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超高层建筑施工技术探讨 熊君放 湖南省建筑工程集团总公司 0 目录 一 超高层建筑概述二 超高层建筑基础施工三 模板系统设计与施工四 钢结构施工五 钢板剪力墙结构抗裂措施六 垂直运输设备七 其他技术措施 湖南建工 湖南建工 一 超高层建筑概述 1972年联合国国际高层建筑会议中对超高层建筑的较权威定义为 建筑高度超过100米或楼层40层以上的高层建筑 我国 民用建筑设计通则 中定义高度超过100M的民用建筑为超高层建筑 在我国 20世纪是超高层建筑起步和飞速发展的黄金阶段 1976年建成于广州的白云宾馆 33层 112M 堪称我国第一座超高层建筑 进入21世纪后 随着我国城市建设的飞速发展以及承办亚运会 奥运会等大型国际会议的配套设施建设 400M以上的超高层建筑在我国一线城市拔地而起 随着现代施工技术的不断发展和应用 超高层建筑的结构形式已由最初的框架结构向框 剪 框 筒 剪力墙结构转变 由单一钢筋混凝土结构向钢结构 钢筋混凝土结构 钢 混凝土组合结构的转变 与传统建筑比较 超高层建筑具有高度超高 造型奇特 结构复杂的特点 使得超高 一 超高层建筑概述 层建筑施工面临诸多的技术难题 1 钢筋砼结构施工难度大 核心筒体型变化大 竖向结构多 模板系统的体型适用性和施工效率要求高 2 砼强度等级高 浇筑高度超高 高强混凝土超高层泵送是个难题 3 钢结构总用钢量大 单个构件重量大 空间分布广 吊装设备选型要求高 4 钢构件板材厚 高空焊接量大 施工环境差 焊接质量控制难 5 垂直运输组织任务重 施工人员和建筑材料运输任务繁重 垂直运输体系设计的好坏 对施工效率影响大 6 施工组织设计面临许多新课题 湖南建工 一 超高层建筑概述 广州珠江新城东塔 总建筑面积507681平方米 建筑物总高度为530米 塔楼结构形式为带加强层的钢管混凝土巨柱框架筒体结构 湖南建工 一 超高层建筑概述 湖南建工 进入二十一世纪后 全球超高层建筑发展情况 一 超高层建筑概述 湖南建工 二 超高层建筑基础施工 超深基坑施工1 编制降 排水施工专项方案因基坑开挖深度一般都在20m以上 接近或可能穿过承压水层 破坏了原有地下水系的平衡 可能引起坑底冒顶事故 由于抽取地下水量大 也可能造成对周边环境的破坏 因此 施工前 需请专业公司编制降 排水施工专项方案 上海中心大厦基坑深度31 1m 承压水最浅埋深为28米 组厚117米 主 裙楼地下连续墙均不能对地下承压水进行有效阻隔 基坑施工过程中突涌风险极大 其降水方案是在塔楼基坑内 在地下连续墙内侧采用12口 深55米的降压井 外侧采用了14口66米深和14口55米深的降压井 裙楼区施工时 所有降压井布置在基坑内 在基坑内 外布置水位观测井 对坑内开挖深度以下的承压水进行 按需减压 降水 保证基坑安全及施工顺利进行 承压水位控制原则是 当开挖深度 27 00m时 承压水位必须控制在开挖面以下1 00m 当开挖深度 27 00m时 按下式进行承压水位控制 湖南建工 二 超高层建筑基础施工 F S 28 0 hs w 28 0 D 1 1式中 F为安全系数 取1 1 hs为基坑开挖深度 m D为安全承压水头埋深值 m s为基坑底板至承压含水层顶板间的土层重度的层厚加权平均值 kN m3 w为地下水重度 kN m3 根据上式计算出开挖深度hs 湖南建工 主楼基坑降水井平面图 主楼基坑降水井剖面图 二 超高层建筑基础施工 此外 