超高层建筑钢结构施工难点及对策研究

李 虎

陕西建工机械施工集团有限公司，陕西 西安 710032

随着城市化快速建设、城市人口急剧增加，同时受土地集约、环境保护等因素的限制，超高层建筑在全国各地拔地而起，成为目前城市建设的主体。钢材料作为超高层建筑必不可少的重要施工材料，其施工技术直接影响超高层建筑施工的安全、进度和质量[1]。对此，文章以国内某工程为实例，分析超高层建筑工程建设中可能遇到的施工难点，并探索其解决对策。

1 项目概况

该项目基地内有3座塔楼和1座裙楼。底座的中心是一个99层超高层办公及酒店综合楼（二期塔楼），基地西南侧为47层办公楼（一期塔楼），基地东侧为35层办公楼（三期）总建筑面积约686420m2（包括地上和地下），占地面积约315080m2。二期工程塔楼区域总面积约391120m2，包括二期工程塔楼、裙楼和地下室。

二期塔楼地上99层，地面主体结构高度为440m，包括带桁架的外部框架、核心管（钢支架）和支腿桁架结构，商业裙楼为地上6层结构，现浇钢筋混凝土节点，地下室共有3层，局部有层间，为整体现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构。该工程钢结构主要分布在塔楼和裙楼中，钢筋消耗量约73340t。裙楼的主要钢结构形式有混凝土梁柱内钢、钢梁、钢柱和桁架。塔楼主体钢结构为巨型钢柱外框、核心筒内钢暗柱、核心筒内暗梁、钢板剪力墙、压型钢板、钢框架梁柱、支腿桁架、转换桁架、带式桁架和支架。三期钢结构主要包括15层和30层的带式桁架。二期塔楼共有6层桁架，分别位于15～17层、31～33层、47～49层、63～65层、79～81层和98～99层。该工程所用钢材主要为Q235B、Q345B、Q345GJB、Q345GJC、Q390GJC。钢结构的最大厚度为130mm。

2 施工特点、难点及对策

2.1 塔楼高度高，形状复杂，施工难度大

（1）该工程钢结构最大安装高度为468m，结构复杂。塔楼地面为不规则椭圆，外框柱面用两组对称圆弧定位。外框柱从5楼向外倾斜，从27层向98层内倾斜。4～99层平面尺寸不断变化，构件的截面尺寸和厚度逐渐减小。在施工过程中，不能按简单的标准楼层进行施工，测量和精度控制困难[2]。

（2）工程任务复杂，重量约7万t。圆管柱的最大横截面直径达到2800mm，最大仪表重量达到9.09t/m。节点最大重量为330t，分段后的单段为78t。在主楼钢结构安装过程中，裙楼与地下室同时施工对主楼重件堆场及竖向运输影响较大、钢结构安装施工组织难度大。

（3）施工对策。①根据塔楼钢结构的分布特点，提前做好各项施工准备，编制方案，特别是专项测量方案，对各斜钢柱、弯扭构件、复杂节点进行详细的测量控制，采用钢桁架，并采取精度控制措施，确保施工精度满足设计和规范要求[3]。②根据设计要求合理分段，现场施工选用大型起重设备，合理分析塔吊顺序，确保现场施工进度满足工期要求[4]。③堆场的设置应满足吊装范围和靠近塔式起重机道路运输的要求。对于地上施工阶段，由于缺乏现场施工场地，考虑到构件数量较多，选择在塔架及施工道路上方设置堆场。北侧设在一楼，南侧设在平顶楼。对于83层以上的施工阶段，为便于钢构件吊装、满足早期作业要求，在83层南侧设置堆场。④对于复杂构件的施工主要从构件生产、现场测量和焊接三个方面进行控制。

2.2 钢结构深化设计需考虑的因素众多

深化设计是钢结构施工的前提，深化设计的质量直接决定了工程建设的难度。

（1）工程结构复杂，节点形式多样，部分节点设计不完善（钢结构与土建、幕墙冲突）。

（2）深化设计单位的选择。国内具备此类超高层工程深化设计能力的单位并不多，不利于深化设计的发展。

（3）预防性解决措施。①施工前应提前熟悉图纸和模型，并尽早上报深化图纸，在节点设计过程中，由项目部和技术部负责节点的生产安装可行性审查，商务部负责协调设计和合同评审工作。②设计单位应采用现有的深化设计软件，根据深化原则和设计意图进行合理的深化，以便生产安装。③技术深化合作单位应提前选定2～3家，开展工作应提前进行。④这个项目结构复杂，任务复杂，深化设计工作十分重要，在深化设计的过程中，有必要综合考虑，为以后的施工打下良好的基础，深化设计时需考虑的因素如表1所示。

