一種超高層特有超重SRC柱組合柱基分解施工技術

芮 揚

上海建工七建集團有限公司 上海 200050

1 工程概況

全混凝土結構的超高層建筑很少超過200 m。天津于家堡金融區起步區華夏金融中心項目為1棟辦公樓及2棟附樓。結構形式為：主樓筒中筒結構，附樓框剪結構；總建筑面積191 850 m2。該地塊主樓地下3層、地上54層，建筑高度約246 m，是一棟以辦公為主，附帶商業的超高層建筑。

主樓結構形式為密肋柱筒中筒全混凝土結構，外筒為密柱，單層柱數93根，柱距1.2 m，柱截面1.2 m×1.2 m，單層面積達到2 400 m2，核心筒面積約700 m2。外筒柱僅16層以下4個角柱采用了勁性結構，外框柱與核心筒之間采用輻射梁連接。

2 SRC柱組合柱基設計

全混凝土結構設計的天津華夏金融中心主樓高達245.9 m，其結構設計還有一個最大的特點，即采用了外排密混凝土柱的結構設計，但是所有的混凝土柱很少采用勁性結構，僅在主樓四角設計有4根大截面的SRC鋼骨混凝土柱。4根鋼骨混凝土柱的鋼骨截面大，插入層數從基礎底板開始直至結構16層。

設計的SRC柱的技術參數和柱腳形式如下： 主樓鋼結構有4根工字型組合鋼柱。柱腳采用Q345GJ鋼，為組合式型鋼構件，構件板厚40 mm。單個柱腳構件帶附翼的總長接近5.2 m，寬度為1.2 m，高度為3.4 m，單個構件質量達到14.16 t。

3 SRC柱組合柱基的施工條件及難點分析

3.1 超重SRC柱組合柱基施工條件

組合柱基埋件單體龐大，質量超重，與此同時，項目的周邊場地條件卻非常有限，主樓柱腳的平面位置與基坑邊緣最近距離為26 m，最遠距離為75 m，距離現場主樓配置的塔吊位置最近為12.1 m，最遠為25.5 m。同時，組合柱腳施工期間，現場的主樓調整后的2部塔吊沒有安裝（圖1）。

圖1 組合鋼骨柱位置與周邊機械、道路關系

3.2 施工難點分析

1）組合柱基埋件設計單體構件總質量達到14.16 t，根據現場實際吊車設置情況，以及場地條件，單構件吊裝極其困難。

2）組合柱基埋件設計單體平面尺寸長達5.2 m，高度達3.3 m，空間上占據的立面面積非常龐大，尤其是柱腳兩側的腹板，直接對基礎底板的鋼筋綁扎帶來很大影響。

3）SRC勁性鋼骨的柱腳采用插入式設計，設置于主樓基礎底板內，底板厚度達到3.5 m，基礎底板中結構設計了共8層鋼筋，鋼號均為三級鋼。上皮鋼筋直徑為32 cm，分3層；下皮鋼筋直徑為32 cm，分3層；中間鋼筋直徑為16 cm，分2層。主樓底板鋼筋邊緣伸入裙房基礎底板中，并且組合柱腳位置的立柱是鋼骨柱，柱腳外側還設計有混凝土結構，鋼骨混凝土柱截面呈等腰梯形，最大的截面尺寸為：上底寬2.4 m、下底寬2.836 m、高1.6 m。鋼骨柱豎向鋼筋128根，數量非常多，且直徑大，不易彎折。

SRC柱腳的組合鋼構件空間截面尺寸大，高度高，給處于柱腳位置的鋼筋綁扎和連接帶來非常大的困難，即使對組合柱基埋件進行優化處理后，仍然存在部分鋼筋無法避讓柱腳的鋼構件，基礎底板鋼筋與柱腳節點的鋼筋穿插處理相當復雜，基板鋼筋的定位、穿插、綁扎、連接的施工難度非常高[1-2]。

