超高層建筑鋼結構施工難點及對策研究

李 虎

陜西建工機械施工集團有限公司，陜西 西安 710032

隨著城市化快速建設、城市人口急劇增加，同時受土地集約、環境保護等因素的限制，超高層建筑在全國各地拔地而起，成為目前城市建設的主體。鋼材料作為超高層建筑必不可少的重要施工材料，其施工技術直接影響超高層建筑施工的安全、進度和質量[1]。對此，文章以國內某工程為實例，分析超高層建筑工程建設中可能遇到的施工難點，并探索其解決對策。

1 項目概況

該項目基地內有3座塔樓和1座裙樓。底座的中心是一個99層超高層辦公及酒店綜合樓（二期塔樓），基地西南側為47層辦公樓（一期塔樓），基地東側為35層辦公樓（三期）總建筑面積約686420m2（包括地上和地下），占地面積約315080m2。二期工程塔樓區域總面積約391120m2，包括二期工程塔樓、裙樓和地下室。

二期塔樓地上99層，地面主體結構高度為440m，包括帶桁架的外部框架、核心管（鋼支架）和支腿桁架結構，商業裙樓為地上6層結構，現澆鋼筋混凝土節點，地下室共有3層，局部有層間，為整體現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。該工程鋼結構主要分布在塔樓和裙樓中，鋼筋消耗量約73340t。裙樓的主要鋼結構形式有混凝土梁柱內鋼、鋼梁、鋼柱和桁架。塔樓主體鋼結構為巨型鋼柱外框、核心筒內鋼暗柱、核心筒內暗梁、鋼板剪力墻、壓型鋼板、鋼框架梁柱、支腿桁架、轉換桁架、帶式桁架和支架。三期鋼結構主要包括15層和30層的帶式桁架。二期塔樓共有6層桁架，分別位于15～17層、31～33層、47～49層、63～65層、79～81層和98～99層。該工程所用鋼材主要為Q235B、Q345B、Q345GJB、Q345GJC、Q390GJC。鋼結構的最大厚度為130mm。

2 施工特點、難點及對策

2.1 塔樓高度高，形狀復雜，施工難度大

（1）該工程鋼結構最大安裝高度為468m，結構復雜。塔樓地面為不規則橢圓，外框柱面用兩組對稱圓弧定位。外框柱從5樓向外傾斜，從27層向98層內傾斜。4～99層平面尺寸不斷變化，構件的截面尺寸和厚度逐漸減小。在施工過程中，不能按簡單的標準樓層進行施工，測量和精度控制困難[2]。

（2）工程任務復雜，重量約7萬t。圓管柱的最大橫截面直徑達到2800mm，最大儀表重量達到9.09t/m。節點最大重量為330t，分段后的單段為78t。在主樓鋼結構安裝過程中，裙樓與地下室同時施工對主樓重件堆場及豎向運輸影響較大、鋼結構安裝施工組織難度大。

（3）施工對策。①根據塔樓鋼結構的分布特點，提前做好各項施工準備，編制方案，特別是專項測量方案，對各斜鋼柱、彎扭構件、復雜節點進行詳細的測量控制，采用鋼桁架，并采取精度控制措施，確保施工精度滿足設計和規范要求[3]。②根據設計要求合理分段，現場施工選用大型起重設備，合理分析塔吊順序，確保現場施工進度滿足工期要求[4]。③堆場的設置應滿足吊裝范圍和靠近塔式起重機道路運輸的要求。對于地上施工階段，由于缺乏現場施工場地，考慮到構件數量較多，選擇在塔架及施工道路上方設置堆場。北側設在一樓，南側設在平頂樓。對于83層以上的施工階段，為便于鋼構件吊裝、滿足早期作業要求，在83層南側設置堆場。④對于復雜構件的施工主要從構件生產、現場測量和焊接三個方面進行控制。

2.2 鋼結構深化設計需考慮的因素眾多

深化設計是鋼結構施工的前提，深化設計的質量直接決定了工程建設的難度。

（1）工程結構復雜，節點形式多樣，部分節點設計不完善（鋼結構與土建、幕墻沖突）。

（2）深化設計單位的選擇。國內具備此類超高層工程深化設計能力的單位并不多，不利于深化設計的發展。

（3）預防性解決措施。①施工前應提前熟悉圖紙和模型，并盡早上報深化圖紙，在節點設計過程中，由項目部和技術部負責節點的生產安裝可行性審查，商務部負責協調設計和合同評審工作。②設計單位應采用現有的深化設計軟件，根據深化原則和設計意圖進行合理的深化，以便生產安裝。③技術深化合作單位應提前選定2～3家，開展工作應提前進行。④這個項目結構復雜，任務復雜，深化設計工作十分重要，在深化設計的過程中，有必要綜合考慮，為以后的施工打下良好的基礎，深化設計時需考慮的因素如表1所示。

