高層建筑鋼結構施工技術應用探討

莊緒永

（臨沂市規劃建筑設計研究院，山東 臨沂276000）

1 引言

隨著我國城市化建設的深入，高層建筑已成為城市改建、擴建的主要建筑物類型，其在建筑高度、建筑外形、建筑標志性等方面具有一定的優勢。特別是國家提出“五位一體”發展戰略后，住房和城鄉建設部也提出了應當推廣綠色建筑。在住宅建筑中，應用鋼結構有利于保護環境與節約資源，推動建筑行業逐漸從粗放型轉變為可持續發展型[1]。因此，在高層建筑的建設過程中，應積極選用鋼結構及其施工技術，綜合考慮構配件標準化與模塊化，提高工程整體質量。

2 高層建筑鋼結構的特點

鋼結構是指建筑主體結構采用鋼構件，通過合理加工鋼材，制作為可承載壓力的結構。鋼結構具有以下特點：

1）空間利用率高。鋼材的抗彎、抗壓強度較高，性能優于混凝土，高層建筑工程中應用鋼結構，可減少結構橫截面積，進而提高工程空間利用率。

2）施工工期短。高層建筑中采用鋼結構，能夠減少施工中腳手架搭設這部分工程量，并且安裝鋼結構可使用壓型鋼板作為混凝土樓板的模板。并且在施工過程中，還能采取交叉方式開展混凝土與鋼結構施工，提高了整體工程強度，縮減了高層建筑的整體工期。

3）可實現可持續發展。鋼結構以鋼材為主要材料，而鋼材具有可重復利用的特點，不會造成材料浪費，避免了施工中產生過多的建筑垃圾，符合我國市場經濟可持續發展的要求[2]。

3 工程概述

某高層建筑采用鋼結構形式，由地上31層與地下1層構成，高度為92.2 m，標準層高為2.9 m，采取鋼柱+剪力墻版的結構形式。框架柱共有36根，鋼柱截面尺寸為B300 mm×300 mm×12 mm×12 mm，B700 mm×300 mm×14 mm×14 mm，應用Q345B鋼材材質。工程重難點如下：

1）本工程鋼板剪力墻的鋼板厚度為7 mm，為較薄鋼板，不當焊接會產生應力變形，且焊接點空間定位復雜，為保證剪力墻板焊接的有效性，部分板件可選用單邊坡口焊接方式，其對于制作反變形與精度方面要求較高，結構復雜。

2）施工現場無法容納鋼構件的大規模拼裝，工廠應盡量制作整體構件，減少現場拼裝。另外，存在超寬、超長運輸構件情況，運輸工程量約為7 100 t，存在超限構件運輸難題。

3）鋼結構施工中，存在大量高空焊接與焊裝操作，如鋼柱與鋼梁對接焊接、鋼柱對接焊接、剪力墻與鋼梁焊接等，需把控焊接質量。

4 高層建筑鋼結構施工技術應用措施

4.1 深化構件設計

高層建筑鋼結構施工中，構件加工前需深化設計，綜合考慮施工方案、加工能力、設計圖紙及施工條件，對加工構件與現場施工具有重要影響。本工程主要從2方面出發：

1）節點設計。合理設計節點，使其傳力、構造簡單化，以減小施工難度、制作難度，組織多個部門共同確定節點形式，通過修改、驗算后，上報至管理部門審核方能確定節點設計。以X節點為例，原本設計為拼接2個V形構件，焊接難度高，制作復雜，建立三維模型后，按照施工工藝，改造組合結構為平面整體結構，簡化了加工過程，且添加耳板進行臨時連接，便于施工矯正。

2）分段設計。由于高層建筑現場無法進行大規模拼裝，因此，應盡量根據現場吊裝、運輸長度、焊接工藝等情況進行分段設計。以斜交網格結構為例，分段設計外框柱時，按照車輛拖掛車廂最大尺寸為17 m的要求，分段在20 m以內，梁與柱體的連接應用大面積焊縫連接至柱上，工廠完成梁、柱、節點的焊接，以保證焊接質量。