上海中心主楼基坑面积11500m2 疏干井40口 另加10套轻型井点 裙房基坑面积23460m2 疏干井65口 采用真空深井泵降水措施降低基坑内浅层潜水 基坑开挖前20d预降水 开挖过程中水位低于开挖面1 0m以下 开挖过程中围护结构一旦出现渗漏水 立即采用快硬水泥或聚胺脂等措施止水堵漏 做好坑内明排水措施2 超深基坑支护常见的超深基坑的支护形式有以下几种 1 逆作业法施工 利用基础结构本身作为支撑 2 护壁桩 钢筋混凝土内支撑 3 地下连续墙 钢筋混凝土内支撑 4 护壁桩 喷锚支撑 复合土钉墙基坑支护技术规范 GB50739 2011中3 0 4条款明确规定 软土地层 湖南建工 二 超高层建筑基础施工 中 基坑开挖深度不宜大于6M 其他地层中基坑开挖直立深度不宜大于13M 可放坡时基坑开挖深度不宜大于18M 而 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 2012中也规定 水泥土桩复合土钉墙 微型桩垂直复合土钉墙的支护形式 只适应于基坑开挖深度在12M以内 所以 第4种基坑支护的形式很少在超高层建筑基坑支护中采用 湖南建工 天津九方城市广场深基坑 武汉绿地中心主楼深基坑 3超厚钢筋混凝土底板大体积混凝土施工 超高层地下室地板混凝土具有浇筑面积大 厚度厚的超大体积混凝土 以目前国内第二高楼 上海中心大夏 为例 其基础大底板是全球少见的超深 超大 无横梁支撑的单体建筑基坑 大底板是一块直径121米 厚6米的圆形钢筋混凝土平台 11200 的面积相当于1 6个标准足球场大小 厚度则达到两层楼高 混凝土浇筑量61000m3 是世界民用建筑底板体积之最 采用400余辆水泥车轮番往来 29台泵车和拖泵 平均浇筑混凝土1000m3 h 500多名工人轮班不间断工作 60多个小时连续作业 对大体积砼的水化热控制采用了中低热水泥 大参量的粉煤灰和矿物掺合料以及聚羟酸系高效减水剂等措施 是水泥单方用量控制在160kg m3 同时还采用了蓄热保温的方法 二 超高层建筑基础施工 湖南建工 上海中心大厦主楼基础底板浇筑 二 超高层建筑基础施工 4 超深桩基施工中央商务区117大厦位于天津市西青区 拟建地下3层 局部4层 地上117层 建筑总高度597m 117大厦基础采用钻孔灌注桩 共设计桩径为1000mm 孔深约99m 有效桩长为76 5m的工程桩941根 单桩抗压竖向承载力特征值为16500kN 混凝土设计强度等级为C50 对高承载力超大长径比桩 要保证钢筋笼和混凝土导管的顺利下放及混凝土的成功浇筑 必须控制好垂直度 120m深的桩孔 要求护壁泥浆要有好的排渣效果 能在较长时间内维护孔壁稳定 能有效控制桩底沉渣厚度 全长设置钢筋笼 超长超重的钢筋笼制作 转运 下笼 接长过程的工艺和变形如何快速 高效的加以控制 有超常难度 超大长径比桩水下浇筑混凝土的施工工艺和质量保持难度极大 在粉质粘土夹粉砂的土层中 对超长桩进行桩底 桩侧注浆的注浆效果难以保证 试桩桩顶以下26m为非摩擦段 如何消除此段的桩侧摩擦阻力 需研究新的办法 针对这些施工难题 施工方在桩基施工过程中取得了以下技术攻关成果 1 PHP不分散低固沾泥浆在高承载力超大长径比钻孔灌注桩中的应用技术 引用 湖南建工 二 超高层建筑基础施工 输油泥浆技术 2 消除恻模阻力的超长双护筒设计与施工技术 双护筒长26米 有内外两层护筒组成 在设计荷载作用下 内外护筒分离 将荷载直接向下传递 3 超大长径比桩垂直度控制技术 通过优选钻机 改进钻具 