超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層逆向施工技術(shù)及施工控制研究

馮永強(qiáng)

【摘要】現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展使得人們對于建筑居住空間的使用要求也越來越嚴(yán)格，建筑本身的結(jié)構(gòu)也逐漸向著復(fù)雜化、高層化、功能多元化的方向轉(zhuǎn)變。超高層建筑相較于一般的高層建筑來說，為了能夠滿足人們對于建筑使用功能的要求，往往會在上層運(yùn)用小開間小進(jìn)深的軸網(wǎng)設(shè)計(jì)，中部較上層來說軸網(wǎng)需要進(jìn)一步加大，下部則需要選擇大開間的房間設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況來分析，樓層的受力情況為由上至下逐漸遞增，因此尋常的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般為下方到上訪剛度依此降低，利用墻柱數(shù)量的控制來實(shí)現(xiàn)柱網(wǎng)面積的拓展。還需要將建筑的使用功能及結(jié)構(gòu)受力情況兩大要點(diǎn)進(jìn)行分析與比對，整體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要選擇反常規(guī)設(shè)計(jì)的方式，僅滿足建筑功能要求的話往往會導(dǎo)致安全性能無法兼顧，對此為滿足建筑功能和受力、安全等多方要求，超高層建筑鋼桁架應(yīng)用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層逆向施工技術(shù)成為了一個很好的選擇。本文主要以天津津?yàn)硰V場建筑為中心，該建筑為超高層商用辦公多功能建筑，結(jié)構(gòu)主要為核心筒—框架結(jié)構(gòu)，建筑8層設(shè)計(jì)鋼桁架轉(zhuǎn)換層，利用鋼桁架轉(zhuǎn)換層將上部結(jié)構(gòu)的外框柱更換為下部結(jié)構(gòu)的4根角柱及8根組合巨柱。并且在轉(zhuǎn)換層鋼桁架下弦設(shè)計(jì)有吊柱，用來承受5層和6層的樓面負(fù)荷。但吊住施工難度較大，如何在達(dá)到受力要求的同時完成轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為了一個問題，因此針對該工程的施工技術(shù)方案及施工控制展開論述。

【關(guān)鍵詞】超高層建筑;鋼桁架轉(zhuǎn)換層;逆向施工技術(shù)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

20.

引言

如今城市化建設(shè)的全面深入使得建筑的高層化成為了一種普遍現(xiàn)象，其中超高層建筑更是成為了城市發(fā)展水平的一種體現(xiàn)。鋼桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在超高層建筑設(shè)計(jì)與建造中的應(yīng)用使得超高層建筑的發(fā)展也獲得了關(guān)鍵的推助力，這一結(jié)構(gòu)不僅有效改善了原本超高層建筑結(jié)構(gòu)受力和使用功能間具有的矛盾，同時憑借其強(qiáng)度大、重量輕、受力性能優(yōu)良等特性，使其在超高層建筑中獲得了廣泛的應(yīng)用。針對津?yàn)硰V場建筑來說，鋼桁架轉(zhuǎn)換層尤其是下設(shè)吊柱導(dǎo)致的施工難度提升現(xiàn)象，若采用常規(guī)施工方案難以保證其功能性，結(jié)合現(xiàn)場情況，確定最后的方案決策，給出鋼桁架轉(zhuǎn)換層和吊柱施工方案，運(yùn)用創(chuàng)新性理論解決支撐變吊柱的物理矛盾。

一、項(xiàng)目背景

該項(xiàng)目為天津市和平區(qū)的一座商業(yè)辦公多功能建筑，總面積為20.9×104m2，總高299.8m。為了能滿足建筑空間的功能性需求，選擇鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)成建筑的外框，運(yùn)用鋼桁架轉(zhuǎn)換層實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力的轉(zhuǎn)換。8層鋼桁架轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)主旨便是受力轉(zhuǎn)換的承接，實(shí)現(xiàn)由密柱到疏柱的轉(zhuǎn)換。8層鋼桁架轉(zhuǎn)換層有著22.5m的大跨度結(jié)構(gòu)，也采用了罕見的轉(zhuǎn)換層下設(shè)置吊掛層，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模以及參數(shù)選取具有一定難度，因此施工計(jì)算成為了工程設(shè)計(jì)與建設(shè)中的難點(diǎn)問題。相較于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)施工來說，鋼桁架轉(zhuǎn)換層施工在施工控制方法方面更加重要，結(jié)合控制方法的桁架施工分段計(jì)算以及桁架節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算等都會對控制方法帶來影響。

