超高层建筑钢结构施工的关键技术和措施分析

张树志

（北京城建六建设集团有限公司，北京 101500）

1 钢结构在超高层建筑中的应用概述

钢结构是由钢制材料组成的结构，是主要的建筑结构类型之一。我国最为常用的建筑结构是钢筋混凝土结构，相比于钢混结构，钢结构的施工速度快且施工简便，目前大部分大型厂房和场馆对于钢结构的应用比较普遍。一般而言，当建筑总高度超过100m 或内部层数超过40 层时即可认定该建筑为超高层建筑，对于超高层建筑而言，其结构强度要求更高，对于地基部分承担的荷载也更大，钢结构因为自重较轻且结构强度足够，在进行超高层建筑设计时，钢结构也是首选的建筑形式之一[1]。

超高层建筑是建筑技术的体现，也是综合实力的证明，钢结构在超高层建筑中的应用，能够明显体现其高效节能、质量统一优势，也成为地标型建筑首选的结构形式。在我国钢结构也取得了较为普遍的应用，尤其对于大型公共建筑而言，钢结构有诸多优势。如北京鸟巢、上海环球金融中心、广州歌剧院、香港中银大厦等著名建筑，其都是使用钢结构或钢结构与其他形式结合的建筑模式，对其高效节能和适用超高层的特点展现的淋漓极致。

2 钢结构发展现状、问题与趋势

2.1 发展现状

在我国钢结构取得了比较广泛的应用，目前钢结构施工技术已经发展相对成熟，且对于后端材料行业，我国目前能够生产的钢材品种和质量已经完全能满足建筑行业需求。由钢结构所衍生出来的设计材料，运输等企业也迅速开展，目前钢结构已经形成了成熟的供应链和施工体系，应用领域也在不断扩大之中，在法律法规层面已经有了完善的钢结构设计标准和质量验收标准，对于应用案例和论文著作的数量等也在逐年增长[2]。

2.2 发展问题

对大部分人而言，所能接触到的建筑种类仍为传统的钢筋混凝土结构或砌体结构，钢结构并没有得到完全的普及和发展。究其原因是钢结构在小规模利用的情况下并没有明显优势，且相对于普通的混凝土结构而言，技术要求更多、质量要点复杂。进行专项设计和施工过程中的技术支持，而最终的建筑建成后并不会带来额外经济效益。同时钢结构的质量问题多样化，需要大型设备全程参与施工，对一般建筑而言，采用钢结构的形式也会使其安全风险增加。钢结构建筑的设计耐久年限通常比砌体混凝土的形式要低，这也注定了在民用建筑中无法采用大规模钢结构的形式。此外在理论层面，钢结构的综合建筑成本要低于其他结构，但目前在工程设计阶段和施工设备的使用，以及构件生产运输的过程中仍有较高费用，综合而言，经济效益与普通建筑结构并无明显区别。

2.3 发展趋势

钢结构符合未来发展趋势，在可持续发展战略和绿色建筑理念的推行之下，钢结构也属于一种新型环保的建筑体系。相比于其他结构在达到同能使用需求和强度的条件下，钢结构所使用的材料更少。钢铁材料本身就是一种节能环保型的建筑材料，能够进行回收和二次利用，在达到建筑使用年限或需要建筑报废时，也不会产生大量的建筑垃圾。在政策层面上，我国已经编制了完善的行业标准与验收体系，并纳入国家发展战略之中。若钢结构的技术能够打破壁垒，且设备价格下调，未来对于低层建筑而言，采用经济适用的轻钢结构体系在综合成本和施工效率方面均有明显优势。

3 钢结构关键技术要点

3.1 框架安装要点

钢结构主要是由钢框架和钢柱逐层安装形成主体框架，对于超高层钢结构而言，在构件尺寸和吊装的限制之下，需要进行作业段划分。作业段不能无穷高的主要限制就是塔式起重机的起吊高度以及构件的制作、运输、堆放等。一般而言，根据钢柱长度，进行作业段的划分工作。同时根据每层的结构形式和设计要求，将框架归纳为标准节框架与特殊节框架。

