高風壓區域塔冠設計和施工關鍵技術

李士江LI Shi-jiang；樂藝LE Yi；速宇SU Yu

（中交（廈門）投資有限公司，廈門 361022）

0 引言

隨著我國城市化建設進程加快，層高300米左右的超高層建筑不斷涌現，作為城市發展的地標型建筑。由于我國各城市地理因素差距較大，超高層建筑的設計還需結合高風壓區域的特性，對建筑造型、功能、外觀等加以調整，以此來凸顯城市形象。在BIM技術、智能技術、AI技術等支持下，超高層建筑高風壓區域塔冠設計技術日益成熟，在確保塔冠強度達標的前提下，實現塔冠創新設計，降低施工難度，該方面具有較高的研究價值?；诖耍疚囊詮B門市集美新城超高層建筑工程項目為例，對其高風壓區域塔冠設計及施工技術進行以下探究。

1 工程概況

廈門市的超高層建筑工程項目將在集美新城的核心區域落地，與集美行政文化中心和軟件園為鄰，打造集美新城規劃的白鷺西塔項目。是集高檔酒店、辦公、商業于一體的大型商務、購物中心，建成后將成為島外第一高樓，市內第三高樓。

該項目由中交集團負責承建，中交建筑有著豐富的超高層建筑經驗，北京金輝大廈就出自中交之手，已經穩定使用兩年多。這次項目由中交集團第一次完全自主進行投資、建設、運營，項目整體的設計規劃是由曾負責國內第一高樓“上海中心大廈”設計的晉思建筑設計咨詢有限公司和華東建筑設計研究院強強聯合組成的設計團隊負責。

該項目占地面積約3.41萬平方米，其中建筑密度占49%，綠地覆蓋率為15%，總建筑面積約占24萬平方米，建筑主體由一棟超高層塔樓、一棟五層的購物中心、三層的整體地下室組成。其中，主塔樓集5A級辦公樓、五星級大酒店于一體，有47層，高度為266米，建筑面積約為9萬平方米，一樓高度12米，作為大樓公共大堂使用，二樓高度和一樓一致，作為酒店宴會大廳使用，4～25樓標準高度4.2米，作為辦公樓使用，27樓以上標準高度4米，作為酒店使用。三樓、十五樓、二十六樓、三十四樓、四十二樓高度為6米，作為建筑避難層使用，四十五樓高度15米，作為酒店的空中大堂使用，四十六樓高度12米，作為酒店的空中餐廳使用。購物中心的高度為35.85米，最大長度約為180米，最大寬度約為120米，建筑面積約為5萬平方米。地下室的建筑面積約為9.5萬平方米，由地下商業區域、停車場、機房、人防工程等構成，屬于典型的地下工程。

2 高風壓區域塔冠結構設計概況

2.1 鋼結構模型

超高層主體塔樓高47層，建筑高度為266米，屬于超限高層建筑。塔樓的整體結構采用了底部圓鋼管混凝土框架+鋼外框梁+鋼筋混凝土核心筒的混合結構體系建造；建筑外形為上小下大的塔型結構，平面上的尺寸變化明顯，加大了爬模、施工升降機的爬升難度；并且在塔樓的頂部區域設計有高度29米的塔冠，由于廈門的特殊地理環境和夏季臺風因素的影響，從而對塔冠設計的安全性方面要求極為嚴格。塔冠的主要支撐結構由上反環桁架、外框桁架和鋼架內筒構成，需要約為600噸鋼材，且鋼材尺寸極大，大大增加了運輸、安裝工作的困難性。塔樓頂部的酒店大堂高度長達15米，面積約為1482平方米，因為該空間要求滿足安全、私密、舒適的環境外還要實現通透共享的條件，從而加大了設計的實現難度，提升了整體的專業設計和施工技術的要求。

2.2 結構深化設計

此項目的結構相對而言非常復雜，施工體量也比較大，所以深化設計的工作重要程度就顯得尤為突出。在進行鋼結構塔樓的深化設計時，要結合工程后期的進度還有塔吊的使用率，在鋼結構塔樓主體開始施工時，將塔吊盡可能分配到鋼結構施工方面。施工中結構的預調整值不是一成不變的，而是一個動態的調整范圍，及時進行細節方面的調整，使塔樓主體鋼結構階段性完工時，形態、數值符合結構分析時應有的原始位形。鋼結構鋼材部件的運輸要根據塔吊和安裝的方式來進行分段處理，結構部件的分段尺寸、重量要在塔吊的承受范圍內，然后用塔吊安裝連接用的鋼件和材料，在現場進行拼裝、組裝，然后進行合理的焊接。