4 超重SRC柱組合柱基分解施工技術

4.1 超重SRC組合柱基截面轉換分解優化技術

4.1.1 構件超重的解決思路

1）組合柱基埋件不做調整，對現場的配置機械進行調整，以滿足構件吊裝要求。

優點：不需要對組合柱基埋件自身的設計方案進行調整，不影響既定的組合柱基埋件的加工周期。

缺點：受場地條件和構件自重的影響，需要增設大型的吊裝機械，周邊道路也需要適當的加固，經濟代價相對比較大，吊裝的安全風險比較高。

2）不改變現場機械配置，對組合柱基埋件進行設計優化，在保證其力學性能的情況下，改變其構造，并分解分節，降低組合柱基埋件的自身質量以滿足現場的作業條件。

優點：降低了構件自身的質量，適應了現場的吊裝條件，不需要另行配置大型吊裝機械，降低了吊裝作業自身的作業風險。

缺點：組合柱基埋件的設計調整需征求設計方意見，對既定的加工周期產生了一定的影響，分解分節后，增加了相應的接縫處理，質量控制要求增加。

4.1.2 組合柱基埋件空間占用過大的解決方法

1）組合柱基埋件自身不作調整，變動基礎底板的設計，對基礎底板鋼筋的設計、排布和接頭進行調整，比如對基礎底板鋼筋的直徑、間距和排數進行調整，通過等強度代換將大直徑單排鋼筋轉換成小直徑多排鋼筋，以穿插入組合柱基埋件的空隙。

優點：不影響組合柱基埋件自身的設計和加工周期，不需要征求設計方的意見。

缺點：基礎底板的鋼筋變化比較大，等強度或者等截面代換，鋼筋的排數增加，接頭數量增加，基礎底板鋼筋的土建施工質量控制要求增高，接頭處理成本增加，工序施工煩瑣。尤其柱腳鋼構件的長達5.2 m的附翼，施工處理相當困難。

2）基礎底板鋼筋的設計、排布不做調整，對組合柱基埋件柱腳進行設計優化，降低其空間截面積，減小對基礎底板結構施工的影響。

優點：降低了組合柱基埋件的占用空間，不需要對基礎底板鋼筋進行比較大的調整，有利于底板鋼筋的排布和穿插，節約工程的成本。

缺點：組合柱基埋件的優化需要采用構件分解的技術，為了降低構件的空間的占用，必須通過轉換將構件變小。同時為了確保設計的抗拔力學要求，構件的接縫必然增加，給構件自身的加工質量控制帶來了一定的難度。

通過結構設計特點和工程現場的實際情況，結合進度和成本要求，綜合比選上述解決辦法，最終采用截面和構件轉換的方式對組合柱基埋件進行分解，使用多個小截面的型鋼構件代替原先設計的大截面整板構件，并對柱腳構件進行分節分解處理，降低組合柱腳構件的長度、寬度和高度以及自重，以適應現場的機械和工藝要求。

4.1.3 現場吊裝機械的綜合能力分析

地下室基礎底板施工期間，施工現場主要布置了3臺塔吊，其中3號塔吊位于地塊西北角的裙樓位置，其臂長不足以覆蓋主樓基礎底板區域。而主樓的2部塔吊，因為基礎設置于大底板中，在組合柱基埋件施工時還未安裝。

組合柱基埋件均距離基坑邊緣較遠，只有北側2個組合構件距離北側基坑相對比較近。組合柱基埋件原設計單個構件的質量約14.16 t，僅有北側2個組合柱基埋件可以利用基坑邊緣的吊車進行安裝，但是即使如此，需要采用的吊車噸位也非常大，非常不經濟。因此，組合柱基埋件若想采用塔吊配合吊裝，最大單個柱腳構件的質量必須適當降低。

4.1.4 組合柱基埋件的受力分析

根據主樓的整體結構設計情況，整個主樓僅4個角柱采用勁性結構，建筑高度245 m主樓的混凝土結構采用的是大截面密肋柱結構，其主要承重受力還是靠外框內筒結構。對于四角的鋼骨柱，經過分析，其主要作用在于主樓防震時的抗拔受力。

組合柱基埋件的原設計采用類似于“錨”式結構，整個組合柱基埋件像一只埋入基礎底板的地錨，因此設計的組合柱腳為中部構件加兩側錨翼的結構形式，構件兩側設計有2排2 m長的工字鋼腹板，好比船舶的錨頭（圖2）。