在超高层钢结构中，大部分框架均有相同的结构类型与构件组成，其在施工时的次序和注意要点也是相同，一般而言在标准节施工的过程中，可按照构件分类流水的方式进行，即先安装钢柱，而后安装框架梁，在整体框架完成后安装其他构件，直至该楼层安装完成，而后从下至上逐层安装[3]，如图1 所示。

图1 安装流程整体框架

在进行框架安装时，需要注意各个构件的安装次序性，一般而言要先形成整体框架，而后进行次要构件的安装工作。主要原因是为了保持施工的稳定性，需要尽早形成框架，而后在进行框架内部的次要构件安装。同时这种安装方式具有一定的机动性，对于某一框架内的次要构件即使未安装完成，也不影响后续施工工作。

框架的固定方式主要有螺栓和焊接两种方式，一般的顺序为先进性螺栓固定而后进行焊接工作，在进行焊接工作时，应根据钢柱和框架的位置偏差及垂直度情况有针对性的进行焊接顺序选择，其核心指标是减少变形并对整体垂直度进行控制。

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钢结构构件中一般有楼梯构件，楼梯构件为次要构件，在结构中不承担荷载，但为了后续的施工便捷性，通常楼梯也作为主要构件进行优先安装。其目的是，能够解决钢结构框架内的垂直登高及安全通道，同时作为作业层的辅助通道使用，能提高后续工程的施工便捷性。

3.2 钢柱安装要点

钢柱多采用吊装的方式进行安装，在安装之前，若该钢柱有爬梯，则在安装之前需要将爬梯与钢柱进行可靠连接，而后进行整体吊装就位，以便于后期登高作业。钢柱的主要控制点之一就是标高和位置，可在地面进行尺寸复验，确保满足要求后再进行安装，若误差较小，可进行修正处理。为了便于钢柱的施工流程和临时固定，在钢柱两端可设置耳板，用于调节过程和焊接之前的临时固定。在进行位置矫正及可靠固定后，将耳板拆除即可。

3.3 钢梁与桁架安装要点

钢梁和桁架的安装一般依附于已经可靠固定的钢柱，故在安装之前需要完成前置工序的检查工作，尤其对于钢梁和桁架需要连接的预埋件和前置件进行预检，对于需要进行螺栓固定的位置，还需进行摩擦面和孔洞定位工作进行检查。同样对于钢梁和桁架而言，要进行扶手绳和扶手管的安装工作，作为未来的工作通道使用，并需根据现场实际需求设置到位，防止未来补装造成的工作烦琐[4]。

3.4 特殊结构的安装要点

除框架构件、主要结构、次要组成件之外，一般钢结构建筑中会有较多其他形式的构件，如外连廊天桥、外伸梁或桁架、装饰类构件、天线或避雷针等。其共同点就是为预制组合体的形式，或安装后形成长时间架空，跨境较大。因其形状外观和强度的要求，往往具有较大的体积和自重，且无法分割。对于这类构件，在进行吊装时需注意起重机械、固定方式、就位方式的选择，对于超规构件要有相应的专项施工方案。对于不同工程而言，其特殊结构的种类和类型也会不同，需在实际施工中按需选择，明确施工要点和技术要求。

4 钢结构安全控制及措施

4.1 大型机械安全

钢结构大部分作业形式属于高空作业，在此过程中需要较多的大型机械辅助作业，并进行起吊工作。这种作业属于危大工程，在进行施工前需明确现场安全要求，在进行起吊作业时做好安全防护，同时对机械操作人员明确安全操作规程，正在作业时应有安全员对现场进行规划，非必要不接近作业区域[5]。

4.2 垂直登高措施

因施工需要或验收需要，在进行作业的过程中不可避免的需进行垂直方向移动。通常而言，建筑施工现场的登高措施有施工电梯、层间扶梯、钢柱爬梯等。施工电梯属于特种设备，需定期进行维护保养和检查工作，且作为临时设施，在不满足使用条件后应拆除；扶梯一般是永久性措施，也是建筑施工完成后的楼梯通道，注意在施工过程可靠连接、钢柱爬梯在使用时应做好安全防护，非必要不使用。

