高风压区域塔冠设计和施工关键技术

李士江LI Shi-jiang；乐艺LE Yi；速宇SU Yu

（中交（厦门）投资有限公司，厦门 361022）

0 引言

随着我国城市化建设进程加快，层高300米左右的超高层建筑不断涌现，作为城市发展的地标型建筑。由于我国各城市地理因素差距较大，超高层建筑的设计还需结合高风压区域的特性，对建筑造型、功能、外观等加以调整，以此来凸显城市形象。在BIM技术、智能技术、AI技术等支持下，超高层建筑高风压区域塔冠设计技术日益成熟，在确保塔冠强度达标的前提下，实现塔冠创新设计，降低施工难度，该方面具有较高的研究价值。基于此，本文以厦门市集美新城超高层建筑工程项目为例，对其高风压区域塔冠设计及施工技术进行以下探究。

1 工程概况

厦门市的超高层建筑工程项目将在集美新城的核心区域落地，与集美行政文化中心和软件园为邻，打造集美新城规划的白鹭西塔项目。是集高档酒店、办公、商业于一体的大型商务、购物中心，建成后将成为岛外第一高楼，市内第三高楼。

该项目由中交集团负责承建，中交建筑有着丰富的超高层建筑经验，北京金辉大厦就出自中交之手，已经稳定使用两年多。这次项目由中交集团第一次完全自主进行投资、建设、运营，项目整体的设计规划是由曾负责国内第一高楼“上海中心大厦”设计的晋思建筑设计咨询有限公司和华东建筑设计研究院强强联合组成的设计团队负责。

该项目占地面积约3.41万平方米，其中建筑密度占49%，绿地覆盖率为15%，总建筑面积约占24万平方米，建筑主体由一栋超高层塔楼、一栋五层的购物中心、三层的整体地下室组成。其中，主塔楼集5A级办公楼、五星级大酒店于一体，有47层，高度为266米，建筑面积约为9万平方米，一楼高度12米，作为大楼公共大堂使用，二楼高度和一楼一致，作为酒店宴会大厅使用，4～25楼标准高度4.2米，作为办公楼使用，27楼以上标准高度4米，作为酒店使用。三楼、十五楼、二十六楼、三十四楼、四十二楼高度为6米，作为建筑避难层使用，四十五楼高度15米，作为酒店的空中大堂使用，四十六楼高度12米，作为酒店的空中餐厅使用。购物中心的高度为35.85米，最大长度约为180米，最大宽度约为120米，建筑面积约为5万平方米。地下室的建筑面积约为9.5万平方米，由地下商业区域、停车场、机房、人防工程等构成，属于典型的地下工程。

2 高风压区域塔冠结构设计概况

2.1 钢结构模型

超高层主体塔楼高47层，建筑高度为266米，属于超限高层建筑。塔楼的整体结构采用了底部圆钢管混凝土框架+钢外框梁+钢筋混凝土核心筒的混合结构体系建造；建筑外形为上小下大的塔型结构，平面上的尺寸变化明显，加大了爬模、施工升降机的爬升难度；并且在塔楼的顶部区域设计有高度29米的塔冠，由于厦门的特殊地理环境和夏季台风因素的影响，从而对塔冠设计的安全性方面要求极为严格。塔冠的主要支撑结构由上反环桁架、外框桁架和钢架内筒构成，需要约为600吨钢材，且钢材尺寸极大，大大增加了运输、安装工作的困难性。塔楼顶部的酒店大堂高度长达15米，面积约为1482平方米，因为该空间要求满足安全、私密、舒适的环境外还要实现通透共享的条件，从而加大了设计的实现难度，提升了整体的专业设计和施工技术的要求。

2.2 结构深化设计

此项目的结构相对而言非常复杂，施工体量也比较大，所以深化设计的工作重要程度就显得尤为突出。在进行钢结构塔楼的深化设计时，要结合工程后期的进度还有塔吊的使用率，在钢结构塔楼主体开始施工时，将塔吊尽可能分配到钢结构施工方面。施工中结构的预调整值不是一成不变的，而是一个动态的调整范围，及时进行细节方面的调整，使塔楼主体钢结构阶段性完工时，形态、数值符合结构分析时应有的原始位形。钢结构钢材部件的运输要根据塔吊和安装的方式来进行分段处理，结构部件的分段尺寸、重量要在塔吊的承受范围内，然后用塔吊安装连接用的钢件和材料，在现场进行拼装、组装，然后进行合理的焊接。