在做與土建結構銜接的施工時，要注意鋼筋接駁器是不是土建專用的；過程現場有沒有栓釘焊接不方便；鋼筋的孔眼有沒有被穿過；一些固定模板所需要的連接件有沒有準備好；樓板混凝土所需要的鋼支撐等等。機電工程的施工要注意：機電設備的基座要與鋼結構的板件連接；預留機電管線穿過結構件的孔洞和對開孔要進行加固處理；連接件需要提前設計留好位置。幕墻結構要注意開孔、鋼結構主體的連接、固定板件等要滿足鋼結構制作方面和安裝方面的施工精確度。

2.3 基于BIM全過程設計流程

超高層的塔冠結構為空間管桁架結構，先從SketchUp模型中提取塔體外幕墻的關鍵節點，在Rhino中用提取的點位數據進行塔冠模型的搭建，然后計算分析MIDAS Gen模型，如果總體結構布置合理，再進行二次結構的Rhino+CAD細化建模和MIDAS Gen分析，然后評估結構設計成果，再把MIDAS Gen結構的構件模型導出為IFC標準格式進行NAVISWORKS碰撞測試，最后利用節點ANSYS進行有限元分析，把MIDAS Gen結構模型導入到TEKLA進行鋼結構圖紙設計。

圖1 塔冠結構模型

3 高風壓區域塔冠結構應力分析

3.1 靜力分析

本項目高風壓區域塔冠受到的靜力包括：一是水平風荷載，高壓風氣流將會直接透過檁條作用在塔冠的環梁，使得環梁持續受力，支座位置受力產生彎矩。在正常風壓下，內環梁受拉力影響，外環梁壓力不明顯；高風壓區內環梁受壓力影響，外環梁承擔拉力，以此來維持風荷載平衡。在塔冠結構模型設計時，充分考慮到高風壓區域內外環梁水平彎矩，并對相應的構造進行了強化。高風壓區域側立面弦桿承受較大的力，在內外環梁拉力的作用下，可能會產生較大彎矩，且彎矩程度逐層疊加，最底層彎矩最大。

3.2 動力分析

高風壓區域塔冠需充分采用抗風設計，盡可能減少幕墻附近的構架，防止構件出現損壞后波及其他區域，造成范圍性的破壞，影響塔冠的整體安全。因此，本項目工程為了達到動力設計要求，應力比參數嚴格控制在0.5至0.9之間，外環梁最大應力比為0.84，角腹桿應力比在0.5左右，留下足夠的安全冗余度，使得塔冠在建設完成后在高風壓區域具有更強的承受力。當高風壓達到一定程度時，立面支撐結構受風荷載影響產生變形，向內側產生剪切作用，各個構件相互擠壓，因此需根據動力情況考慮變形因素，盡可能使得各板塊滿足變形限值條件。

4 高風壓區域塔冠施工關鍵技術

4.1 施工流程

圖2 高風壓區域塔冠設計和施工關鍵技術路線圖

一是總體的技術路線：超高層塔樓主體結構安裝中部的支撐框架，其中，材質為Q345GJC的勁性鋼柱22根，當鋼柱存在變截面時，要把鋼柱分成兩段用塔吊進行吊裝，中部支撐框架的鋼梁和斜撐不用分段。完成中部的支撐框架安裝后，就可以進行外幕墻支架和屋面梁的安裝。外幕墻支架有著25.25米的高度，為了方便使用塔吊，要分成兩段來進行安裝。第一段的標準高度為253.75米～267.48米，為了保證穩定性采用臨時的硬支撐，當第一段整體形成體系以后，就可以利用核心筒里的兩步塔吊來配合安裝第二段的支架，標準高度為267.48米～279米，兩段外幕墻支架完成安裝形成環形以后，就可以對頂部的屋面梁進行吊裝。

二是魚腹式桁架吊裝路線：當第一段幕墻的支架安裝到位以后，在塔吊不會松鉤的情況下可以進行斜向圓管硬支撐的安裝。RF1層和硬支撐通過埋件進行相連，支撐與幕墻支架的連接要根據現場實際需求的尺寸來做焊接。當相鄰的幕墻支架安裝完畢以后，開始安裝兩榀支架之間的橋梁，可以通過臨時的連接板把第一段幕墻支架和第二段幕墻支架連接起來。下部的幕墻支架經過吊裝安裝后，開始進行安裝上部幕墻支架，當屋面梁幕墻的豎向支撐完成配套安裝以后，就可以吊裝支撐作用的鋼梁了。幕墻的支撐和鋼梁是使用擱置板和臨時的連接板，所以在校正工作完成以后及時使用電焊進行焊接或者使用高強螺栓固定。

