超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)加工與安裝技術(shù)研究

傅武旭

廣州工程總承包集團有限公司 廣東 廣州 510310

探究鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，找到提高超高層建筑施工效率、質(zhì)量的有效解決辦法。并將不同形式的鋼結(jié)構(gòu)作為研究要素，確定不同結(jié)構(gòu)件的延伸性能以及耗能程度，可解決技術(shù)層面的問題。同時，依靠對鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)成研究，明確提升側(cè)抗高度的方法，有助于在研究過程中確保超高層建筑施工質(zhì)量，達到整體施工要求。此外，該項技術(shù)的應(yīng)用場景眾多，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)施工特點，從結(jié)構(gòu)承載性、內(nèi)部空間預(yù)留要求兩大方面出發(fā)，確定建筑整體負載能力后，進行鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件的加工與安裝，具有極佳的工作效果。由此可見，為確保鋼結(jié)構(gòu)加工安裝作業(yè)穩(wěn)定，需要從整體層面確定超高層建筑的建設(shè)要求，規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件加工方式外，確定整體施工方向。

1 超高層建筑施工項目概述

1.1 超高層建筑概況

某地區(qū)科研中心超高層建筑施工項目，占地面積為201700m2，為保障初期設(shè)計的完整性，并打造綠色、環(huán)保的超高層建筑，本項目采用了鋼結(jié)構(gòu)施工的方式，在進行方案設(shè)計時，由于受到成本投入的影響，確定超高層建筑高度為207.1m，底下建筑分為3層，與地上54層建筑呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系。其中，標(biāo)準(zhǔn)層的設(shè)計高度為4.4m，地下的設(shè)計高度為14.5m，為保持整體設(shè)計的完整度，采用混凝土核心筒與外部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成混用的施工方法，并在11、25、40層分別以特級工程為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計建筑內(nèi)部的避難所，完成方案設(shè)計工作。由此可見，在超高層建筑設(shè)計中，需要注意的施工要素眾多，如何協(xié)調(diào)不同施工問題，并對建筑耐火等級、抗震等級進行研究，是當(dāng)前設(shè)計人員所面臨的問題，需要從鋼結(jié)構(gòu)與安裝技術(shù)的研究中，找到一種適用性強的方案。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)概況

以內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，對本項目的總用鋼量進行初始概算，可以確定本項目建設(shè)工作的總用鋼量為24000t，依據(jù)結(jié)構(gòu)的局部開口開展“定向”測算，可以明確核心筒鋼結(jié)構(gòu)的型號以及十字型鋼骨的規(guī)劃，從而提高項目建設(shè)工作的標(biāo)準(zhǔn)化程度，減少隨機發(fā)生問題的影響，在其中，筒鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)格為H950*400*50*25、十字型鋼骨的規(guī)格為450*200*30*20、箱型柱規(guī)格有500*500*15/20、600*600*10/15、400*400*14等幾種，其中以500*500*15為多。此外，由于外側(cè)框架需要具有一定延伸性，以此連接地上、地下部分結(jié)構(gòu)，本項目對圓管柱和箱型柱同樣進行了規(guī)范設(shè)計，分別以18、8根為一組，形成雙向傾斜造型。由此可見，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)架構(gòu)與安裝技術(shù)進行施工，首先需要結(jié)合超高層建筑的設(shè)計特點，確定鋼框架結(jié)構(gòu)的塔冠和塔冠底部的高度，配合BIM等技術(shù)對超高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)使用量進行仿真模擬，以等比例模型為標(biāo)準(zhǔn)，進行后續(xù)工作的研究與探討，解決不同施工節(jié)點下的難點問題。

