上海某超高层塔楼施工技术风险研究

李 智

（上海建通工程建设有限公司， 上海 200090）

上海某超高层塔楼施工技术风险研究

李 智

（上海建通工程建设有限公司， 上海 200090）

在上海某超高层建筑塔楼施工技术风险研究中，结合类似工程经验和现场实际情况，将材料时变特性对结构竖向变形的影响确定为施工过程关键风险控制因素。通过计算机仿真模拟施工过程，针对不同施工速率对结构竖向变形进行了分析，计算表明施工速率对结构竖向变形影响甚微。为此，按照5d/层施工速率的施工进度方案，对巨型柱、核心筒竖向变形，以及两者之间的变形差进行了分析，确定了符合实际施工情况的构件预抛高值。通过事先控制，规避了施工风险，达到了预期设计要求。

风险管理；超高层建筑；技术风险

1 施工阶段对建筑物的影响

通常对于建筑结构的分析方法是先建立整个结构模型后，同时施加荷载进行分析。但实际建筑在施工过程中是逐级成型，逐级加载的，这种施工期间的结构系和施工后结构系的不同，会导致分析结果与实际的机构效应存在相当大的差异。并且，随施工阶段的不同，构件的龄期也将不同。对于混凝土这种材料随时间依存性较大的材料，其弹性模量、强度都在随时间变化。尤其是混凝土受徐变、收缩及强度增长，无论是在施工期间还是施工结束后，混凝土应变总是在不断变化中，应力也存在一个再分配的问题，其受力状况更加复杂。总而言之，当结构系随工程进度变化时，构件最大位移有可能发生在施工期间。故考虑施工阶段的时间依存性对结构竖向变形的影响是很有必要。

2 超高层建筑施工过程风险管理过程

在高层混合结构中，由于钢和混凝土两种材料的力学性能差异，施工阶段的影响更加显著，主要原因大致可以分为以下两类。

(1）常规分析方法时，结构一次成型，部分荷载由于实际不存在的结构对计算中刚度矩阵的影响，被分配到上部还未施工的楼层中，与实际施工实际情况不符，因此产生误差。

(2）各施工阶段的施工荷载会导致竖向构件的不同收缩。这些不同收缩由于计算方法的不同，对依据计算机仿真模拟分析结果识别结构施工过程中力学风险有重要影响。

高层钢-混凝土混合建筑物中，柱、墙、筒等竖向构件刚度不同，其受到的压应力也不同，而产生较大的竖向变形差异。而混合结构中的钢柱和混凝土墙两种不同的材料，进一步加大了这种变形差异。此外，混凝土的收缩和徐变、竖向构件的安装时间差以及结构不同部位的温度差异在高层结构中的累积效应也将导致竖向构件之间的变形差异。这种变形差异会导致梁构件上产生附加的弯矩和剪力，并且对与梁构件相连接的柱、墙等其他构件产生不利影响，例如导致结构构件倾斜、墙体开裂、幕墙与管道损坏以及电梯受损。

超高层建筑结构形式复杂，施工环节多，存在诸多风险因素。通过先定性识别，后采用计算机辅助技术模拟施工全过程，为定量评价提供符合要求的样本数据，而后提出处置方案，达到事先规避风险的目的。其主要流程如图 1 所示。

图 1 超高层建筑施工技术风险管理流程图

3 工程概况与研究参数

3.1 工程概况

上海陆家嘴金融贸易区 X2 地块设计为独具特色的超高层建筑，占地面积约 6.4 万 m2，项目规划建筑面积约为60 万 m2。拟建项目含地下室 4～5 层；裙房 4 层，高度为24 m；1 栋 23 层低座酒店，高度为 85 m；1 栋 57 层南塔楼，高度为 260 m；1 栋 55 层北塔楼，高度为 250 m。塔楼主要为高级办公楼、酒店及公寓式酒店，建成后将成为该地区标志性建筑。

其中南北两座塔楼结构采用钢与混凝土的组合结构，塔楼抗侧力体系主要由混凝土核心筒、外围巨型柱承担，并设有三道巨型桁架增强结构的整体性。结构竖向荷载由巨型柱(钢骨混凝土组合结构）和混凝土核心筒共同承担。

