超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)研究

侯 蕾，楊 潔，閆 密，高 蕉

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110000）

1 近些年國內(nèi)外超高層建筑發(fā)展?fàn)顩r

根據(jù)國家GB 50352—2005《民用建筑設(shè)計(jì)通則》相關(guān)規(guī)范，超高層建筑一般是指樓層數(shù)高于40 層，建筑高度大于100 m 的住宅、寫字樓及公共建筑等建筑物[1-2]。近二三十年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的日益繁榮，大城市不斷涌入大量的人口，造成大城市的土地資源短缺，為更高效地利用土地資源，大城市的摩天大廈隨之興起。全球第一座106 m 的曼哈頓人壽保險(xiǎn)大廈高樓的拔地而起，拉開了人類建設(shè)超高層建筑的序幕。截至目前，全球最高的超高層建筑是828 m 的迪拜哈利法塔，全球各地已建成的超高層建筑統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 世界各地已建成的超高層建筑物統(tǒng)計(jì)表

截至2019 年底，全球建設(shè)高度高于150 m 的超高層建筑物有3 987 棟，其中中國、美國、澳大利亞、日本等國家和迪拜等城市的超高層建筑的數(shù)量占到全球總數(shù)的80%以上，具體如表2 所示[3-4]。從這幾年超高層建筑的發(fā)展趨勢來看，中國超高層建筑的數(shù)量和占比還將持續(xù)增加。超高層建筑，是國家為緩解人口快速增長與土地資源不足之間矛盾，而采取的一種高效利用土地資源的建筑形式。

表2 全球150 m 以上的超高層建筑數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

超高層建筑的快速發(fā)展也伴隨著諸多的問題：①建筑材料和結(jié)構(gòu)達(dá)不到建造的標(biāo)準(zhǔn)；②超高層建筑的消防防火問題，現(xiàn)用的消防系統(tǒng)在超高層建筑中存在著諸多問題；③超高層建筑的垂直運(yùn)輸能力不足，只能依賴電梯，面對斷電、大體積運(yùn)輸及應(yīng)急狀態(tài)下疏散，明顯表現(xiàn)出運(yùn)輸能力的不足；④超高層建筑的后期維修成本過高[5]。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)研究概況

超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指優(yōu)化超高層建筑功能需求與結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)體系的合理化需求之間的平衡選擇。人類建設(shè)超高層建筑是為了高效利用大城市當(dāng)?shù)赜邢薜耐恋刭Y源，尋求一定的經(jīng)濟(jì)效益，但是如果結(jié)構(gòu)選擇上不合理，就會(huì)造成超高層建筑巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，后期的維修成本也可能對運(yùn)營者造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

2.1 超高層建筑結(jié)構(gòu)選擇的影響因素分析

影響超高層建筑物的結(jié)構(gòu)選擇因素眾多，主要是根據(jù)所需者的實(shí)際需求，在參考其他次要影響因素的基礎(chǔ)上綜合考慮確定的。具體影響可以從以下3 個(gè)方面進(jìn)行分析：①建筑結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性要滿足建筑物的使用功能、空間需求利用等主要功能需求。超高層建筑物主要功能需求可以分為辦公、住宅、娛樂消遣、酒店購物等。建筑結(jié)構(gòu)選擇上要根據(jù)對建筑的空間需求、平面布置等需要進(jìn)行不同的構(gòu)造選擇設(shè)計(jì)。②建筑構(gòu)造受力的科學(xué)性和抵抗災(zāi)害的能力。不同造型的建筑體系都有各自的特點(diǎn)，其造型選擇需要根據(jù)建筑的平面、空間布局、防震強(qiáng)度、場地布置等特點(diǎn)來選擇幾種合適的建構(gòu)體系，再結(jié)合抗震、抗風(fēng)和防火能力以及其他影響因素進(jìn)一步進(jìn)行篩選。③建筑施工的方便性和建造的經(jīng)濟(jì)效益。建筑復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造型需要先進(jìn)的建筑施工技術(shù)作為前提，建筑施工技術(shù)能否滿足建筑結(jié)構(gòu)是選型首要考慮的。同時(shí)，超高層建筑的一般建筑面積較大，所需的資金需求量較大，在構(gòu)造選型時(shí)應(yīng)充分考慮建筑構(gòu)造建造和收益后帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 超高層建筑結(jié)構(gòu)材質(zhì)選擇