2 超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的形式及安裝特點

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的形式

以本項目為案例，H型鋼是用量最多的鋼結(jié)構(gòu)，其基本規(guī)格為：H950*400*20*30、H1000*400*30*40、H950*450*30*20、H550*200*25*30。此外，由于超高層建筑的工序與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也需對鋼柱、鋼梁、鋼板墻等結(jié)構(gòu)的參數(shù)和截面形狀進行研究，使之具備足夠好的外部形狀，用于跟混凝土結(jié)構(gòu)混合使用，從而逐步提高超高層建筑的抗震性能，達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。同時，依據(jù)軟件模擬的仿真模型，對目標(biāo)范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)混合應(yīng)用方法進行探究，可以發(fā)現(xiàn)不同形式的鋼結(jié)構(gòu)，往往需要連接和混合使用，以鋼板墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計為例，需要根據(jù)內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)、邊緣結(jié)構(gòu)的差異和連接要求，分別對魚尾板的形狀進行把控，確保鋼結(jié)構(gòu)承載力系數(shù)的完整，也方便后續(xù)施工任務(wù)的進行。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)安裝特點

從鋼結(jié)構(gòu)施工特點層面出發(fā)，研究此項施工技術(shù)的安裝特點，可以發(fā)現(xiàn)在具體施工環(huán)節(jié)的吊裝效率，決定了項目建設(shè)的周期，以及內(nèi)部預(yù)留空間是否符合標(biāo)準(zhǔn)。同時，由于鋼結(jié)構(gòu)件在重量和可用空間兩大方面，具備足夠高的應(yīng)用優(yōu)勢，有利于對現(xiàn)有技術(shù)進行優(yōu)化，應(yīng)用吊塔完成吊裝作業(yè)的同時，通過前期階段的規(guī)劃設(shè)計與工作安排，確保超高層建筑內(nèi)部空間更足，自身的抗震系數(shù)更高，突出超高層建筑的整體安全，也完成初期階段的工作管理。此外，鋼結(jié)構(gòu)施工的第二大特點是，能夠更好地確保工程建設(shè)的整體質(zhì)量，這是因為鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件與混凝土結(jié)構(gòu)相比較，不僅材料的強度更高，應(yīng)對外在受力條件變化的能力也更強，這也使得此項施工技術(shù)，逐步成為當(dāng)前進行超高層建筑施工的主要方法。最后，如表1所示，按照計算公式對塔吊作業(yè)的效率和需求量進行數(shù)理計算，可以明確本項目建設(shè)的吊裝總次數(shù)為5051次，總占比為工程量的54.6%，這也體現(xiàn)出了鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)的第三大特點，那就是便于預(yù)制、安裝和節(jié)省施工時間的特點。由此可見，鋼結(jié)構(gòu)架構(gòu)與安裝技術(shù)，不僅能夠滿足超高層建筑施工對效率和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載力要求，還能減少混凝土粉塵、噪聲等問題出現(xiàn)，將鋼結(jié)構(gòu)加工與安裝技術(shù)作為主要施工技術(shù)，還可以確保建設(shè)材料的循環(huán)使用，將實際成本控制在可控制范圍區(qū)間。

表1 吊需求量表

3 超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)加工技術(shù)

3.1 H型鋼梁結(jié)構(gòu)的制作

H型鋼梁結(jié)構(gòu)的制作流程雖然簡單，但需要用較高的標(biāo)準(zhǔn)對鋼板材料進行平整與校正，提高H型鋼梁結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，確保鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的致密性，以此加強超高層建筑的抗震性能，并在后續(xù)使用中，應(yīng)對可能出現(xiàn)的問題與變化。同時，還要以國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，進行放樣、排版操作，這樣不僅能準(zhǔn)確地落實H型鋼梁結(jié)構(gòu)的制作要求，也解決了后續(xù)焊接的問題。此外，在焊接中，需要嚴(yán)格要求作業(yè)人員的焊縫要求，以20cm為間隔區(qū)間，預(yù)留空間應(yīng)對鋼筋材料的結(jié)構(gòu)收縮問題。最后，規(guī)范切割機等設(shè)備的使用方法，根據(jù)預(yù)先下料切割的結(jié)果，對實際余量進行初始的估算，避免出現(xiàn)缺乏效率的問題，這也是H型鋼結(jié)構(gòu)加工過程需要投入較多干預(yù)的原因，確定技術(shù)和加工上的注意事項，在改善H型鋼梁結(jié)構(gòu)的性能效果方面，存在較高的收益，有助于提高組立的準(zhǔn)確性。具體而言需要做好下述工作：（1）依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，進行放樣；（2）預(yù)留20cm的距離，進行焊接操作，給予鋼結(jié)構(gòu)更多的保護；（3）依據(jù)圖紙信息，確定復(fù)合鋼板的型號，提高鋼結(jié)構(gòu)加工的標(biāo)準(zhǔn)化程度[1]。