4.2 鋼結構安裝技術

工廠完成構件制作后，為保證將大量構件順利運輸至現場，巨型柱均設置枕木，圓形柱中設置枕木與砌塊，避免其發生滾動，且以鋼絲繩固定，運輸路線以公路為主，避開老舊橋梁，按照規定進行現場停車，保證安全運輸。現場檢查構件合格后，即可開展吊裝施工。吊裝施工應注意以下幾個方面事項：

1）吊裝檢查處理。吊裝前，詳細檢查存儲與進場構件，根據GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收規范》的要求，檢查鋼構件界面規格、孔距、尺寸、外觀，明確是否標注中心線、長度、重量、標高、軸線方向等。構件如果出現超規范誤差，應立即修正構件。完成驗收后，綁好構件必要的操作平臺與鋼樓梯，并處理接口瑕疵，打磨毛邊、鐵銹[3]。

2）確定吊裝方案。根據施工條件與構件情況確定吊裝方案，選擇地面預拼裝與構件分散吊裝再進行整體吊裝的方式，由于高空臨邊作業存在較大危險，且吊裝設備為固定位置，無法應用其他設備協助，因此，需分散吊裝部件，低空選擇整體吊裝。

3）柱體吊裝。起吊中柱體反身傾角側面應墊上輪胎，避免坡口和地面擠壓造成柱體破損，緩慢起鉤后，構件重心和起重力處于相同水平線時，停止塔吊起鉤，緩慢轉動大臂，繼續帶動構件轉動，松鉤至落實構件。傾斜結構則翻身立正，將鋼絲繩與吊環連接扣緊，起吊前進行手拉葫蘆設置，起吊后地面用葫蘆預調傾斜角度[4]。

4）鋼梁吊裝。起吊鋼梁時，工人需明確安裝鋼梁部位，吊裝鋼梁至部位后對準，保持穩定，應用全站儀進行精準定位，兩端打入沖釘，訂正梁位。在節點兩端分別采用1/3普通螺栓初步固定梁，利用尺子量取柱與梁的垂直度與水平度，符合規范則擰緊螺栓。完成獨立梁安裝后，可安裝次梁與小梁。鋼梁與核心筒連接時，應將鋼梁一端利用螺栓連接鋼柱牛腿，另一端靠在埋件就位板上，安裝完高強度螺栓與埋件焊接后，割除就位板。

5）吊裝不規則構件。對于整體結構或不規則構件，應先利用軟件構建模型，尋找結構重心，起吊中安裝吊繩，使塔吊吊鉤位于重心垂直線，緩慢起吊后，利用手拉葫蘆進行構件調整，維持傾斜或水平角度，固定在吊裝位置。

4.3 構件測量矯正

構件吊裝至位置后，通過全站儀明確構件目標位置，保持一定傾斜或垂直角度，精準安裝。以空間網格構件為例，由于其較為復雜，可選用三維模型坐標擬合現場測量數據進行糾偏，先將網格結構分為若干單元進行拼裝，下部會影響上部安裝結構精度，控制X形節點管口坐標精度，即可減少誤差。在軟件中先構建網格結構模型，將節點連接坐標記錄下來，作為安裝坐標，現場測量時，借助全站儀測量節點坐標，保證下管口能夠消化誤差，確保節點坐標精度。測量過程中，可利用BIM技術獲取信息數據，獲得網格結構坐標。

在構件矯正中，施工層頂部開展作業時，將專業固定激光反射棱鏡與全站儀固定于鋼柱頂部。如鋼柱矯正，柱頂設置十字架支撐棱鏡，校準鋼柱垂直度，整平鋼柱進行矯正，可采取夾緊耳板的方式進行扭轉偏移調整。