二、超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層逆向施工技術(shù)方案

1.施工問題及方法闡述

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)為框架—核心筒結(jié)構(gòu)，外部框架為鋼結(jié)構(gòu)，1～8層為巨柱角柱組合，8層以上的結(jié)構(gòu)負(fù)載將會傳遞到基礎(chǔ)中。為了能夠達(dá)到軸線轉(zhuǎn)換需求，8層需要設(shè)計(jì)鋼桁架轉(zhuǎn)換層，1～5層屬于大空間結(jié)構(gòu)，但在此之上的樓層，結(jié)構(gòu)的功能也有了變化，樓板重量進(jìn)一步提高。為了能夠滿足1～5層結(jié)構(gòu)需求，地面結(jié)構(gòu)不設(shè)計(jì)支撐柱，選擇吊柱將其固定在鋼桁架轉(zhuǎn)換層，使其成為6～7層荷載向組合巨柱傳遞的媒介。鋼桁架轉(zhuǎn)換層使得建筑結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)設(shè)計(jì)也有了變化，建筑功能也實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變，這也為超高層建筑設(shè)計(jì)功能性做好了鋪墊，吊柱設(shè)計(jì)不僅確保低層建筑大空間功能需求，同時上層空間的設(shè)計(jì)空間也有了進(jìn)一步拓展。

鋼桁架轉(zhuǎn)換層的施工方法如下：1）桁架吊裝。桁架吊裝相交于其他方法來說更加便利，只需要在地面進(jìn)行拼裝，再通過吊裝的方式安裝為整體即可;2）懸挑施工。這也是目前的一種新型方法，在鋼結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)用較為廣泛，結(jié)構(gòu)不斷向外延伸進(jìn)行安裝;3）施工支撐設(shè)計(jì)。施工支撐是鋼桁架轉(zhuǎn)換層施工的主要手段，在需要支撐的結(jié)構(gòu)下方搭設(shè)型鋼支撐，為鋼桁架施工提供平臺。在該項(xiàng)目中，吊車能力受限無法采用整體吊裝的方案，懸挑施工針對柱的抗彎型具有一定要求，所以選擇臨時施工支撐設(shè)計(jì)的方案。而這也使得鋼桁架轉(zhuǎn)換層的最高跨度達(dá)到了22m以上，所以桁架體積與重量也有了提高，在實(shí)際施工中需要采用分步安裝法，根據(jù)由下至上的流程，吊柱施工需要在6層和7層框架梁施工結(jié)束后再進(jìn)行吊柱安裝，將樓面荷載傳遞到轉(zhuǎn)換層桁架，但這也迎來了一個難題，轉(zhuǎn)換層桁架施工前無法實(shí)現(xiàn)吊柱安裝，轉(zhuǎn)換層桁架也無法承載荷載，對此需要找到一個新的控制方法來替換傳統(tǒng)方法。