3.2 箱型結(jié)構(gòu)的制作

首先明確箱型鋼結(jié)構(gòu)的三維特征，以此為方向確定不同結(jié)構(gòu)件加工對整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。同時，由于箱型柱、箱型梁的焊接要求較高，不僅需要鋼結(jié)構(gòu)具備足夠好的延伸性能，還要依靠全熔透焊接的方式，減少鋼結(jié)構(gòu)加工的耗能程度，并保障箱型結(jié)構(gòu)的制作強度。解決了加工制作流程層面的問題后，還需要依靠不同焊接工藝的研究，通過轉(zhuǎn)變焊接要求的方式，逐步增加鋼板表面的平整度，可以通過對焊接過程的糾正，找到提升箱型結(jié)構(gòu)側(cè)抗高度的方法。以二氧化碳氣保熔透焊為例，需要注意以下幾點要求：（1）明確隔板開坡口位置，進行焊接操作；（2）箱型結(jié)構(gòu)加工與下料前，利用機械設(shè)備對鋼板表面進行糾正處理，保障鋼筋表面的平整度；（3）確保一次糾正的收益，有助于在后續(xù)使用過程中，增加零件的平整度；（4）為確保超高層建筑施工質(zhì)量，對非規(guī)則零件進行人工處理，以此滿足實際安裝要求。由此可見，對焊接操作進行把控，并對非規(guī)則結(jié)構(gòu)件進行切割和糾正操作，可以提高箱型結(jié)構(gòu)制作的收益。

3.3 復(fù)雜節(jié)點的制作

復(fù)雜節(jié)點制作的任務(wù)多、流程雜，容易受到客觀條件變化的影響，為保障節(jié)點頂部安裝基準(zhǔn)面符合使用標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)施工特點，從節(jié)點焊接中、箱型梁正造過程中，對安裝基準(zhǔn)面進行定位，以此確保節(jié)點處的垂直度，達到后續(xù)施工使用的整體要求。同時，還應(yīng)對作業(yè)平臺進行規(guī)范，以此減少焊接作業(yè)造成的變形問題發(fā)生，完成鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制件的加工與使用，這對保障節(jié)點的垂直度具有極佳的控制效果。由此可見，為保障節(jié)點加工制作效果，需要注意下述幾種問題影響：（1）對胎架組裝面進行正造時，應(yīng)保障節(jié)點頂部的基準(zhǔn)面符合要求；（2）必須保障箱型梁的定位效果，并以此確定安裝構(gòu)架線；（3）協(xié)調(diào)坡口間隙與平臺中心線的關(guān)系，從而完整節(jié)點加工制作任務(wù)。可見，節(jié)點加工制作的要求多、流程雜，為確保鋼結(jié)構(gòu)加工過程符合標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)從實際流程出發(fā)，確定整體層面的加工要求，并根據(jù)對不同參數(shù)的把控，滿足節(jié)點加工的要求，起到規(guī)范性作用外，逐步提高節(jié)點加工制作的收益[2]。