在钻杆上安装导正器 在钻头上增加配重等措施 实现了垂直度小于1 300的预定目标 4 超长超重钢筋笼制作安装技术 5 水下浇筑高保塑自密实高耐久性混凝土技术 湖南建工 三 模板系统设计与施工 超高层建筑竖向结构多为核心筒 剪力墙结构 采用滑模法和爬模法进行核心筒及剪力墙施工具有以下特点 1 只需一次模板组装 可缩短工期 2 机械化程度高 节约模板和劳动力 结构整体性好 3 对结构立面造型存在一定的限制 目前 针对核心筒施工 施工单位普遍采用一种新型的模板体系 超高层建筑智能顶模系统 该系统由工作平台 顶升系统 挂架系统 模板系统和安防系统组成 只需2小时即可完成整个支模工序 与滑模法和爬模法比较 成本相对较低 工期大为缩短 施工安全性高 混凝土质量易于保证 对于短肢墙 梁 板 柱等结构支模则综合应用拼装式全钢大模板 铝合金模板和早拆模板支撑体系 由于超高层建筑结构平 立面变化复杂 施工前要求编制详细的模板专项方案 湖南建工 三 模板系统设计与施工 湖南建工 三 模板系统设计与施工 湖南建工 三 模板系统设计与施工 湖南建工 三 模板系统设计与施工 模板工程难点与特点 核心筒形体复杂 随高度上升平面形状及层高有多次变化 在确定选用的模板体系时必须考虑空中的平面及立面转换 在核心筒墙内多处设有劲性桁架 在模板体系设计时必须考虑避让劲性桁架 以满足自升要求 核心筒筒壁随高度变化逐步收分 巨型柱断面变化多 形体连续变化大 必须解决模板以及脚手体系在高空中相应的变化 以适应体形变化的需要 模板体系必须解决空中倾斜定位以及斜向分叉施工的需要 巨型梁体形大且离地面距离高 必须考虑巨大荷载传递对结构的影响 同时解决支撑体系本身的稳定问题 超高层施工如何防止高空坠物 满足立体交叉施工需要 同时解决工人高空操作恐惧心理 提高工作效率 保证工程顺利进行 由于结构钢筋密集 且内设有巨型劲性钢柱 需采用自密实混凝土进行浇捣 这对模板体系设计以及拼缝密封性提出了很高的要求 湖南建工 四 钢结构施工 超高层建筑的钢结构主要包括重型钢结构 巨型柱 伸臂钢桁架等 轻型钢结构 大跨度空间钢结构和钢 混凝土组合结构 劲性梁 劲性柱 钢板剪力墙 1 超高层建筑钢结构形式 主楼采用钢筋混凝土劲性结构 外围结构由巨型柱 巨型斜撑和带状桁架组成 核心筒由内埋钢骨及桁架和钢筋混凝土组成 2 钢结构的吊装顺序 钢结构构件安装主要根据塔吊的起重能力和运输条件的限制进行分段分节 主要采用分段高空散装的工艺进行安装 安装顺序为 先安装核心筒劲性钢骨以及巨型柱与混凝土核心筒相连的区段 然后安装巨型柱与巨型柱之间的区段 湖南建工 四 钢结构施工 3 超高层钢结构施工技术难点有 1 昼夜温差变化大 焊接应力和焊接应变难控制 2 钢结点形式千变万化 在多个构件接头交汇处 因各个构件的安装误差不一致 需预先安排合理的安装顺序 才能保证每个钢结构施工段的闭合 并减少二次校正的工作量 安装难度大 3 厚钢板焊接技术质量要求高 4 外围结构中的巨型斜撑 带状桁架 巨型柱等钢结构吨位大 需采取分段高空散装 对吊装设备和吊装方法 测控和焊接技术要求高 例如 某塔楼最大节点部位焊缝金属填充量为1100kg 需要52名合格焊工连续焊接约70小时才能完成 5 测量精度要求高 还需考虑沉降 压缩变形等的影响 6 钢结构安装领先土建作业面施工 作业风险较大 需采取有效的安全防护措 7 超高空作业对对作业人员的心理和技术发挥的影响大等 湖南建工 四 钢结构施工 总之 超高焊接 超高空作业 安装定位是建设者们遇到的世界级难题 