通過統(tǒng)計(jì)中國超高層建筑高度的數(shù)量分布情況，可以得到中國超高層建筑高度分布統(tǒng)計(jì)圖，如圖1 所示。通過分析圖1 可知，中國超高層建筑的高度大多數(shù)集中在150 m 左右，大多采用傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)+混凝土框架的構(gòu)造體系。從2013 年開始，由于中國開始推進(jìn)供給側(cè)改革，鋼鐵行業(yè)開始“去產(chǎn)能”，房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)作為中國國民的支柱產(chǎn)業(yè)，在國家提倡消耗鋼鐵產(chǎn)能的號召下，開始大規(guī)模使用鋼鐵結(jié)構(gòu)，并且國家提出建筑的現(xiàn)代化和鋼鐵化。截至2019 年底，中國房地產(chǎn)行業(yè)中鋼鐵的用量占到全國鋼鐵總量的5%，而發(fā)達(dá)國家這一占比可以達(dá)到40%左右，可以看出鋼構(gòu)造建筑物是未來發(fā)展的趨勢[6-7]。對比傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)和混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)的建筑物，鋼結(jié)構(gòu)建筑物在建筑施工、建筑材料制造以及建筑拆除等方面都具有比較明顯的優(yōu)勢。

圖1 中國超高層建筑高度分布統(tǒng)計(jì)圖

中國現(xiàn)在被稱為“基建狂魔”，在建筑建造方面有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，中國的超高層建筑的高度多集中在150 m 的附近。面對類似的超高層建筑，可選擇的建筑構(gòu)造體系較多，不論是鋼結(jié)構(gòu)，還是鋼筋混凝土類的建筑構(gòu)造體系都能滿足建造要求。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，可知鋼結(jié)構(gòu)、混凝土鋼筋構(gòu)造在構(gòu)造選擇上都存在一定的限定條件，統(tǒng)計(jì)的相關(guān)要求如表3 所示[8]。

表3 混凝土鋼筋構(gòu)造和鋼構(gòu)造建筑實(shí)用情況統(tǒng)計(jì)表

雖然超高層建筑物高度超過150 m 的建筑構(gòu)造體系在規(guī)范中有諸多的建造要求，但是并沒有說明哪種建筑構(gòu)造的性能和經(jīng)濟(jì)效益好。在傳統(tǒng)的建筑觀念中，由于鋼筋混凝土建筑構(gòu)造具有造價(jià)低、易維護(hù)的特點(diǎn)，受到大多數(shù)建筑設(shè)計(jì)師的青睞。同時(shí)，150 m 左右的建筑因其高度不算很高，對建筑構(gòu)造的材料、建筑技術(shù)要求不太高，以及混凝土的材質(zhì)也能滿足其相關(guān)要求，所以現(xiàn)階段大部分150 m 左右的建筑物采用鋼筋混凝土構(gòu)造[9]。而鋼構(gòu)造建筑由于鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)相比較高，在現(xiàn)階段的建筑建設(shè)中應(yīng)用較少。但是由于鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高、占地面積較少以及后期拆卸施工快等特點(diǎn)，可以帶來較多的經(jīng)濟(jì)效益。

3 超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 超高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)柱施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)

在超高層建筑的結(jié)構(gòu)中，柱體構(gòu)造起到的作用是十分重要和關(guān)鍵的，柱體結(jié)構(gòu)在支撐超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)主體中的關(guān)鍵作用，是保持建筑鋼結(jié)構(gòu)主體達(dá)到一定的安全性和穩(wěn)定性。因此，在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的柱體結(jié)構(gòu)施工過程中，要更加關(guān)注管理人員和施工人員對這一施工環(huán)節(jié)的流程管理和管控，加強(qiáng)施工各個(gè)環(huán)節(jié)的施工技術(shù)控制和技術(shù)管理人員的管理，提升這一環(huán)節(jié)施工過程中關(guān)鍵技術(shù)的質(zhì)量水平。超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)整棟建筑的總施工流程合理選擇施工技術(shù)。在吊裝施工過程中，首先要在施工前確定建筑鋼結(jié)構(gòu)立柱體及軸線的定位狀況。同時(shí)，將地面施工控制網(wǎng)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行選擇性放樣。在超高層建筑吊裝施工作業(yè)中，要控制吊裝的表現(xiàn)形式，防止建筑鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱出現(xiàn)拖地情況。在確定建筑鋼結(jié)構(gòu)柱的安裝位置、安裝位置層次和結(jié)構(gòu)選擇上，要明確先進(jìn)行垂直后進(jìn)行水平操作的操作順序，繼而根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的位置調(diào)整和位移操作。在這些操作完成后在垂直角度進(jìn)行測量和觀察，然后進(jìn)行誤差的修正和調(diào)整。

