田 彬，秦天保，殷光發(fā)，夏 睿，王海捷

（1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064；2.上海同濟(jì)工程咨詢有限公司，上海 200092）

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的演進(jìn)，國內(nèi)各大城市新建超高層的高度以300m左右最為普遍。超高層建筑設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，對(duì)標(biāo)志性的超高層建筑提出了更多的造型及功能要求，造型獨(dú)特的塔冠結(jié)構(gòu)無疑能對(duì)建筑形象的美觀起到顯著效果。能起到脫穎而出、獨(dú)秀于林的標(biāo)志作用。

當(dāng)前BIM 技術(shù)、智能化技術(shù)以及其他新技術(shù)的支持與應(yīng)用下，塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也開始采用大跨度鋼桁架、懸挑桁架、鏤空結(jié)構(gòu)等一體化設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出各種各樣的超高層塔冠造型。隨著更多新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，行業(yè)越來越超前的發(fā)展，新時(shí)代下的建筑頂部結(jié)構(gòu)大多采用塔式造型，且大膽采用懸挑、懸掛、傾斜、鏤空等技術(shù)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，與此同時(shí)，奇特的造型設(shè)計(jì)為塔冠結(jié)構(gòu)的施工帶來了一系列前所未有的挑戰(zhàn)。

1 工程概況

新建商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施項(xiàng)目（襄陽大廈）位于武漢市武昌區(qū)中北路108 號(hào)，西北側(cè)緊鄰沙湖處理廠，北側(cè)為青魚咀球場(chǎng)小區(qū)，東北側(cè)為碳匯大廈施工工地（間隔一條通道），東南側(cè)為中北路。建筑高度263.20m，建筑面積147 875.95m2，其中地上面積108 748.89m2，地下面積39 127.06m2。本工程塔樓塔冠結(jié)構(gòu)標(biāo)高為L(zhǎng)55 層底（227.4m）～樓頂（260.8m），標(biāo)高范圍內(nèi)為塔冠鋼結(jié)構(gòu)層及屋頂桁架層，塔冠結(jié)構(gòu)概況如表1 所示。施工部署如圖1 所示。

表1 塔冠鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)概況

圖1 塔冠總體效果圖

2 塔冠優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 塔冠優(yōu)化設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)荷載

基于塔冠造型及結(jié)構(gòu)安全要求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)大跨度桁架設(shè)計(jì)33.4m 高的鋼結(jié)構(gòu)塔冠，外圍為9 根相對(duì)獨(dú)立外框鋼管砼柱，3 個(gè)弧形轉(zhuǎn)角的3根鋼管柱之間通過鋼梁相連，圓環(huán)區(qū)域的水平結(jié)構(gòu)，其與外框獨(dú)立鋼管柱之間鏤空，鏤空區(qū)域與外立面鋼管柱的內(nèi)外兩側(cè)共設(shè)計(jì)有3 道單元式板塊弧形幕墻。

為保證260m 高空大跨度結(jié)構(gòu)安全及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以及為達(dá)到建筑造型而設(shè)計(jì)的3 層幕墻結(jié)構(gòu)，充分考慮高空風(fēng)荷載、擦窗機(jī)及其他設(shè)備的荷載下的結(jié)構(gòu)安全及整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，塔冠頂部設(shè)計(jì)為高2m，跨度43m 大跨度鋼桁架，鋼桁架中部主體為3 榀三角交叉的單排桁架結(jié)構(gòu)，最外圍為雙排疊式桁架結(jié)構(gòu)，中間通過水平支撐相連，并穿插9 段桁架連成環(huán)形結(jié)構(gòu)。所有桁架上下弦結(jié)構(gòu)采用倒置式H 型鋼，腹桿為圓鋼管連接。設(shè)計(jì)荷載如下：①擦窗機(jī)荷載：額定載重量250kg；物料起升機(jī)構(gòu)極限工作載荷850kg；臺(tái)車總重量13.5t；臺(tái)車最大單件重量4.5t；②機(jī)電太陽能板荷載：平板太陽能32kg/塊；太陽能基礎(chǔ)14kg/m；③風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.67kN/m2（50 年一遇）。

2.2 設(shè)計(jì)方案分析

初步設(shè)計(jì)方案的外圍“疊式雙排桁架+弧型鋼梁混合結(jié)構(gòu)”開始為“立體空間單排式桁架結(jié)構(gòu)”，后期與擦窗機(jī)深化廠家溝通配合，考慮到插窗機(jī)軌道運(yùn)行的平穩(wěn)性及軌道兩側(cè)主體鋼結(jié)構(gòu)豎向差異變形，通過BIM 深化及設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)二次優(yōu)化，將外圍“立體空間單排式桁架結(jié)構(gòu)”更改為“疊式雙排桁架+弧型鋼梁混合結(jié)構(gòu)”，結(jié)構(gòu)受力更加合理，型鋼截面減小，用鋼量得到優(yōu)化。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布置三維軸側(cè)圖如圖2 所示。