超高空焊接给顶端焊接技术带来了一系列挑战 一方面要防止焊缝在高空复杂环境中被雨水侵蚀 对焊缝质量要求很高 另一方面 高空摆动 风环境 晕旋等因素对焊缝质量影响很大 整个钢结构对焊接变形非常敏感 现有的钢结构施工与验收规范已不能适用本钢结构工程 湖南建工 五 钢板剪力墙结构抗裂措施 湖南建工 在钢板 混凝土组合剪力墙结构中 由于高性能砼自收缩比较大 钢板剪力墙结构出现了2 4mm的裂缝 针对这一质量缺陷 施工方采取了优化配合比 增加构造筋 加强养护等措施 但这些传统的方法仍无法根治好这一问题 通过组织专家进行技术分析 一致认为砼收缩过程中 钢板对砼的约束做用是主因 理论分析认为C80砼的7d收缩率可控制在250 x10 6m 钢材的线膨胀系数为12x10 6m Co 将钢板预热至高于砼21Co后 能够有效解决好这一问题 为了证实理论分析的正确性 必须通过系统实验 五 钢板剪力墙结构抗裂措施 证实1 钢板是否确因约束而导致混凝土表面开裂 2 怎样实现钢板的预热 3 怎样实现钢板预热温度高出混凝土自身温度21Co 4 是否可实现两者同步收缩 通过前后几个月的十几组模拟实验和足尺实验分析 证实了理论分析的正确性 湖南建工 五 钢板剪力墙结构抗裂措施 湖南建工 六 垂直运输设备 1 吊装设备的选型与安装在超高层建筑施工中 由于个专业交叉多 吊装高度高 吨位大 吊装时间长 塔吊基础的逆作等 吊装设备的选择与布置应根据设备性能和钢构件的实际情况 并结合工期 安全 成本等多种因素综合考虑 1 由于基坑平面较大 考虑塔吊的作业半径及工作效率 三台塔吊均应在未挖土前先安装好 塔基为灌注桩加插钢格构柱 格构柱高20m以上 随着挖土标高的降低 露出的格构柱自由端应及时进行连杆及剪刀撑加固以抵抗塔吊的倾矩和扭矩 随土方标高不断下降 加固应及时交替进行 2 附着与变幅方式 随着超高层建筑高度的增加 塔式起重机的使用形式逐步由外附着式过渡为内爬式 外爬式 由普通平臂式转化为动臂变幅式 3 塔机安装 拆除 高空移位 塔机安装遵循先小后大 先内后外的顺序 塔吊拆除则遵循先大后小的顺序 例如 上海环球金融中心配备了2台M900D和1台M440D动臂内爬塔吊 首先用500T汽车吊安装M440D 然后通过M440D安装M900D 拆卸时 第一步 1号M900D拆卸2 湖南建工 六 垂直运输设备 号M900D 第二步 1号M900D安装M370R 第三步 用M370R拆卸1号M900D和M440D 第四步 用M370R安装SDD20 15第五步 用SDD20 15拆卸M370R 第六步 用SDD20 15安装SDD3 17 第七步 用SDD3 17拆卸SDD20 15 第八步 人工拆卸SDD3 17 并由施工电梯转至地面 塔吊可能将随着超高层建筑立面的变化而平面移位 也可能变内爬式为外爬式 需要进行高空拆装 安全风险大 4 主要塔机型号技术参数 1 动臂式M1280D塔身高度56m 起重臂长82 6m 最大起重量80t 起重力矩2450tm M900D塔身高度60m 起重臂长55m 最大起重量64t 起重力矩1228tm M440D塔身高度40m 起重臂长55m 最大起重量50t 起重力矩600tm SLT1000塔身高度48m 起重臂长60m 最大起重量50t 起重力矩1000tm 6t 起重力矩80tm 湖南建工 六 垂直运输设备 2 附着式TC7052 QTZ400 塔身高度73m 附着安装高度280m 起重臂长70m 最大起重量25t 起重力矩400tm