4.4 鋼結構連接技術

鋼結構連接技術主要分為焊接與螺栓連接。具體如下：

1）鋼板焊接。由于高層鋼結構構件較大，工程鋼板較薄，因此，選用氣體保護焊接方式。工廠生產中，使用焊機焊接，質量穩定，但是現場人工操作周圍環境不穩定，需做好質量控制。焊接構件接口前，應先打磨切割面，直至露出金屬光澤，清除坡口兩側距離35 mm范圍內的雜質，按照材料焊接要求進行電流調整，核對保護氣體流量，確保氣路暢通，應用焊條時，應保證焊條干燥，風力超過2 m/s時必須搭設防風棚。在后續焊接中，如果局部加熱不均勻，會產生變形與應力，因此，應加強溫度控制，先預熱鋼材焊縫兩側，預熱范圍超過1.5倍焊縫厚度，焊接時控制層間溫度保持在150~200℃，以減少冷卻速度。保持連續焊接作業，厚板選用多層多道焊方式，對稱焊接則遵循先短后長的順序，層間溫度確保和預熱溫度相同，邊焊接邊錘擊以消除應力。完成焊接后，加熱焊縫至230℃，并嚴密保溫，時間控制在0.5~1 h[5]。

2）螺栓連接。高層鋼結構螺栓連接主要用于梁柱與主次梁，其材料強度高，可施加螺栓較大預應力，高強螺栓能承受更大的荷載。連接施工前，要處理摩擦面，保證摩擦面清潔干燥，無其他雜質，有鐵銹則用鋼絲除去，打磨范圍不超過4倍螺栓孔徑面積，確保摩擦系數滿足設計要求。并且檢查螺栓孔徑，應比螺栓直徑大2.5 mm。吊裝鋼結構就位后，用普通螺栓固定，矯正后用高強螺栓固定，分2次完成擰緊操作，初擰緊為70%預拉力，終擰緊為100%預拉力，大六角螺栓以最終控制扭矩合格為主，扭剪型螺栓以擰斷梅花頭為主。按照中間至兩邊螺栓群擰，對稱擰住兩側梁的順序擰，完成螺栓連接后，檢查螺栓是否全部擰好，避免漏擰，以保證連接質量。

5 高層建筑鋼結構施工質量優化措施

5.1 加強質量管控

在鋼結構施工中，為控制施工質量，應實現全過程管控，要求參與人員協同合作：

1）事前控制。根據項目特點深化設計圖后進行圖紙會審，明確各種工藝技術，項目實施中，對于項目應用的新材料、新技術、新工藝等方面提前進行人員培訓。編制施工方案，選擇合適的供應商，以保障配件、材料、構件的質量。施工前，做好用料型號、規格核對工作，設備機具也要保養檢測，降低故障率。

2）事中控制。現場落實施工責任制度，確定現場分工責任，按照工藝標準開展施工，嚴格落實檢查制度，面對關鍵節點、重點位置，負責人復檢校核，以保證工程質量。

3）事后控制。竣工后，檢驗施工質量、規范標準及合同要求等，完成施工管理、工程技術、質保等方面文件的審核、歸檔與整理，保護成品，確保構件完整性。

5.2 強化安全管理

高層鋼結構住宅中，吊裝存在較多高空臨邊作業，穿插施工也較多，人員上下頻繁，安裝鋼構件時焊接貫穿始終，易發生高空墜物打擊、高空墜落、火災等事故。因此，應加強安全管理工作，落實安全生產要求，做好防范措施：

1）防范高空墜落，工作人員需做好安全培訓與技術交底工作，做到持證上崗，落實安全防護網、安全繩、安全帶等安全措施，時刻關注人員身體狀況，禁止帶病作業，如未能落實安全防護，則立即停工整改。

2）防范火災傷害，布置滅火消防設施，保證焊接氣瓶罐體完好，移動與擺放小心謹慎，電焊操作遵循“十不燒”原則，有動火證、操作證方能動火，清理施工區可燃物與易燃雜物，做好隔離措施，關注用火安全。

3）防范高空墜物打擊，工作人員應戴好安全帽，相同區域內避免交叉立體施工，相同垂直面禁止同時作業，小件工具設備要及時固定，避免掉落，特別是吊裝區，應設置警戒線、警告牌[6]。

6 結語

綜上所述，高層建筑的鋼結構施工中，應從構件設計、構件安裝、構件測量矯正、構件連接這幾方面出發，把控整體鋼結構施工質量，合理應用鋼結構技術。此外，還應結合工程實際情況，做好事前、事中、事后把控與安全管理工作，從而提高整體工程質量。