表1 深化設計需考慮的因素匯總表

2.3 美標材料采購周期長

（1）該項目包含約4000t美國標準材料。據了解，目前購買美國標準材料從訂購到收貨大約需要140d，其中一些項目涉及的美標材料目前市場上沒有庫存，需要提前預約采購。但是，國外的規定是先付款后生產，這就給企業帶來了很大的項目進度管理風險和資金壓力。

（2）解決對策。①根據圖紙單獨列出所需的美標材料，結合施工進度順序，提前深化設計美標材料的局部結構（考慮必要的原材料采購、生產、運輸周期），并向設計師匯報確認美標材料訂貨清單。對于無法采購的材料，應提前與設計單位溝通，采用國標焊接鋼進行更換。②美標鋼和國標鋼的焊接工藝應事先進行評定，評定結果合格后方可進行焊接。

2.4 結構復雜且零部件制造難度大

（1）鋼構件內部結構復雜，剛性板較多。圓管柱內設有鋼管柱和“+”形剛性板，焊接接觸面多。箱形柱采用“+”型剛性板，最小截面尺寸為2000mm×2000mm，焊接空間狹窄，對大直徑厚壁圓管（最大截面尺寸為Φ2800mm×70mm）、方管構件和鑄鋼構件要求精度高。

（2）工程接縫復雜，數量多。復雜節理包括4個拼合節點和16個天圓地方轉換節點。典型的復雜部件如表2所示。

表2 典型復雜部件

（3）施工對策。①采用三維建模軟件模擬加工順序，制訂合理的加工方案和操作規程，充分考慮預拱、焊接收縮和變形。②采用數控平面鉆、三維數控鉆床等成孔設備。在預裝配過程中，采用先進的設備和測量方法，進行精確放線，保證構件的精度。③應有專人在工廠監造，嚴格監控零部件的生產過程，保證零部件的質量和進度，并根據現場具體情況及時調整。

2.5 現場施工精度控制難度大

（1）該工程鐵塔部分構件重量大，工作面高度高，給現場安裝帶來不便。

（2）構件截面大，板厚大，焊接后應力減小，變形控制要求高。

（3）塔樓外框柱傾斜角度不同，彎扭柱雙向傾斜，對測控要求高。鋼結構的變形和沉降對鋼結構的安裝精度影響較大。

（4）施工對策。①在保證塔機安全運行的前提下，應結合鋼結構體系和施工特點，對鋼構件進行合理的分段，以保證施工安全和工期。②應保留特厚鋼板進行焊接，并采用預熱和保溫的方法降低殘余應力，為了減小構件超厚鋼板的焊接變形，應采用合理的分段和焊接工藝。③嚴格控制平面和高程精度、監測鋼柱控制結構變形。④項目所在地夏季氣溫較高，溫度變形控制也是測量控制的一個重要方面。

2.6 超高空作業安全隱患多

（1）當建筑物超過規定高度時，高空作業存在較多的安全隱患。

（2）外框柱為大截面鋼管柱，柱內豎向加強板需現場焊接，以保證現場通風良好。保證操作人員安全，不影響焊接質量，是現場施工的一大難點。

（3）17層以下的塔樓和裙樓需要提前操作，上部鋼結構的施工對其安全使用影響很大。

（4）施工對策。①制訂專項安全防護措施，深化施工安全防護措施。②加強高處作業安全監督管理，對安全風險較大的施工作業，增強安全巡查和安全施工旁站管理，及時處理隱患。③施工前合理布置鋼結構堆場及安全防護措施，確保早期作業的安全。

2.7 多專業交叉綜合施工困難

（1）鋼結構施工與其他主體施工在平面和立面同時進行。受民用建筑頂層模板和鋼結構特性等諸多因素的影響，鋼結構建筑不能與其他專業在立面上分開進行，不可避免地導致工作面被共同占用，甚至會受到與土木工程有關的工作的約束。

（2）施工對策。①鋼結構施工部署應根據總體施工部署進行，并及時調整。②應保持與其他專業的密切聯系，對于專業施工，應派專人進行聯系和溝通，制訂鋼結構施工各階段的現場計劃，使工序重疊合理，施工程序順暢。

3 結束語

超高層建筑能較好地滿足人們的現實居住需求，成為未來建筑業發展的趨勢。鋼結構施工對超高層建筑的建設水平有重要的影響，不僅豐富了建筑的結構與功能，還全面提升了建筑的美感。相關研究人員需不斷總結、研究和創新超高層鋼結構安裝技術，積累寶貴的施工經驗，以便在未來更快、更好地進行超高層鋼結構安裝作業，提升建筑行業整體發展水平。