4.3 水平安全通道和操作平台

4.4 安全网与隔离层

为了保证高层作业时，底层位置的安全，防止因构件掉落等造成的高空坠物风险，一般采用安全网或隔离层的形式进行垂直方向的坠落。安全网是悬挑在建筑之外的防护网，起始位置从脚手架通道位置开始，可增大防护范围能够对安全通道同时进行防护。隔离层是在楼板层向外延伸的部分，作用于安全网相同，但其防护性能更好，不易损坏，但拆除较为困难。

5 超高层钢结构实际应用案例分析

5.1 案例概况

案例位于X 市，位于非滨海地区、非地震带敏感地区，建筑的设计标准遵循国家标准，无特殊用途和规定。建筑主体框架为钢结构，建筑设计高度为148m。建筑用途为一商业办公建筑，其中1~4 层为商业类建筑，其以上为办公用途或公寓用途。建筑施工技术和建筑施工方式遵循行业内主流方式。

5.2 案例重点难点及解决对策

5.2.1 机械设备

该建筑最高高度148m，大部分位置均需要机械辅助进行高空作业。该案例使用的设备有塔式起重机、履带式门式起重机作为吊装设备，液压千斤顶作为构件顶升设备。根据案例的工程体量和现场的实际需求，选取2 台1200TM 级M900D 塔式起重机作为主力设备，其在正式施工过程中承担构件起吊的任务。

5.2.2 施工数据基础测量

对于超高层建筑，其数据误差的容错率极低，为了保证质量和安全需要，对测量设备的适用性和精准性均要考虑。为了保证测量数据的可信度和准确性，以及避免整个过程中的工作误差，该案例选取了双重控制网的测量准则，采取高精度GPS 定位进行基网测量工作，网内测量设备为电子全站仪，对于关键线路采取双向多次测量的方式保证精度。

5.2.3 焊接方法选择

经综合考虑，该案例选取的方式为二氧化碳气体自动保护焊，对于不便操作的位置和微小位置仍采取手工焊接的形式，这样能够提升总体焊接的工程质量，且利于现场操作。

5.2.4 结构变形解决方案

为确保施工过程中的安全，及时发现潜在的质量隐患，该工程考虑在施工过程中进行变形情况的监测工作，且在施工时采取对应解决方案。案例使用BIM 技术对工程结构进行分析，并对结构中的薄弱点予以标记。实际施工中，采用预变形的形式来有效应对施工后形变，对于薄弱位置安装形变传感器，以对形变情况进行实时监测和分析，当形变超出安全范围外后采取对应措施，保证施工过程中的结构安全，并将质量隐患降低。

5.2.5 气象影响

在实际施工中，超高层钢结构均会收到气象因素的影响，主要是大风与雷电。在设计之初，钢结构具有一定的稳定耐久能力，对于大风具有抵御能力，但在安装过程中，还未进行可靠固定的情况且无法承担大风带来的外力，而雷电影响也是后果严重的危险源。为了解决超高层钢结构施工过程中的气象影响，该案例委托最近的气象监测站进行异常天气监控，并对异常天气下的应急预案进行完善。

5.3 案例结果与分析

通过完备的施工方案和进度计划编排，该案例最终在工期之内如期交付，顺利通过各种验收。案例实施过程中，无重大质量问题，无安全事故，所有施工位置保质保量完成工作，异常天气应急响应100%。该案例通过借鉴行业内先进方案，同时有针对性的对案例问题进行分析，明确技术要点，并提出有针对性的措施，最终保证工程的顺利开展。

6 结语

超高层钢结构具有较多的技术要点，在设计、场地准备、施工前期、设备选用等方面均需考虑现场实际情况，并有针对性地编制施工方案和技术指标要求。在实际施工中，需对工程质量、安全影响等充分考量，同时注意焊接、吊装、提升等关键技术环节。通过规范技术要求、科学编排计划、合理选用设备、明确安全措施等形式，为打造高品质钢结构工程赋能。