3.2 超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接施工過程關(guān)鍵技術(shù)分析

超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工中需要進(jìn)行焊接作業(yè)，而焊接作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)需要對焊接對稱性協(xié)調(diào)模式和焊接全方位的內(nèi)腔同步模式進(jìn)行技術(shù)選擇[10]。不同模式下的焊接技術(shù)所需的焊接設(shè)備以及操作人員所需具備的技術(shù)技能和知識儲(chǔ)備是不同的，為保證超高層建筑施工采用的焊接類型能真正發(fā)揮應(yīng)有的作用，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的施工焊接人員和施工管理人員合理科學(xué)地選擇焊接類型，或者根據(jù)超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)所需的焊接技術(shù)科學(xué)合理地選擇焊接技術(shù)以及這種技術(shù)下所需的焊接施工技術(shù)人員和管理人員，同時(shí)施工焊接過程中應(yīng)充分保證焊接技術(shù)所需的焊接設(shè)備齊全。

在通常的超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接施工過程中，一般選擇內(nèi)腔豎向焊接模式。采用這種焊接模式，需要經(jīng)過專門培訓(xùn)過的焊接技術(shù)人員進(jìn)行操作，需要多人聯(lián)合同步焊接鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部焊接面，保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一致性和整體鏈接性。在焊接施工的同時(shí)，需要保證超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接體系內(nèi)外的空氣環(huán)境中沒有其他雜質(zhì)影響焊接作業(yè)。如果焊接施工中外界空氣環(huán)境中含有雜質(zhì)或者環(huán)境不夠干凈，就會(huì)直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的根本穩(wěn)定性和焊接設(shè)備排氣系統(tǒng)的對外輸出。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)焊接外腔焊接面需要承受超過焊接范圍內(nèi)的焊接施工作業(yè)，需要至少8 個(gè)焊接施工人員同時(shí)進(jìn)行焊接作業(yè)，這種模式稱作為對稱焊接模式，6 人在場表進(jìn)行焊接施工，2 人對短邊進(jìn)行具體的焊接操作施工。分段式的鋼結(jié)構(gòu)焊接模式需要進(jìn)行跳焊的焊接方式，同時(shí)保證焊接的準(zhǔn)確性和鋼結(jié)構(gòu)對接焊接施工情況，在此過程中也需要采用反變形約束設(shè)備，防止在焊接過程中鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，保證鋼結(jié)構(gòu)焊接施工質(zhì)量以及建筑的穩(wěn)定性和安全性。

3.3 超高層建筑對所需材料的處理技術(shù)分析

在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的施工過程中，所需的建筑材料應(yīng)在性能和技術(shù)復(fù)雜性上有所提高，從而保證超高層建筑的施工質(zhì)量。在超高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)整體施工中，尤其要格外關(guān)注施工材料的質(zhì)量技術(shù)要求需達(dá)到相應(yīng)的規(guī)范要求。在超高層建筑施工前，一般需要對施工材料進(jìn)行全面科學(xué)的維護(hù)和保養(yǎng)工作，使其符合相關(guān)的施工安全技術(shù)要求，超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)材料在施工前需要進(jìn)行徹底的除銹和防銹涂料的涂抹工作。并在在焊接安裝施工結(jié)束后，必須對焊接的部位和需要焊接連接的螺栓進(jìn)行有針對性的防銹技術(shù)處理，如果在施工過程中發(fā)現(xiàn)焊接部位出現(xiàn)損傷和磨損的現(xiàn)象，需要采用防銹涂料技術(shù)對其進(jìn)行處理。并且需要對超高層建筑物鋼結(jié)構(gòu)的所有表面進(jìn)行專業(yè)化的清洗操作，然后在鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹一定的防火材料，從而使建筑鋼結(jié)構(gòu)具有一定的阻火性能，在后期發(fā)生火災(zāi)時(shí)能保證超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)主體的穩(wěn)定性和安全性。在超高層建筑質(zhì)量和防御性控制方面，確保施工的關(guān)鍵技術(shù)所需的材料能在特定的條件下使建筑物達(dá)到技術(shù)要求。

4 結(jié)論

超高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)所具有的較強(qiáng)的承載能力，滿足了超高層建筑建設(shè)需求。在進(jìn)行超高層建筑的設(shè)計(jì)中，要合理地選擇建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制定施工技術(shù)方案，確保超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工過程的安全性，實(shí)現(xiàn)其施工關(guān)鍵技術(shù)的突破。