3.2 研究内容

由于钢、混凝土材料性能迥然，尤其是材料时变特性的影响，造成结构实际成形结果与设计计算假定不符，产生误差。高层复杂结构施工过程持续时间长，荷载工况多，结构存在显著的竖向变形差异。过大的竖向变形差异成为施工过程中的风险因素。

混凝土的龄期、收缩、徐变以及构件受力不均等因素对结构的竖向变形有影响，这些因素均是与时间有关的函数，表现在施工过程中主要是施工速率的影响。

(1）X2 地块超高层建筑施工工期短，决定了混凝土浇注后加载龄期早，而过早的加载龄期对混凝土的强度、弹性模量、收缩、徐变均有不利影响。如何选择合理的施工速率控制结构竖向变形，保证工程顺利进行是一项主要研究内容。

(2）选定施工速率之后，确定平差标准，在施工中预先提高施工标高，使结构标高在施工期结束后等于设计标高，及时调整巨型柱与核心筒变形差异，保证工程安全进行。

3.3 计算假定

计算假设如下：

(1）本文主要研究上部结构竖向变形，不考虑地基不均匀沉降引起的部分，假定结构与地面刚接。

(2）每 5 层作为一个竖向变形研究特征层。

(3）讨论外围巨型柱与核心筒变形时，取同一楼层外围巨型柱变形平均值与核心筒角部变形平均值进行分析。

(4）结构体系在施工期承受自重作用，楼面荷载考虑200 kg/m2，并按面积分配到巨型柱和核心筒上，取荷载标准组合。

(5）不考虑水平荷载和水平构件对竖向变形的影响。

3.4 计算参数

结构参数见表 1，主体主要承重结构混凝土强度等级见表 2。

表 1 核心筒墙厚度随楼层变化情况汇总表

表 2 主要承重结构混凝土强度等级汇总表

巨型框架柱外围截面尺寸由 2 000×2 600 变化到 2 000× 2 000，其内部钢结构劲性骨架变化频繁，主要承重钢结构钢材等级均为 Q345。

根据已有施工方案，通过 MIDAS 有限元计算分析软件建立结构数值模型时，认为内部混凝土核心筒领先外部结构5 层施工。模型中共划分 58 个施工阶段，并采用梁单元模拟结构中梁柱构件，使用梁单元并通过释放梁端约束的方式模拟桁架层中铰接构件，核心筒墙单元基于薄板理论计算。施工过程中考虑混凝土材料龄期、收缩、徐变特性时，均采用CEB-FIP 模型，其具体参数取值详见表 3。

表 3 混凝土时变特性CEB-FIP计算模型参数

结构整体模型如图 2 所示，比较详尽地反映了整体结构中墙、柱、梁、桁架、板的实际尺寸和位置关系，共建立了 35 000 多个单元，其中墙单元有 7 000 多个，板单元有 9 300 多个，梁单元 19 200 多个。桁架层也全部采用梁单元来处理，通过释放梁端的约束，来模拟桁架层的受力和变形问题。

图 2 结构整体模型透视图

4 不同分析方法的结构竖向变形研究

结构施工过程期间是时变结构体系，随着施工过程的推进，结构几何形状、边界条件、荷载状况不断变化。混凝土材料的特性也在不断变化。使用一般整体模型分析方法和考虑施工阶段分析方法得出结果存在不同。采用结构一次整体加载模型与按 5 d/层分析结果进行比较分析，如图 3 和图 4所示。

图 3 整体模型与施工阶段模型下巨型柱竖向变形

图 4 整体模型与施工阶段模型下核心筒竖向变形

由上述分析结果可知：采用整体模型分析时，外围巨型柱及核心筒竖向变形随楼层增加而累计增长，其中外围巨型柱最大竖向变形为 44.6 mm，核心筒最大竖向变形为32.4 mm，均发生在结构顶层，最大竖向变形差为 7.5 mm，发生在结构 45 层处；采用施工阶段模型分析时，外围巨型柱及核心筒竖向变形在结构底部、顶部小，中间层变形大的特点，其中外围巨型柱最大竖向变形为 61.7 mm，核心筒最大竖向变形为 34.0 mm，最大竖向变形差为 27.7 mm，均发生在结构 35 层处。