圖2 原設計組合柱基埋件“錨”形結構BIM

為了滿足現場的施工要求，降低組合柱基埋件的空間截面占用，根據組合柱基埋件的主要受力特點——地震時的抗拔受力，設想了一種類似于“樹根”式樣的結構形式，通過減小組合構件的中部構件空間面積，改成一個薄墩形構件，并在中部構件的下方增設數根由H型鋼組成的支座體系，形成類似樹的根須結構，通過增加支座的截面來滿足抗拔的結構受力要求。

經過設計復算，設想的方案能夠滿足結構設計的受力要求，最終確定了組合柱基埋件優化后的設計形式（圖3，圖中紅色部分為鋼柱節段）。

圖3 優化后的組合柱基埋件三維BIM

優化后的組合柱基埋件既滿足了設計的抗拔要求，又大幅度降低了柱腳構件的空間占用，為基礎底板鋼筋的施工創造了有利條件，同時還適當地降低了柱腳埋件的自重和組合柱基埋件自身的吊裝難度。

4.2 超重SRC組合柱基的分解施工

4.2.1 分解施工技術方案

優化設計后的組合柱基埋件，經過計算，單個構件質量約為7.19 t，若不含上部柱腳末節，則總質量為3.22 t，構件質量大幅度降低。

為了確保工程的整體施工進度要求，綜合考慮經濟成本要求，對組合柱基埋件的施工進行了分解：

1）采用分解拼裝的方式，將整個組合柱基埋件分成三大組成部分進行散拼安裝。

2）為了縮短組合柱基埋件安裝施工所需要占用的時間，降低整體質量以配合吊裝，將鋼柱的柱腳末節采用后置施工的方式，與柱腳埋件分開安裝。為此，在組合柱基埋件位置的底板施工時設置后澆杯口，以滿足鋼柱末節的后置施工要求，便于鋼柱末節在塔吊安裝完畢后，進行整體吊裝施工。

4.2.2 組合柱基埋件的安裝流程

基礎底板底皮鋼筋綁扎→焊接定位槽鋼→支設型鋼小立柱（三維圖中的藍色立柱）→拼裝柱腳中部構件（三維圖中的黃色部分）→綁扎基礎底板鋼筋（杯口部位預留）→澆筑基礎底板混凝土→吊裝鋼柱末節（三維圖中的紅色部分）→綁扎杯口部位鋼筋→澆筑杯口混凝土，完成組合柱基埋件的施工（圖4）

圖4 組合柱腳中部構件施工

4.2.3 組合柱基埋件的后置杯口留設

后置杯口的設置目的主要是降低構件整體吊裝的自重，減小組合柱基埋件施工的絕對工期，方便柱腳末節可以利用塔吊進行安裝。

后置杯口設置的另一個目的是延后施工復雜的基礎底板上皮鋼筋與柱腳節點的施工，加快大面積基礎底板形成的速度，盡早滿足基坑整體換撐的技術要求。通俗地說就是將占用工期時間比較長，處于基礎底板施工關鍵線路上的柱腳附近的上皮鋼筋施工，從關鍵線路上分離出去。

經過與設計單位協商，確定采用預留杯口的方案進行施工，先澆筑大底板，待底板澆筑完成后，在主樓的南北兩側新裝2臺塔吊，利用新裝的2臺塔吊進行角柱柱腳的吊運和安裝入杯口，連接預留杯口部位鋼筋，澆筑杯口混凝土。

1）主樓大底板預留杯口尺寸的確定。根據勁性角柱骨架的尺寸，考慮兩側的勁性柱安裝操作面（500 mm），并同時考慮底板上下皮鋼筋的預留搭接長度，采用一側機械連接（采用Ⅰ級直螺紋連接技術，預留鋼筋長度為1 000 mm）、一側電焊搭接方式（采用單面焊，鋼筋預留長度1 330 mm），確定主樓大底板預留的杯口尺寸至少應保證7 m×7 m，杯口深度取800 mm（圖5）。