在做与土建结构衔接的施工时，要注意钢筋接驳器是不是土建专用的；过程现场有没有栓钉焊接不方便；钢筋的孔眼有没有被穿过；一些固定模板所需要的连接件有没有准备好；楼板混凝土所需要的钢支撑等等。机电工程的施工要注意：机电设备的基座要与钢结构的板件连接；预留机电管线穿过结构件的孔洞和对开孔要进行加固处理；连接件需要提前设计留好位置。幕墙结构要注意开孔、钢结构主体的连接、固定板件等要满足钢结构制作方面和安装方面的施工精确度。

2.3 基于BIM全过程设计流程

超高层的塔冠结构为空间管桁架结构，先从SketchUp模型中提取塔体外幕墙的关键节点，在Rhino中用提取的点位数据进行塔冠模型的搭建，然后计算分析MIDAS Gen模型，如果总体结构布置合理，再进行二次结构的Rhino+CAD细化建模和MIDAS Gen分析，然后评估结构设计成果，再把MIDAS Gen结构的构件模型导出为IFC标准格式进行NAVISWORKS碰撞测试，最后利用节点ANSYS进行有限元分析，把MIDAS Gen结构模型导入到TEKLA进行钢结构图纸设计。

图1 塔冠结构模型

3 高风压区域塔冠结构应力分析

3.1 静力分析

本项目高风压区域塔冠受到的静力包括：一是水平风荷载，高压风气流将会直接透过檩条作用在塔冠的环梁，使得环梁持续受力，支座位置受力产生弯矩。在正常风压下，内环梁受拉力影响，外环梁压力不明显；高风压区内环梁受压力影响，外环梁承担拉力，以此来维持风荷载平衡。在塔冠结构模型设计时，充分考虑到高风压区域内外环梁水平弯矩，并对相应的构造进行了强化。高风压区域侧立面弦杆承受较大的力，在内外环梁拉力的作用下，可能会产生较大弯矩，且弯矩程度逐层叠加，最底层弯矩最大。

3.2 动力分析

高风压区域塔冠需充分采用抗风设计，尽可能减少幕墙附近的构架，防止构件出现损坏后波及其他区域，造成范围性的破坏，影响塔冠的整体安全。因此，本项目工程为了达到动力设计要求，应力比参数严格控制在0.5至0.9之间，外环梁最大应力比为0.84，角腹杆应力比在0.5左右，留下足够的安全冗余度，使得塔冠在建设完成后在高风压区域具有更强的承受力。当高风压达到一定程度时，立面支撑结构受风荷载影响产生变形，向内侧产生剪切作用，各个构件相互挤压，因此需根据动力情况考虑变形因素，尽可能使得各板块满足变形限值条件。

4 高风压区域塔冠施工关键技术

4.1 施工流程

图2 高风压区域塔冠设计和施工关键技术路线图

一是总体的技术路线：超高层塔楼主体结构安装中部的支撑框架，其中，材质为Q345GJC的劲性钢柱22根，当钢柱存在变截面时，要把钢柱分成两段用塔吊进行吊装，中部支撑框架的钢梁和斜撑不用分段。完成中部的支撑框架安装后，就可以进行外幕墙支架和屋面梁的安装。外幕墙支架有着25.25米的高度，为了方便使用塔吊，要分成两段来进行安装。第一段的标准高度为253.75米～267.48米，为了保证稳定性采用临时的硬支撑，当第一段整体形成体系以后，就可以利用核心筒里的两步塔吊来配合安装第二段的支架，标准高度为267.48米～279米，两段外幕墙支架完成安装形成环形以后，就可以对顶部的屋面梁进行吊装。

二是鱼腹式桁架吊装路线：当第一段幕墙的支架安装到位以后，在塔吊不会松钩的情况下可以进行斜向圆管硬支撑的安装。RF1层和硬支撑通过埋件进行相连，支撑与幕墙支架的连接要根据现场实际需求的尺寸来做焊接。当相邻的幕墙支架安装完毕以后，开始安装两榀支架之间的桥梁，可以通过临时的连接板把第一段幕墙支架和第二段幕墙支架连接起来。下部的幕墙支架经过吊装安装后，开始进行安装上部幕墙支架，当屋面梁幕墙的竖向支撑完成配套安装以后，就可以吊装支撑作用的钢梁了。幕墙的支撑和钢梁是使用搁置板和临时的连接板，所以在校正工作完成以后及时使用电焊进行焊接或者使用高强螺栓固定。