通过比较发现，整体模型分析法与施工阶段分析法得出结果存在差别。常规分析手段下，认为结构一次成型，荷载一次施加，未考虑施工过程中无形补偿的部分结构变形(施工前变形）。因此，结构竖向变形曲线呈现出逐渐累加递增的特点。而在实际施工条件下，通过绝对标高控制法已经无形补偿了施工前变形，结构实际变形应为上部荷载引起的结构变形(施工后变形）。结构施工后变形由上部荷载引起，荷载越大，变形越大，竖向变形曲线理论上应逐渐递减，本模型采用了结构底部固接假定，因而竖向变形在结构底部为零，随后逐渐增大，继而再减小的“中间大，两头小”的分布特征。因此，在符合模型计算假定的情况下，采用施工阶段分析法更符合实际工程情况。

5 不同施工速率下结构竖向变形研究

针对混凝土该特性，需要在高层结构施工过程中选用合理的施工速率，采用不同的施工速率 3 d/层、5 d/层、7 d/层进行核心筒和巨型柱的变形计算，计算结果如图 5 和图 6 所示。

图 5 不同施工速率下外围巨型柱竖向变形

图 6 不同施工速率下核心筒竖向变形

核心筒和巨型柱不同施工速率下的变形几乎是一致的，无论是外围巨型柱、核心筒，还是两者变形差均在结构底部、顶部最小，并在结构中部达到最大，因此施工速率对结构竖向变形几乎没有影响。根据此分析结果，结合现场施工进度、协调等方面，建议施工时采用 5 d/层的施工方案。

6 施工速率5d/层情况下，结构竖向变形研究

结构竖向变形由自重作用以及施工荷载作用下的弹性变形、混凝土收缩变形、徐变变形组成，其计算结果如图 7 和图 8 所示。

图 7 5d/层外围巨型柱竖向变形

图 8 5d/层核心筒竖向变形

通过计算分析可知，巨型柱以及核心筒的弹性变形、混凝土徐变变形、收缩变形在结构底部、顶部很小，在结构中部达到最大值。巨型柱最大总变形为 61.7 mm，其中弹性变形为 42.9 mm，徐变变形为 16.8 mm，收缩变形为 2 mm。核心筒最大总变形 34.0 mm，其中弹性变形为 20.7 mm，徐变变形为 11.7 mm，收缩变形为 1.6 mm。巨型柱与核心筒间变形差在结构底部、顶部很小，随着结构层增加，变形差出现三个相对最大值，两个相对最小值，相对最小值发生在 25 层、40 层。变形差曲线呈现该特征的主要原因是在 25 层、40 层以及顶部附近有三道刚度很大的桁架层，约束了巨型柱和核心筒的相对变形，因此出现了变形差相对最小值，而在结构底部采用了固接假定，故变形差为零。

7 竖向变形调整方法

超高层建筑施工过程中，需要保证施工层的标高达到设计标高，进行施工平差处理，补偿已发生的变形。施工中一般采用绝对标高控制，该方法施工测量人员不必精确知道补偿值大小，只需要施工层满足设计标高即可，其补偿部分为施工本阶段前完成结构的竖向变形。根据现场施工条件，制定施工平差方案：核心筒和巨型柱每 5 层调整一次，调整位置位于调整区段顶部，调整后结构标高应等于该层处结构设计标高加上构件的预抛高值。

根据施工组织、进度选定了合理的施工速率，通仿真分析得到了巨型柱、核心筒竖向变形以及两者的变性差异，给出了施工过程中构件预抛高值和建议的施工平差方案。

8 结 语

以上海 X2 地块超高层建筑为工程背景，运用风险管理模型，根据其先分类后识别的原则，将施工过程中可能导致风险的力学问题分为合理的施工速率以及由材料性能差异引起的结构变形差的平差标准两大类。设计技术的不断进步，建筑外形越来越来新颖，结构形式越来越不规则，涌现出了越来越多的大型复杂结构建筑，给施工带来了许多力学问题，从而产生了诸多不确定因素，因而埋下了风险隐患。运用风险管理技术对风险事件进行识别、评价、处置的方法已普遍应用。计算机辅助技术的发展与进步，使得采用仿真技术模拟施工全过程，对关键控制环节采取定量分析，预测可能发生的风险变为现实。

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TU712

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