2.吊柱施工方案

建筑的正常使用需要由設(shè)計(jì)到施工所有結(jié)構(gòu)都能達(dá)到受力及傳力要求，不同構(gòu)建有著不同定位，在某一位置負(fù)責(zé)傳力工作。鋼吊柱施工也需要利用這一機(jī)制來達(dá)到建筑要求，據(jù)上述來看，吊柱施工的開展仍然需要解決一些問題，而面對這些問題，理想的施工過程如下：1）吊柱施工理想結(jié)果。先完成吊柱安裝，再進(jìn)行鋼桁架轉(zhuǎn)換層施工，在完成施工后能夠順利達(dá)到施工預(yù)期效果;2）實(shí)現(xiàn)理想結(jié)果的阻礙。鋼桁架轉(zhuǎn)換層重量過大，安裝只能現(xiàn)場拼接，所以需在轉(zhuǎn)換鋼桁架下弦全部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)支撐;3）如何規(guī)避這一阻礙。轉(zhuǎn)換層鋼桁架安裝過程中，受壓臨時支撐轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾踔?4）規(guī)避阻礙的可用條件。轉(zhuǎn)換層鋼桁架安裝下弦設(shè)計(jì)的臨時支撐，若能實(shí)現(xiàn)受壓臨時支撐轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾е敲淳涂梢赃_(dá)到理想結(jié)果。

3.技術(shù)方案整合與評價

根據(jù)上述施工控制方法的研究，能夠設(shè)計(jì)一個轉(zhuǎn)換桁架施工中的逆向施工方法，具體程序如下：1）先實(shí)現(xiàn)1～7層的框架梁及柱結(jié)構(gòu)施工，以及臨時支撐桁架和吊柱安裝;2）根據(jù)吊柱和臨時支撐構(gòu)成的支撐平臺，實(shí)施轉(zhuǎn)換桁架施工;3）在桁架轉(zhuǎn)換層作業(yè)結(jié)束后，進(jìn)行桁架卸載;4）完成桁架卸載后實(shí)施桁架上部結(jié)構(gòu)施工，拆除臨時支撐;5）在轉(zhuǎn)換桁架下?lián)线_(dá)到最高時焊接吊柱，并完成上部結(jié)構(gòu)的后續(xù)環(huán)節(jié)，拆除臨時桁架和5～6層樓板。

技術(shù)方案的評價如下：1）一改傳統(tǒng)施工中依賴外部施工支撐的現(xiàn)狀，運(yùn)用吊柱當(dāng)作施工支撐，施工成本有了進(jìn)一步控制，施工效率也有了提高;2）在連接板中設(shè)計(jì)長圈孔，利用調(diào)節(jié)螺栓的方式達(dá)到桁架下移的要求，實(shí)現(xiàn)桁架的快速卸載;3）逆向施工法的運(yùn)用使得桁架轉(zhuǎn)換施工有效滿足了上下結(jié)構(gòu)同步開展的要求，施工效率也進(jìn)一步提高。

三、超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層逆向施工控制策略

施工控制理論能夠使工程能夠在多種不確定因素之下完成預(yù)期功能，當(dāng)前控制理論經(jīng)過不斷的發(fā)展已經(jīng)有了很多分支，以基本的理論和方法來看，分為最優(yōu)控制、線性系統(tǒng)理論及自適應(yīng)控制等。在該項(xiàng)目中，具體的施工控制內(nèi)容與方法如下：

1.施工控制內(nèi)容

施工控制內(nèi)容主要包括構(gòu)件的應(yīng)力與形變等參數(shù)，將安全施工作為基本要素，針對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變等進(jìn)行控制，確保施工期間的應(yīng)力應(yīng)變能夠穩(wěn)定在合理區(qū)間，一同作用在建筑的全部施工環(huán)節(jié)。

（1）變形控制

該工程中構(gòu)件的形變現(xiàn)象基本難以規(guī)避，而如何將結(jié)構(gòu)變形量控制在合理范圍中就成為了一個重要問題。為了能夠避免施工期間結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重變形，一般可以在施工之初利用預(yù)應(yīng)力構(gòu)件、設(shè)計(jì)預(yù)調(diào)值等方式來進(jìn)行控制。桁架轉(zhuǎn)換層的變形控制一般要選擇拼裝過程的反變形來實(shí)現(xiàn)。

（2）應(yīng)力控制

構(gòu)件的界面形式選擇一般需要考慮受力方式，若選擇的構(gòu)件受力轉(zhuǎn)變的非正確方案，可能會存在嚴(yán)重的質(zhì)量或安全問題。因此構(gòu)件應(yīng)力重分布需要進(jìn)行全面監(jiān)測，反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行理論計(jì)算值的分析，對下一施工的所需條件進(jìn)行整改。