4.2 组织分工

为了使钢结构的远程监控方案顺利、完整的实施，作为投资承建方的中交集团重金聘请了科技公司，采用了先进的三维过程管控系统对钢结构进行监测，从而实现了远程监测的方案，系统会把监测的数据实时上传到BIM平台，发生预警情况会立即自动向监理人员、设计人员、承包方报备。

4.3 数据监测

为了保证安全、可靠、满足质量要求的安装钢结构，工程项目部在应用远程监测功能的基础上又增加了人工测量，对人工测量数据和设备监测的数据进行对比，双保险来确保数据的精准性。并在钢结构桁架的主要受力点位安装了应力应变片，与数据监控器相连，受力数据全部上传到BIM平台，实现随时掌握钢结构形变的目的，做到钢结构发生形变时能够及时地采取方案措施应对。做好钢结构表面应变数据和钢结构变形数据采集、分析，如果变形数据超过可控制范围的数值，模型中会发出红色的预警提示，施工单位负责人员就可以根据预警出现的位置进行数值调控。除了对钢结构的变形监测外，还使用了BIM 5D系统平台对安全质量进行全方位的监控，安全质量关乎所有工程人员，要加强所有工程人员的安全责任心，方便对工程项目进行更好的管理。

5 高风压区域塔冠施工质量控制手段

厦门集美新城的超高层建筑项目，在建筑的顶部高风压区域设计有高度29米的塔冠，塔冠对于高层建筑具有特殊的造型和功能。塔冠的设计可以直接影响整个高层建筑的设计方案，随着计算机技术和结构技术的发展，现代超高层建筑的塔冠造型也越来越大胆、复杂、多样化，比如武汉中心和深圳平安金融中心的塔冠建造就采用了镂空、悬挂的方式。由于厦门的特殊地理环境和夏季台风因素的影响，塔冠的设计和要求也极其严格，比如：塔冠对整体结构设计的影响；塔冠结构的抗震性能；塔冠支座的嵌固作用；塔冠的风荷载对他楼结构的影响等，这些问题、因素都要方方面面地考虑到。塔冠为钢结构主体，大约需要使用600吨的钢材，这些钢结构的构件数量极多，连接方式也极其复杂，所以，在工程安装过程中容易出现偏差与结构件变形产生的连接问题、冷脆问题、焊接问题、材料缺陷问题等。同时这些问题又容易造成钢结构缺陷产生安全事故，因此对于此项目的塔冠结构的质量控制方面主要有以下两点：

5.1 施工精度控制

塔冠的施工都是在几百米的高空完成安装，因此对施工方案的可行性、安全性、科学性都要做到精准地控制，可以借助先进的计算机技术进行施工程序的模拟与科学分析，在原有方案的基础上及时做出改进。而且在施工的过程中，要对钢结构主体还有跨度比较大的钢桁架施工结构的安装进行严格的监督检测，对工程施工过程中各个控制点位的坐标位置和变形程度的控制，进行精度的监测。保证钢结构主体完成施工以后，各个主控制点的坐标位置和变形程度能满足设计时的需要。

5.2 焊接工艺控制

根据施工环境为227～260米的高空作业，再结合工程施工的特性，在进行焊接施工时使用二氧化碳气体保护焊，该方式的应用操作方面极其简单，工作效率高，适合自动焊和全方位的焊接。然而高空中风力的影响会造成二氧化碳气体保护焊的保护不够，所以施工时要尽量来避免风力的干扰。防风控制是二氧化碳气体保护焊工作质量的关键所在，当焊接工作区域受到风速影响手工焊超过8米/秒，二氧化碳气体保护焊超过2米/秒时，要及时使用防风棚或者采用其他防风的方案。比如，可以利用焊接把焊接平台做成一个半封闭的状态，能够有效减少大风带来的影响，当风力超过六级时要马上停止高空作业。因为集美新城临近东海，所以在七月份时降雨会较多，空气湿度也会有较大提升，当空气湿度大于85%时，焊接容易产生各种缺陷，所以可以在半封闭平台处进行局部除湿，来保障焊接工作的顺利进行。

6 结论

综上所述，本文通过对厦门市集美新城建筑工程项目进行探究，提出了新的高风压区域塔冠设计，选择了施工关键技术，制定了施工方案。该项目塔冠设计合理，承受力较强，选择合适的塔机、起重设备，能够确保塔冠的顺利施工，整体建筑既具有新时代城市的特点，又具有较高的结构变形矫正能力。在未来建设与发展中，超高层建筑将会进一步向着300米以上进发，推动城市向着建筑更高、经济发展更快、人民生活更加富足的方向发展，对该类案例进行研究可为同类型塔冠施工提供借鉴。