超高层建筑钢结构加工与安装技术研究

2023-01-12傅武旭

城市建设理论研究（电子版） 2022年35期

傅武旭

广州工程总承包集团有限公司广东广州 510310

探究钢结构的力学性能，找到提高超高层建筑施工效率、质量的有效解决办法。并将不同形式的钢结构作为研究要素，确定不同结构件的延伸性能以及耗能程度，可解决技术层面的问题。同时，依靠对钢结构的构成研究，明确提升侧抗高度的方法，有助于在研究过程中确保超高层建筑施工质量，达到整体施工要求。此外，该项技术的应用场景众多，结合钢结构施工特点，从结构承载性、内部空间预留要求两大方面出发，确定建筑整体负载能力后，进行钢结构预制件的加工与安装，具有极佳的工作效果。由此可见，为确保钢结构加工安装作业稳定，需要从整体层面确定超高层建筑的建设要求，规范钢结构预制件加工方式外，确定整体施工方向。

1 超高层建筑施工项目概述

1.1 超高层建筑概况

某地区科研中心超高层建筑施工项目，占地面积为201700m2，为保障初期设计的完整性，并打造绿色、环保的超高层建筑，本项目采用了钢结构施工的方式，在进行方案设计时，由于受到成本投入的影响，确定超高层建筑高度为207.1m，底下建筑分为3层，与地上54层建筑呈现对应关系。其中，标准层的设计高度为4.4m，地下的设计高度为14.5m，为保持整体设计的完整度，采用混凝土核心筒与外部钢结构构成混用的施工方法，并在11、25、40层分别以特级工程为标准，设计建筑内部的避难所，完成方案设计工作。由此可见，在超高层建筑设计中，需要注意的施工要素众多，如何协调不同施工问题，并对建筑耐火等级、抗震等级进行研究，是当前设计人员所面临的问题，需要从钢结构与安装技术的研究中，找到一种适用性强的方案。

1.2 钢结构概况

以内筒外框结构为标准，对本项目的总用钢量进行初始概算，可以确定本项目建设工作的总用钢量为24000t，依据结构的局部开口开展“定向”测算，可以明确核心筒钢结构的型号以及十字型钢骨的规划，从而提高项目建设工作的标准化程度，减少随机发生问题的影响，在其中，筒钢结构的规格为H950*400*50*25、十字型钢骨的规格为450*200*30*20、箱型柱规格有500*500*15/20、600*600*10/15、400*400*14等几种，其中以500*500*15为多。此外，由于外侧框架需要具有一定延伸性，以此连接地上、地下部分结构，本项目对圆管柱和箱型柱同样进行了规范设计，分别以18、8根为一组，形成双向倾斜造型。由此可见，应用钢结构架构与安装技术进行施工，首先需要结合超高层建筑的设计特点，确定钢框架结构的塔冠和塔冠底部的高度，配合BIM等技术对超高层建筑的钢结构使用量进行仿真模拟，以等比例模型为标准，进行后续工作的研究与探讨，解决不同施工节点下的难点问题。

2 超高层建筑钢结构的形式及安装特点

2.1 钢结构的形式

以本项目为案例，H型钢是用量最多的钢结构，其基本规格为：H950*400*20*30、H1000*400*30*40、H950*450*30*20、H550*200*25*30。此外，由于超高层建筑的工序与结构复杂，也需对钢柱、钢梁、钢板墙等结构的参数和截面形状进行研究，使之具备足够好的外部形状，用于跟混凝土结构混合使用，从而逐步提高超高层建筑的抗震性能，达到设计标准。同时，依据软件模拟的仿真模型，对目标范围内的结构混合应用方法进行探究，可以发现不同形式的钢结构，往往需要连接和混合使用，以钢板墙结构的设计为例，需要根据内嵌结构、边缘结构的差异和连接要求，分别对鱼尾板的形状进行把控，确保钢结构承载力系数的完整，也方便后续施工任务的进行。