表1 深化设计需考虑的因素汇总表

2.3 美标材料采购周期长

（1）该项目包含约4000t美国标准材料。据了解，目前购买美国标准材料从订购到收货大约需要140d，其中一些项目涉及的美标材料目前市场上没有库存，需要提前预约采购。但是，国外的规定是先付款后生产，这就给企业带来了很大的项目进度管理风险和资金压力。

（2）解决对策。①根据图纸单独列出所需的美标材料，结合施工进度顺序，提前深化设计美标材料的局部结构（考虑必要的原材料采购、生产、运输周期），并向设计师汇报确认美标材料订货清单。对于无法采购的材料，应提前与设计单位沟通，采用国标焊接钢进行更换。②美标钢和国标钢的焊接工艺应事先进行评定，评定结果合格后方可进行焊接。

2.4 结构复杂且零部件制造难度大

（1）钢构件内部结构复杂，刚性板较多。圆管柱内设有钢管柱和“+”形刚性板，焊接接触面多。箱形柱采用“+”型刚性板，最小截面尺寸为2000mm×2000mm，焊接空间狭窄，对大直径厚壁圆管（最大截面尺寸为Φ2800mm×70mm）、方管构件和铸钢构件要求精度高。

（2）工程接缝复杂，数量多。复杂节理包括4个拼合节点和16个天圆地方转换节点。典型的复杂部件如表2所示。

表2 典型复杂部件

（3）施工对策。①采用三维建模软件模拟加工顺序，制订合理的加工方案和操作规程，充分考虑预拱、焊接收缩和变形。②采用数控平面钻、三维数控钻床等成孔设备。在预装配过程中，采用先进的设备和测量方法，进行精确放线，保证构件的精度。③应有专人在工厂监造，严格监控零部件的生产过程，保证零部件的质量和进度，并根据现场具体情况及时调整。

2.5 现场施工精度控制难度大

（1）该工程铁塔部分构件重量大，工作面高度高，给现场安装带来不便。

（2）构件截面大，板厚大，焊接后应力减小，变形控制要求高。

（3）塔楼外框柱倾斜角度不同，弯扭柱双向倾斜，对测控要求高。钢结构的变形和沉降对钢结构的安装精度影响较大。

（4）施工对策。①在保证塔机安全运行的前提下，应结合钢结构体系和施工特点，对钢构件进行合理的分段，以保证施工安全和工期。②应保留特厚钢板进行焊接，并采用预热和保温的方法降低残余应力，为了减小构件超厚钢板的焊接变形，应采用合理的分段和焊接工艺。③严格控制平面和高程精度、监测钢柱控制结构变形。④项目所在地夏季气温较高，温度变形控制也是测量控制的一个重要方面。

2.6 超高空作业安全隐患多

（1）当建筑物超过规定高度时，高空作业存在较多的安全隐患。

（2）外框柱为大截面钢管柱，柱内竖向加强板需现场焊接，以保证现场通风良好。保证操作人员安全，不影响焊接质量，是现场施工的一大难点。

（3）17层以下的塔楼和裙楼需要提前操作，上部钢结构的施工对其安全使用影响很大。

（4）施工对策。①制订专项安全防护措施，深化施工安全防护措施。②加强高处作业安全监督管理，对安全风险较大的施工作业，增强安全巡查和安全施工旁站管理，及时处理隐患。③施工前合理布置钢结构堆场及安全防护措施，确保早期作业的安全。

2.7 多专业交叉综合施工困难

（1）钢结构施工与其他主体施工在平面和立面同时进行。受民用建筑顶层模板和钢结构特性等诸多因素的影响，钢结构建筑不能与其他专业在立面上分开进行，不可避免地导致工作面被共同占用，甚至会受到与土木工程有关的工作的约束。

（2）施工对策。①钢结构施工部署应根据总体施工部署进行，并及时调整。②应保持与其他专业的密切联系，对于专业施工，应派专人进行联系和沟通，制订钢结构施工各阶段的现场计划，使工序重叠合理，施工程序顺畅。

3 结束语

超高层建筑能较好地满足人们的现实居住需求，成为未来建筑业发展的趋势。钢结构施工对超高层建筑的建设水平有重要的影响，不仅丰富了建筑的结构与功能，还全面提升了建筑的美感。相关研究人员需不断总结、研究和创新超高层钢结构安装技术，积累宝贵的施工经验，以便在未来更快、更好地进行超高层钢结构安装作业，提升建筑行业整体发展水平。