TC5610 QTZ80 塔身高度40 5m 附着安装高度220m 起重臂长56m 最大起重量5 塔吊安装总体方案选择 高度300M以下的建筑 塔机的安装方法可选择附着式 附着式 内爬式 高度300M以上的建筑 塔机的安装方法可选择内爬式 外爬式 内爬式 湖南建工 六 垂直运输设备 2 施工电梯SC200 200施工升降机 外置式 额定载荷1到4吨 额定提升高度150米 提升高度最高可达300米 新一代的变频无级调速高速施工升降机 这种新型升降机的特点是起制动平稳 可实现满载零速度起动 对工地电源的要求低 最高速度达到每分钟96米 高度可达400米 由于超高层建筑外形变化复杂 不太适合施工电梯外置安装 一般都设置在核心筒内 爬升高度不够时 可采用分段设置 湖南建工 施工后期利用永久电梯作为垂直运输工具 施工前期安装12台电梯满足垂直运输需要 六 垂直运输设备 3 超高混凝土泵送1 混凝土拖泵要求具有一泵到顶的性能例 京基金融中心主塔楼工程高439米 外框 核心筒采用C60 C70 C80 9 9万方 楼板采用C30 C40混凝土 3万方 总计混凝土方量12 9万方 1 设备选型依据根据JGJ T10 95 混凝土泵送施工技术规程 推荐的计算方法 选择较高压力损失计算的S Morinaga公式 PH 混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失 Pa 式中 r 输送管半径r 0 0625 m K1 粘着系数 Pa K1 3 0 0 10S1 102K2 速度系数 Pa m s K2 4 0 0 10S1 102 湖南建工 六 垂直运输设备 t2 t1 分配发切换时间与活塞推压混凝土时间之比 取0 2V 混凝土在输送管内平均流速 m s 混凝土径向压力与轴向压力之比 0 9根据计算 PH 0 015MPa m 水平 初步计算 已知 垂直高度439 m 4 0 015 26 34MPa预计 水平管道150m 0 015 2 25MPa空机压力 3MPa因此 混凝土泵的出口压力要大于P 26 34 2 25 3 31 59MPa 2 超高层泵送设备的选择根据上述计算及要求 本工程选择两台中联重科生产的HBT90 40 572RS超高压砼 湖南建工 六 垂直运输设备 土泵 其液压系统最大压力32MPa 混凝土出口压力可达40MPa 理论泵送高度为00m 完全可以满足本工程的泵送要求 该泵具有方量大 压力高特点 并在国内率先运用 增压传动 的设计理念 即 通过32MPa的液压系统压力实现40MPa的混凝土推送力 40MPa混凝土输送压力足以满足高度439m的高层建筑建设的需要 湖南建工 六 垂直运输设备 3 超高泵送施工历史记录三一重工拖泵 1998年深圳赛格广场的单泵垂直泵送300 8米 2002年际金融中心创造406米的单泵垂直泵送世界纪录 目前 三一专门研制了HBT90CH2135D超高压混凝土泵 HBT90CH2135D超高压泵出口压力高达35MPa 整机功率为 273 2 kW 理论泵送高度超过700米 中联专为600米以上高层建筑使用的高强度 高性能混凝土施工而精心研制的HBT90 48 572RS拖泵在中联麓谷工业园成功下线 泵送压力高达48Mpa 理论最大方量可达98 5方 这是目前国际上最高泵送压力的混凝土泵 泵送高强度混凝土高度世界第一 2 选用超高性能泵送混凝土随着泵送高度的增加 输送压力也不断提高 对于垂直高度大于400米的超高层建筑 一般采用高强度混凝土 