圖5 杯口預留平面尺寸

2）預留杯口的施工縫處理方法。在底板預留杯口施工縫的中部設置3 mm×400 mm的止水鋼板，在施工縫的底部鋪貼500 mm×10 mm的外貼式橡膠止水帶。

由于杯口高度即底板的厚度達到3.5 m，杯口側壁考慮采用φ25 mm、φ20 mm鋼筋焊接鋼筋網（豎向、橫向）骨架（@400 mm縱橫向設置），并安裝鋼筋網模進行施工。鋼筋網模焊接成鋼筋網骨架用于固定鋼絲網，鋼絲網采用φ0.5 m鋼絲網片，網孔大小10 mm×25 mm，采用雙層鋼絲網。

鋼筋骨架與底板結構鋼筋及底板中部的止水鋼板焊接固定，鋼絲網與鋼筋骨架采用鐵絲綁扎固定（圖6）。

圖6 杯口留設施工縫處理

4.3 組合柱基與底板鋼筋的節點分解技術

4.3.1 節點的處理方案

首先，對組合柱基埋件進行優化設計時，已經充分考慮盡量降低柱腳構件的空間占用，為基礎的底板鋼筋讓出穿插空間。

其次，基礎底板鋼筋按照設計要求共分雙向8層，為3＋1＋1＋3的分布。除底皮3層雙層雙向鋼筋不受組合柱基埋件影響之外，其余5層雙向鋼筋均受到組合柱基埋件的截面影響。為此，對組合柱基埋件附近的基礎底板鋼筋采用三維建模技術進行BIM模擬，以確定基礎底板鋼筋和組合柱基埋件之間的相互影響關系（圖7）。

圖7 原組合柱基埋件位置鋼筋分布BIM模擬

通過模擬可見，從中間2層開始至底板面筋均受到了組合柱基埋件的影響。其中，中下層鋼筋穿越構件的型鋼立柱區域，中上層鋼筋的位置則接近于組合柱基埋件的上層。

研究分析后，按照基礎底板鋼筋的分布位置及BIM模擬的結果，對鋼筋和柱腳節點分3種方式進行處理：

1）對中下層鋼筋，穿越的是柱腳構件的立柱區域，由于型鋼立柱的截面比較小，采取調整底板鋼筋平面分布的方法，適當調整BIM圖中與立柱有沖突的鋼筋平面分布，以避開立柱，對實在無法避開的，則在立柱的空隙位置增加加強鋼筋。

2）中上層鋼筋與組合柱基埋件的中部構件沖突，由于其剖面位置比較接近組合柱基埋件的中部構件上表面，與設計協調后，將中上層鋼筋的位置適當上抬，從中部構件面部穿過，避開中部構件。

3）對于基礎底板的3層面筋，由于其直接與鋼骨柱的末節沖突，鋼骨柱截面大，無法穿過，故采用在柱腳構件上增設連接鋼板，通過焊接的方式進行節點處理（圖8）。針對整個組合柱基埋件的安裝施工流程進行BIM模擬，以確定施工的可行性，并幫助鋼筋定位。

圖8 調整后組合柱基埋件位置鋼筋分布BIM模擬

4.3.2 連接板的處理設計

根據調整后組合柱基埋件位置鋼筋分布BIM模擬圖，組合柱基埋件與底板鋼筋的連接節點，需要增設4層連接鋼板，分別對應中上層鋼筋和面筋。

對連接鋼板不采用工程預裝的方法，而采用現場焊接方式，采用一級焊縫，以保證連接鋼板的位置能夠有一定的機動性，可以根據現場的實際鋼筋位置進行調整。

組合柱基埋件與基礎底板連接節點還設計有外包混凝土柱的插筋。對于插筋的處理，擬采用BIM定位組合構件鋼板穿孔的方法，以滿足立柱插筋的施工。

5 結語

天津華夏金融中心項目是一個比較特殊的全混凝土結構超高層建筑，結構設計通過最小化所需要的勁性結構，設計特殊的SRC組合柱及其柱基，對作業條件提出非常高的要求。

通過研究分析，對這種特殊作業環境下超重SRC組合柱腳結構，采用分解優化施工的技術思路，很好地解決了柱腳的安裝施工問題，并通過BIM模擬分解，精準解決鋼結構與鋼筋在狹窄底板厚度范圍內的穿插碰撞問題，為今后特殊勁性結構施工提供了借鑒思路。