圖2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置三維軸側(cè)圖

通過科學(xué)的結(jié)構(gòu)受力分析，結(jié)合塔冠結(jié)構(gòu)BIM 深化以及現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境。為達(dá)到塔冠結(jié)構(gòu)及整體結(jié)構(gòu)安全，結(jié)構(gòu)用鋼量經(jīng)濟(jì)合理，為幕墻及其他專業(yè)施工節(jié)省空間，造型美觀好看的綜合考慮與要求，最終確認(rèn)了“疊式雙排桁架+弧型鋼梁混合結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，并應(yīng)有到超高層大跨度塔冠施工中，達(dá)到非常好的效果。

3 垂直運(yùn)輸設(shè)備附墻方案

3.1 塔機(jī)附墻具體方案

根據(jù)項(xiàng)目部提供的施工進(jìn)度計(jì)劃和作業(yè)場(chǎng)地的實(shí)際情況，并結(jié)合塔機(jī)使用說明書和塔機(jī)群塔作業(yè)安全施工的有關(guān)要求，施工現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)STT553塔機(jī)應(yīng)按附著頂升計(jì)劃進(jìn)行附著頂升施工作業(yè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工況和塔機(jī)設(shè)備要求，最后一次需附著在獨(dú)立鋼柱上。

考慮獨(dú)立柱自身結(jié)構(gòu)安全以及塔機(jī)設(shè)備附墻對(duì)塔冠以及桁架結(jié)構(gòu)的整體影響。根據(jù)塔機(jī)廠家給出數(shù)據(jù)可知，塔機(jī)附墻件受力主要為附墻桿件軸力且最大荷載值不超過436kN，且角度會(huì)隨著塔機(jī)方向變化而變化。為保證鋼柱及塔冠結(jié)構(gòu)安全，采取臨時(shí)拉結(jié)鋼梁到核心筒進(jìn)行臨時(shí)結(jié)構(gòu)加固，等塔機(jī)拆卸后再對(duì)臨時(shí)加固梁進(jìn)行拆除。塔機(jī)附墻具體方案如圖3 所示。

圖3 塔機(jī)附墻方案圖

3.2 塔機(jī)附墻受力分析

取附墻荷載為500kN，垂直加固梁方向?yàn)樽畈焕r的情況下，經(jīng)過臨時(shí)加固梁前后的鋼管砼柱內(nèi)力對(duì)比：從受力分析可以看出，最大內(nèi)力減少52%。

對(duì)附墻節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)加固方案確保塔機(jī)機(jī)械的正常施工前提下，極大程度上減小塔冠結(jié)構(gòu)及頂部桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形，確保施工質(zhì)量。

4 塔冠結(jié)構(gòu)施工方案

為確保主塔樓施工工序正常有序，按如下步驟進(jìn)行吊裝施工。

1）鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工前期，需在54 層外框鋼梁及樓板安裝完成的同時(shí)，完成核心筒土建結(jié)構(gòu)施工以及胎架預(yù)埋件的施工，并拆除爬模完成后進(jìn)行塔冠鋼結(jié)構(gòu)的整體工況插入。

2）54 層外框結(jié)構(gòu)施工完成，先吊裝55～56層外框矩形鋼柱，在57 層中間層進(jìn)行臨時(shí)加固梁安裝并完成塔機(jī)附墻。

3）后續(xù)逐次安裝55～屋面層其他圓管柱及外框鋼梁等豎直、水平結(jié)構(gòu)。待結(jié)構(gòu)探傷完成后，進(jìn)行鋼桁架胎架及桁架層的矩形外框鋼管柱安裝施工。

4）桁架施工順序采取“先內(nèi)后外”的施工原則。先安裝三角形主桁架，再安裝外部雙排疊式桁架，最后安裝圓環(huán)及其他桁架、鋼梁結(jié)構(gòu)。待整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，最后對(duì)支撐胎架及臨時(shí)連接件拆除卸載施工。為確保施工合理性，保證結(jié)構(gòu)變形可控，到達(dá)施工質(zhì)量要求。