4 超高層鋼結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)要點

4.1 預(yù)埋件的安裝施工

依據(jù)本工程預(yù)埋件的標(biāo)準(zhǔn)，對錨栓、鋼板等組合結(jié)構(gòu)與塔吊荷重進行對比研究，可以確保超高層鋼板結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)的整體質(zhì)量，也能逐步明確塔吊地使用規(guī)范，逐步增加預(yù)埋件安裝施工的規(guī)范程度。如表2所示，根據(jù)塔吊的臂長，去決定預(yù)埋件安裝施工的流程，并進行標(biāo)高、錨栓伸出長度的檢查，可以提高安裝施工的完整度，也能避免錨栓移位等問題產(chǎn)生。此外，還需根據(jù)預(yù)埋件的重量，決定塔吊臂長等參數(shù)，通過人為控制滿足預(yù)埋件安裝施工的要求，也從力學(xué)性能層面出發(fā)，確保預(yù)埋件施工的進度不會受到過多影響。在此基礎(chǔ)上，對預(yù)埋錨栓的軸線、標(biāo)高等進行標(biāo)注，依據(jù)核查結(jié)果，進行后續(xù)的清理、修復(fù)操作，可以保護已經(jīng)安裝后的結(jié)構(gòu)件，也能從中提高超高層建筑施工的整體質(zhì)量。最后，進行混凝土振搗與澆筑施工時，為確保整個工序的施工效率、質(zhì)量，應(yīng)依據(jù)墊塊疊合標(biāo)高結(jié)果，通過分層澆筑的方式，有效解決此節(jié)點的技術(shù)問題，確保錨栓不會在澆筑過程中發(fā)生位置上的變化，從而具備足夠高的延伸性能，進行后續(xù)施工。

表2 塔吊荷重表

4.2 鋼柱的安裝

從方案設(shè)計中提取塔樓等項目的實際施工信息，組織和安排鋼柱安裝的計劃外，依據(jù)焊接箱型截面結(jié)構(gòu)的截面，選擇實際吊裝方案，有助于確保鋼結(jié)構(gòu)施工的完整，也能根據(jù)分段吊裝等作業(yè)特點，對施工現(xiàn)場的任務(wù)進行安排，對吊裝過程的注意事項進行較低，完成平、立面施工部署工作，使分段施工的過程完整。同時，在具體的流程中出發(fā)，研究與探討地下室施工的問題，還需要在施工前對預(yù)埋件的分段展開調(diào)查，從而組織和安排分段吊裝作業(yè)，確保第一、二鋼柱吊裝工作的安全與穩(wěn)定。此外，由于超高層建筑對鋼柱垂直性的要求嚴(yán)格，應(yīng)基于超高層建筑施工的此項特點，利用螺栓進行固定操作，保障主體結(jié)構(gòu)的安全。最后，外框鋼柱的安裝，要遵循核心筒高出外框結(jié)構(gòu)的原則，進行施工操作，以此確保主樓鋼結(jié)構(gòu)的性能完整。

4.3 鋼梁的安裝

鋼梁安裝的任務(wù)量多，需要依據(jù)具體施工的要求，通過明確吊裝順序的方式，逐步增加鋼梁安裝效率。從好的層面看，鋼梁的重量小，立面施工的效果問題，只需對螺栓連接工作進行把控，可以較為明顯地提高拱結(jié)構(gòu)安裝收益。此外，螺栓的具體型號決定了鋼梁吊裝的穩(wěn)固性，需要依據(jù)不同建設(shè)周期的任務(wù)要求，明確鋼梁安裝的順序，以及吊裝方式。本項目在鋼梁安裝施工時，采用由里向外的吊裝作業(yè)方法，這種方法有利于保障內(nèi)部預(yù)留空間，也能夠形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)空間。從具體的吊裝收益方面看，鋼梁吊裝的順序穩(wěn)定，從下層到上層結(jié)構(gòu)、從主梁到次梁的順序安排，有助于根據(jù)每個吊點位置完成吊裝操作，也能在吊裝后進行連接、焊接以及橡膠片保護操作。由此可見，從外框架鋼結(jié)構(gòu)的安裝中，研究實際吊裝方案，有助于解決技術(shù)層面的問題，依靠對吊裝流程、順序的把控，有利于找到形成穩(wěn)定性高的主體結(jié)構(gòu)的方法，在實際吊裝過程中，確保超高層建筑施工的整體質(zhì)量，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)施工特點，增加施工單位的收益[3]。

5 結(jié)束語

從宏觀層面看超高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)加工與安裝具有明顯的經(jīng)濟收益，究其原因，這種施工方式具備環(huán)保、綠色的屬性，應(yīng)用的材料不僅能夠循環(huán)使用，還能夠確保超高層建筑的穩(wěn)固性。從實際操作層面看，鋼結(jié)構(gòu)加工的流程復(fù)雜，需要明確注意事項的同時，對鋼結(jié)構(gòu)的性能進行把控，從而增加鋼結(jié)構(gòu)加工、安裝的收益。