大廳便是一個典型的案例。現(xiàn)代建筑尤其是超高層建筑，不但要考慮好建筑結(jié)構(gòu)的強度與剛度，同時穩(wěn)定性也非常重要，只有保障建筑穩(wěn)定性，才能確保施工與運行的安全性。

（4）卸載控制

根據(jù)TRIZ理論，吊柱是施工過程中的主要支撐結(jié)構(gòu)，但兩個桁架構(gòu)件的銜接位置也需要設計支撐輔助系統(tǒng)，從而與吊柱一同實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的有效支撐，確保桁架施工能夠快速完成。對此需要對桁架的施工特征進行分析，設計輔助支撐系統(tǒng)，為規(guī)避平面外失穩(wěn)等問題，支撐需要設計在框架梁上。臨時支撐架利用外框架和核心筒的連接框架梁作為平面外失穩(wěn)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，臨時支撐架結(jié)構(gòu)一般包含了臨時傾撐、臨時支撐柱、臨時鋼梁等，在桁架施工結(jié)束后需要進行及時卸載。施工支撐的卸載與受力轉(zhuǎn)換及應力重分布相關(guān)，也會受施工現(xiàn)場環(huán)境因素影響，難以同時完成所有支撐的卸載，因此選擇科學的卸載控制方案至關(guān)重要。

2.施工控制方法

超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層逆向施工控制方法在其基本思路上有著開環(huán)、閉環(huán)、自適應三種控制模式。超高層建筑對于建設質(zhì)量具有更高要求，并且鋼桁架轉(zhuǎn)換層的應用使得整體施工過程變得更為冗雜，結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)變使得施工中也增添了一些不確定因素。該項目的施工控制以閉環(huán)控制為主，以自適應控制為輔。

（1）開環(huán)控制

開環(huán)控制是一種常見的施工控制方法，經(jīng)過理論計算和分析之后，結(jié)合現(xiàn)有的設計參數(shù)進行計算，獲得結(jié)構(gòu)的理想狀態(tài)，同時對結(jié)構(gòu)施工中的盈利應變分布進行調(diào)節(jié)，掌握施工過程的穩(wěn)定狀況。在完成施工后，投運的結(jié)構(gòu)可以達到結(jié)構(gòu)設計的預期效果，內(nèi)力穩(wěn)定性較強。

（2）閉環(huán)控制

超高層建筑相較于尋常建筑來說更為復雜，所以無法單純依賴經(jīng)驗施工的方式完成控制，需要采用模擬軟件對施工全過程進行模擬，但模擬過程也可能具有一定局限，需要針對可能出現(xiàn)的誤差進行調(diào)節(jié)，尋找更適合項目的施工控制方法。

（3）自適應控制

閉環(huán)控制能夠滿足很多超高層建筑施工需求，但相比之下自適應控制也非常適合本項目施工，利用現(xiàn)代計算機監(jiān)測控制的功能，對施工各環(huán)節(jié)實施動態(tài)化監(jiān)控，將得到的狀態(tài)參數(shù)信息向操作人員反饋，結(jié)合實際參數(shù)來調(diào)整計算模型參數(shù)。自適應控制的理論研究目前也取得了可喜的成果，但該系統(tǒng)仍然需要進一步改進，針對很多空間鋼結(jié)構(gòu)來說，閉環(huán)控制為主，自適應控制為輔的方法更加適宜。

結(jié)論：

目前，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的全面推行，鋼結(jié)構(gòu)建筑作為綠色施工技術(shù)的一種也獲得了廣闊的發(fā)展空間，而建筑的高層化也早已成為了一個主流趨勢，這使得鋼結(jié)構(gòu)高層建筑也應運而生。鋼桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力形式較為簡單，結(jié)構(gòu)空間設計更加靈活，但桁架施工卻存在很多難點問題，因此需要根據(jù)現(xiàn)場條件采用逆向施工的技術(shù)方案，并做好施工中的控制工作，確保施工目標的圓滿完成。

參考文獻：

[1]張良，張莉莉，張玉品，付繼新，吳華.超高層桁架轉(zhuǎn)換層鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2015：45-48.

[2]高京奕.某超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層及吊柱施工技術(shù)[J].工程機械與維修，2019：107-108.

[3]超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層逆向施工方案及施工控制研究[D].燕山大學，2018.

[4]馬齊鋒.關(guān)于超高層桁架轉(zhuǎn)換層鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)探析[J].建材與裝飾，2018：5-6.