2.2 钢结构安装特点

从钢结构施工特点层面出发，研究此项施工技术的安装特点，可以发现在具体施工环节的吊装效率，决定了项目建设的周期，以及内部预留空间是否符合标准。同时，由于钢结构件在重量和可用空间两大方面，具备足够高的应用优势，有利于对现有技术进行优化，应用吊塔完成吊装作业的同时，通过前期阶段的规划设计与工作安排，确保超高层建筑内部空间更足，自身的抗震系数更高，突出超高层建筑的整体安全，也完成初期阶段的工作管理。此外，钢结构施工的第二大特点是，能够更好地确保工程建设的整体质量，这是因为钢结构预制件与混凝土结构相比较，不仅材料的强度更高，应对外在受力条件变化的能力也更强，这也使得此项施工技术，逐步成为当前进行超高层建筑施工的主要方法。最后，如表1所示，按照计算公式对塔吊作业的效率和需求量进行数理计算，可以明确本项目建设的吊装总次数为5051次，总占比为工程量的54.6%，这也体现出了钢结构安装技术的第三大特点，那就是便于预制、安装和节省施工时间的特点。由此可见，钢结构架构与安装技术，不仅能够满足超高层建筑施工对效率和基础结构的承载力要求，还能减少混凝土粉尘、噪声等问题出现，将钢结构加工与安装技术作为主要施工技术，还可以确保建设材料的循环使用，将实际成本控制在可控制范围区间。

表1 吊需求量表

3 超高层建筑钢结构加工技术

3.1 H型钢梁结构的制作

H型钢梁结构的制作流程虽然简单，但需要用较高的标准对钢板材料进行平整与校正，提高H型钢梁结构的标准化程度，确保钢结构标准的致密性，以此加强超高层建筑的抗震性能，并在后续使用中，应对可能出现的问题与变化。同时，还要以国家标准为依据，进行放样、排版操作，这样不仅能准确地落实H型钢梁结构的制作要求，也解决了后续焊接的问题。此外，在焊接中，需要严格要求作业人员的焊缝要求，以20cm为间隔区间，预留空间应对钢筋材料的结构收缩问题。最后，规范切割机等设备的使用方法，根据预先下料切割的结果，对实际余量进行初始的估算，避免出现缺乏效率的问题，这也是H型钢结构加工过程需要投入较多干预的原因，确定技术和加工上的注意事项，在改善H型钢梁结构的性能效果方面，存在较高的收益，有助于提高组立的准确性。具体而言需要做好下述工作：（1）依据国家标准，进行放样；（2）预留20cm的距离，进行焊接操作，给予钢结构更多的保护；（3）依据图纸信息，确定复合钢板的型号，提高钢结构加工的标准化程度[1]。

3.2 箱型结构的制作

首先明确箱型钢结构的三维特征，以此为方向确定不同结构件加工对整个结构稳定性的影响。同时，由于箱型柱、箱型梁的焊接要求较高，不仅需要钢结构具备足够好的延伸性能，还要依靠全熔透焊接的方式，减少钢结构加工的耗能程度，并保障箱型结构的制作强度。解决了加工制作流程层面的问题后，还需要依靠不同焊接工艺的研究，通过转变焊接要求的方式，逐步增加钢板表面的平整度，可以通过对焊接过程的纠正，找到提升箱型结构侧抗高度的方法。以二氧化碳气保熔透焊为例，需要注意以下几点要求：（1）明确隔板开坡口位置，进行焊接操作；（2）箱型结构加工与下料前，利用机械设备对钢板表面进行纠正处理，保障钢筋表面的平整度；（3）确保一次纠正的收益，有助于在后续使用过程中，增加零件的平整度；（4）为确保超高层建筑施工质量，对非规则零件进行人工处理，以此满足实际安装要求。由此可见，对焊接操作进行把控，并对非规则结构件进行切割和纠正操作，可以提高箱型结构制作的收益。