水胶材料用量比低标号普通混凝土用量大 造成拌合物的粘度大 对泵管形成的阻力大 其混凝土泵的出口压力达到20MPa以上 这种高强度混 湖南建工 六 垂直运输设备 混凝土的超高压泵送容易产生泄漏导致混凝土离析 堵管等诸多问题 怎样配制高保坍 低粘度 低水化热 高强度的高性能混凝土 是实现超高泵送的重要课题 这里主要统计了截至2010年 世界上高于400m具有代表的超高层建筑 如阿联酋的哈利法塔 台北101大楼等 如表1所示 它们不但体现了当地经济的发展水平 而且代表了当代建筑技术的最前沿 其中高性能混凝土的超高泵送技术更是其技术难点之一 湖南建工 六 垂直运输设备 配制高强高性能泵送混凝土的主要途径 采用尽可能低的水灰比 采用超细掺合料 采用高效减水剂 选用优质水泥 选用优质骨料 特别是粗骨料 开发高减水 高保坍 低粘度外加剂 湖南建工 深圳京基大厦C80高强自密实砼配比 六 垂直运输设备 目前 沈阳健晖 健富 混凝土有限公司利用碎石骨料配制成功 级高性能泵送混凝土并通过了中国国家建设部组织的成果鉴定 2011年4月10日下午 在深圳京基大厦建设现场 中国建筑第四工程局有限公司携手中联重工科技发展股份有限公司等七家单位 将C120超高性能混凝土泵送至417米的高度 这是继2008年12月16日由中建四局携手中联重科将号称 糯米团子 的C100超高性能混凝土成功泵送至411米的广州西塔顶部后又一项科技创新成果 本次成功完成了C120超高性能混凝土在417米高度的泵送 不仅创造了新的世界纪录 更为今后进一步推动建筑工程中超高性能混凝土的应用铺平了道路 这也标志着全球混凝土机械发展史上又一崭新里程碑的诞生 湖南建工 六 垂直运输设备 湖南建工 六 垂直运输设备 湖南建工 六 垂直运输设备 3 混凝土布料机布料机的使用扩大了混凝土浇注范围 是混凝土输送泵的配套设备 有效的解决了墙体 柱浇注布料的难题 对提高施工效率 减轻劳动强度 发挥了重要作用 布料机有固定式和爬升式两种安装方式 湖南建工 七 其他技术措施 1BIM技术的应用1 虚拟施工作为BIM的一项重要应用 虚拟施工技术是实际施工过程在计算机上的虚拟实现 它采用参数化设计 虚拟现实 结构仿真以及计算机辅助设计等技术 在三维仿真软件及高性能计算机等的支持下协同工作 对施工活动中的人 财 物 信息流动过程进行全真环境的三维模拟 为施工的各个参与方提供一种易控制 无破坏 低耗费 无风险且能反复多次的实践方法 能有效提高施工水平 消除施工隐患 防止施工事故 减少施工成本及工期 增强施工过程中的决策 优化与控制能力 从而增强项目总承包及施工企业的核心竞争力 2 三维协同工作通过参数化的变更引擎自动维持各种信息模型 文档之间的关联 保证参与BIM工作的各专业人员使用实时统一的项目环境 参考实时更新的各专业三维模型 甚至各 湖南建工 七 其他技术措施 专业的切图都随模型同步更新 减少了来回检查 重复作业以及过程协调中的各种浪费 提高了设计的效率和质量 3 三维碰撞检测 通过Bentley软件各模块的自检功能及Navigator的碰撞检测工具 发现并检测出各专业间的设计冲突 并及时反馈给各专业设计人员进行调整 修改 然后重新复核检测后将新的问题再次反馈给设计人员 如此往复几次 最终完成各层的碰撞检测及管线综合工作 湖南建工 七 其他技术措施 湖南建工 七 其他技术措施 湖南建工 七 其他技术措施 湖南建工 1 安防标化技术 装配式 统一构造 七 其他技术措施 2 超高层竖向变形差的处理 湖南建工 谢谢