施工前，對(duì)各關(guān)鍵步驟的工況進(jìn)行BIM 深化后，進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分析。根據(jù)Midas軟件分析：得出安裝最大變形位移12.07mm，卸載之后變形位移17.03mm。結(jié)構(gòu)變形可控，施工工序安排緊湊，節(jié)省工期，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，結(jié)構(gòu)質(zhì)量能得到保證。

5 塔冠鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制

大型鋼結(jié)構(gòu)由于構(gòu)件數(shù)量多、連接復(fù)雜，在施工安裝過程中容易出現(xiàn)安裝偏差與大變形造成的附加應(yīng)力問題、連接問題、材料局部缺陷問題、應(yīng)力集中問題、冷脆問題、焊接殘余應(yīng)力問題，這些問題都是鋼結(jié)構(gòu)施T缺陷的表現(xiàn)形式，同時(shí)也是造成鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生事故的初始原因。

對(duì)于本項(xiàng)目塔冠鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量而言，其控制方向主要有兩點(diǎn)：一是安裝精度控制的測(cè)量及校正技術(shù)，二是焊接質(zhì)量控制的焊接工藝。

5.1 施工精度監(jiān)測(cè)及校正技術(shù)控制質(zhì)量

為保證安裝精度，在施工工程中，對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)及大跨度鋼桁架施工結(jié)構(gòu)安裝監(jiān)測(cè)。精度監(jiān)測(cè)主要是施工過程中各控制點(diǎn)的坐標(biāo)及變形控制，鋼結(jié)構(gòu)施工完成后，各主控點(diǎn)的坐標(biāo)和變形要滿足設(shè)計(jì)要求。精度監(jiān)測(cè)的目的主要就是通過各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)吊裝后實(shí)測(cè)坐標(biāo)或位移，并與控制值進(jìn)行對(duì)比校正，保證現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量。

5.2 焊接工藝控制質(zhì)量

結(jié)合本工程特性，施工作業(yè)環(huán)境為227～260m高空作業(yè)，焊接作業(yè)采用CO2氣保焊，風(fēng)力會(huì)造成CO2氣保焊的保護(hù)不足，導(dǎo)致焊縫氣孔的產(chǎn)生，所以要避免風(fēng)的干擾。對(duì)于CO2氣保焊質(zhì)量控制關(guān)鍵在于防風(fēng)控制。面臨著焊接作業(yè)區(qū)風(fēng)速當(dāng)手工焊超過8m/s，CO2氣體保護(hù)焊超過2m/s 時(shí)，應(yīng)設(shè)防風(fēng)棚或采取其他防風(fēng)措施。

在焊接作業(yè)區(qū)時(shí)，應(yīng)控制風(fēng)速，焊條電弧焊時(shí)不得超過8m/s，CO2氣體保護(hù)焊時(shí)不得超過2m/s，否則應(yīng)采取防風(fēng)措施。利用焊接操作平臺(tái)，將平臺(tái)做成基本封閉狀態(tài).就能有效防止大風(fēng)對(duì)焊接的影響。在操作防護(hù)欄四周用阻燃材料封閉以防風(fēng)，超過6 級(jí)大風(fēng)停止高空作業(yè)。

武漢地區(qū)7 月空氣相對(duì)濕度較大，且200m高空風(fēng)力較大，而濕度大于85%時(shí)，焊接易產(chǎn)生連續(xù)氣孔等缺陷。故在密封條件較好的部位如操作平臺(tái)處，采取局部除濕措施，以保證順利施焊。

6 結(jié)語

1）鋼桁架設(shè)計(jì)“疊式雙排桁架+弧型鋼梁混合結(jié)構(gòu)”的結(jié)構(gòu)受力更加合理，型鋼截面減小，用鋼量得到優(yōu)化。

2）超高層塔冠結(jié)構(gòu)施工，極大的依賴塔機(jī)等起重設(shè)備，合理的塔機(jī)選型，有效的塔機(jī)施工方案是解決超高層塔冠結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵。

3）對(duì)于大跨度鋼桁架施工，需要先進(jìn)性施工模擬進(jìn)行施工預(yù)判，在合理的施工工況下，既滿足結(jié)構(gòu)安全，又使現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)潔、高效。

4）超高層塔冠施工質(zhì)量控制主要取決于精度監(jiān)控、焊接作業(yè)。在焊接措施完備的前提下，需要不斷監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形校正，方能保證結(jié)構(gòu)安裝精度。

通過本項(xiàng)目塔冠結(jié)構(gòu)施工，本文提出了一種超高層塔冠施工技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案均取得了理想的效果，為往后廣大的300m 范圍內(nèi)的超高層項(xiàng)目塔冠施工提供一定的借鑒與參考。