3.3 复杂节点的制作

复杂节点制作的任务多、流程杂，容易受到客观条件变化的影响，为保障节点顶部安装基准面符合使用标准，应结合钢结构施工特点，从节点焊接中、箱型梁正造过程中，对安装基准面进行定位，以此确保节点处的垂直度，达到后续施工使用的整体要求。同时，还应对作业平台进行规范，以此减少焊接作业造成的变形问题发生，完成钢结构预制件的加工与使用，这对保障节点的垂直度具有极佳的控制效果。由此可见，为保障节点加工制作效果，需要注意下述几种问题影响：（1）对胎架组装面进行正造时，应保障节点顶部的基准面符合要求；（2）必须保障箱型梁的定位效果，并以此确定安装构架线；（3）协调坡口间隙与平台中心线的关系，从而完整节点加工制作任务。可见，节点加工制作的要求多、流程杂，为确保钢结构加工过程符合标准，应从实际流程出发，确定整体层面的加工要求，并根据对不同参数的把控，满足节点加工的要求，起到规范性作用外，逐步提高节点加工制作的收益[2]。

4 超高层钢结构安装技术要点

4.1 预埋件的安装施工

依据本工程预埋件的标准，对锚栓、钢板等组合结构与塔吊荷重进行对比研究，可以确保超高层钢板结构安装技术的整体质量，也能逐步明确塔吊地使用规范，逐步增加预埋件安装施工的规范程度。如表2所示，根据塔吊的臂长，去决定预埋件安装施工的流程，并进行标高、锚栓伸出长度的检查，可以提高安装施工的完整度，也能避免锚栓移位等问题产生。此外，还需根据预埋件的重量，决定塔吊臂长等参数，通过人为控制满足预埋件安装施工的要求，也从力学性能层面出发，确保预埋件施工的进度不会受到过多影响。在此基础上，对预埋锚栓的轴线、标高等进行标注，依据核查结果，进行后续的清理、修复操作，可以保护已经安装后的结构件，也能从中提高超高层建筑施工的整体质量。最后，进行混凝土振捣与浇筑施工时，为确保整个工序的施工效率、质量，应依据垫块叠合标高结果，通过分层浇筑的方式，有效解决此节点的技术问题，确保锚栓不会在浇筑过程中发生位置上的变化，从而具备足够高的延伸性能，进行后续施工。

表2 塔吊荷重表

4.2 钢柱的安装

从方案设计中提取塔楼等项目的实际施工信息，组织和安排钢柱安装的计划外，依据焊接箱型截面结构的截面，选择实际吊装方案，有助于确保钢结构施工的完整，也能根据分段吊装等作业特点，对施工现场的任务进行安排，对吊装过程的注意事项进行较低，完成平、立面施工部署工作，使分段施工的过程完整。同时，在具体的流程中出发，研究与探讨地下室施工的问题，还需要在施工前对预埋件的分段展开调查，从而组织和安排分段吊装作业，确保第一、二钢柱吊装工作的安全与稳定。此外，由于超高层建筑对钢柱垂直性的要求严格，应基于超高层建筑施工的此项特点，利用螺栓进行固定操作，保障主体结构的安全。最后，外框钢柱的安装，要遵循核心筒高出外框结构的原则，进行施工操作，以此确保主楼钢结构的性能完整。

4.3 钢梁的安装

钢梁安装的任务量多，需要依据具体施工的要求，通过明确吊装顺序的方式，逐步增加钢梁安装效率。从好的层面看，钢梁的重量小，立面施工的效果问题，只需对螺栓连接工作进行把控，可以较为明显地提高拱结构安装收益。此外，螺栓的具体型号决定了钢梁吊装的稳固性，需要依据不同建设周期的任务要求，明确钢梁安装的顺序，以及吊装方式。本项目在钢梁安装施工时，采用由里向外的吊装作业方法，这种方法有利于保障内部预留空间，也能够形成稳定的结构空间。从具体的吊装收益方面看，钢梁吊装的顺序稳定，从下层到上层结构、从主梁到次梁的顺序安排，有助于根据每个吊点位置完成吊装操作，也能在吊装后进行连接、焊接以及橡胶片保护操作。由此可见，从外框架钢结构的安装中，研究实际吊装方案，有助于解决技术层面的问题，依靠对吊装流程、顺序的把控，有利于找到形成稳定性高的主体结构的方法，在实际吊装过程中，确保超高层建筑施工的整体质量，结合钢结构施工特点，增加施工单位的收益[3]。