4.2 組織分工

為了使鋼結構的遠程監控方案順利、完整的實施，作為投資承建方的中交集團重金聘請了科技公司，采用了先進的三維過程管控系統對鋼結構進行監測，從而實現了遠程監測的方案，系統會把監測的數據實時上傳到BIM平臺，發生預警情況會立即自動向監理人員、設計人員、承包方報備。

4.3 數據監測

為了保證安全、可靠、滿足質量要求的安裝鋼結構，工程項目部在應用遠程監測功能的基礎上又增加了人工測量，對人工測量數據和設備監測的數據進行對比，雙保險來確保數據的精準性。并在鋼結構桁架的主要受力點位安裝了應力應變片，與數據監控器相連，受力數據全部上傳到BIM平臺，實現隨時掌握鋼結構形變的目的，做到鋼結構發生形變時能夠及時地采取方案措施應對。做好鋼結構表面應變數據和鋼結構變形數據采集、分析，如果變形數據超過可控制范圍的數值，模型中會發出紅色的預警提示，施工單位負責人員就可以根據預警出現的位置進行數值調控。除了對鋼結構的變形監測外，還使用了BIM 5D系統平臺對安全質量進行全方位的監控，安全質量關乎所有工程人員，要加強所有工程人員的安全責任心，方便對工程項目進行更好的管理。

5 高風壓區域塔冠施工質量控制手段

廈門集美新城的超高層建筑項目，在建筑的頂部高風壓區域設計有高度29米的塔冠，塔冠對于高層建筑具有特殊的造型和功能。塔冠的設計可以直接影響整個高層建筑的設計方案，隨著計算機技術和結構技術的發展，現代超高層建筑的塔冠造型也越來越大膽、復雜、多樣化，比如武漢中心和深圳平安金融中心的塔冠建造就采用了鏤空、懸掛的方式。由于廈門的特殊地理環境和夏季臺風因素的影響，塔冠的設計和要求也極其嚴格，比如：塔冠對整體結構設計的影響；塔冠結構的抗震性能；塔冠支座的嵌固作用；塔冠的風荷載對他樓結構的影響等，這些問題、因素都要方方面面地考慮到。塔冠為鋼結構主體，大約需要使用600噸的鋼材，這些鋼結構的構件數量極多，連接方式也極其復雜，所以，在工程安裝過程中容易出現偏差與結構件變形產生的連接問題、冷脆問題、焊接問題、材料缺陷問題等。同時這些問題又容易造成鋼結構缺陷產生安全事故，因此對于此項目的塔冠結構的質量控制方面主要有以下兩點：

5.1 施工精度控制

塔冠的施工都是在幾百米的高空完成安裝，因此對施工方案的可行性、安全性、科學性都要做到精準地控制，可以借助先進的計算機技術進行施工程序的模擬與科學分析，在原有方案的基礎上及時做出改進。而且在施工的過程中，要對鋼結構主體還有跨度比較大的鋼桁架施工結構的安裝進行嚴格的監督檢測，對工程施工過程中各個控制點位的坐標位置和變形程度的控制，進行精度的監測。保證鋼結構主體完成施工以后，各個主控制點的坐標位置和變形程度能滿足設計時的需要。

5.2 焊接工藝控制

根據施工環境為227～260米的高空作業，再結合工程施工的特性，在進行焊接施工時使用二氧化碳氣體保護焊，該方式的應用操作方面極其簡單，工作效率高，適合自動焊和全方位的焊接。然而高空中風力的影響會造成二氧化碳氣體保護焊的保護不夠，所以施工時要盡量來避免風力的干擾。防風控制是二氧化碳氣體保護焊工作質量的關鍵所在，當焊接工作區域受到風速影響手工焊超過8米/秒，二氧化碳氣體保護焊超過2米/秒時，要及時使用防風棚或者采用其他防風的方案。比如，可以利用焊接把焊接平臺做成一個半封閉的狀態，能夠有效減少大風帶來的影響，當風力超過六級時要馬上停止高空作業。因為集美新城臨近東海，所以在七月份時降雨會較多，空氣濕度也會有較大提升，當空氣濕度大于85%時，焊接容易產生各種缺陷，所以可以在半封閉平臺處進行局部除濕，來保障焊接工作的順利進行。

6 結論

綜上所述，本文通過對廈門市集美新城建筑工程項目進行探究，提出了新的高風壓區域塔冠設計，選擇了施工關鍵技術，制定了施工方案。該項目塔冠設計合理，承受力較強，選擇合適的塔機、起重設備，能夠確保塔冠的順利施工，整體建筑既具有新時代城市的特點，又具有較高的結構變形矯正能力。在未來建設與發展中，超高層建筑將會進一步向著300米以上進發，推動城市向著建筑更高、經濟發展更快、人民生活更加富足的方向發展，對該類案例進行研究可為同類型塔冠施工提供借鑒。