（3）穩(wěn)定控制

建筑失穩(wěn)可能會導(dǎo)致傾斜、塌陷等嚴(yán)重問題，而引起失穩(wěn)的因素很可能僅僅是某一個構(gòu)件。如法國戴高樂機(jī)場候機(jī)大廳便是一個典型的案例。現(xiàn)代建筑尤其是超高層建筑，不但要考慮好建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，同時穩(wěn)定性也非常重要，只有保障建筑穩(wěn)定性，才能確保施工與運(yùn)行的安全性。

（4）卸載控制

根據(jù)TRIZ理論，吊柱是施工過程中的主要支撐結(jié)構(gòu)，但兩個桁架構(gòu)件的銜接位置也需要設(shè)計(jì)支撐輔助系統(tǒng)，從而與吊柱一同實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的有效支撐，確保桁架施工能夠快速完成。對此需要對桁架的施工特征進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)輔助支撐系統(tǒng)，為規(guī)避平面外失穩(wěn)等問題，支撐需要設(shè)計(jì)在框架梁上。臨時支撐架利用外框架和核心筒的連接框架梁作為平面外失穩(wěn)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，臨時支撐架結(jié)構(gòu)一般包含了臨時傾撐、臨時支撐柱、臨時鋼梁等，在桁架施工結(jié)束后需要進(jìn)行及時卸載。施工支撐的卸載與受力轉(zhuǎn)換及應(yīng)力重分布相關(guān)，也會受施工現(xiàn)場環(huán)境因素影響，難以同時完成所有支撐的卸載，因此選擇科學(xué)的卸載控制方案至關(guān)重要。

2.施工控制方法

超高層建筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層逆向施工控制方法在其基本思路上有著開環(huán)、閉環(huán)、自適應(yīng)三種控制模式。超高層建筑對于建設(shè)質(zhì)量具有更高要求，并且鋼桁架轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用使得整體施工過程變得更為冗雜，結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)變使得施工中也增添了一些不確定因素。該項(xiàng)目的施工控制以閉環(huán)控制為主，以自適應(yīng)控制為輔。

（1）開環(huán)控制

開環(huán)控制是一種常見的施工控制方法，經(jīng)過理論計(jì)算和分析之后，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲得結(jié)構(gòu)的理想狀態(tài)，同時對結(jié)構(gòu)施工中的盈利應(yīng)變分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，掌握施工過程的穩(wěn)定狀況。在完成施工后，投運(yùn)的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，內(nèi)力穩(wěn)定性較強(qiáng)。

（2）閉環(huán)控制

超高層建筑相較于尋常建筑來說更為復(fù)雜，所以無法單純依賴經(jīng)驗(yàn)施工的方式完成控制，需要采用模擬軟件對施工全過程進(jìn)行模擬，但模擬過程也可能具有一定局限，需要針對可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，尋找更適合項(xiàng)目的施工控制方法。

（3）自適應(yīng)控制

閉環(huán)控制能夠滿足很多超高層建筑施工需求，但相比之下自適應(yīng)控制也非常適合本項(xiàng)目施工，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制的功能，對施工各環(huán)節(jié)實(shí)施動態(tài)化監(jiān)控，將得到的狀態(tài)參數(shù)信息向操作人員反饋，結(jié)合實(shí)際參數(shù)來調(diào)整計(jì)算模型參數(shù)。自適應(yīng)控制的理論研究目前也取得了可喜的成果，但該系統(tǒng)仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)，針對很多空間鋼結(jié)構(gòu)來說，閉環(huán)控制為主，自適應(yīng)控制為輔的方法更加適宜。

結(jié)論：

目前，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的全面推行，鋼結(jié)構(gòu)建筑作為綠色施工技術(shù)的一種也獲得了廣闊的發(fā)展空間，而建筑的高層化也早已成為了一個主流趨勢，這使得鋼結(jié)構(gòu)高層建筑也應(yīng)運(yùn)而生。鋼桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力形式較為簡單，結(jié)構(gòu)空間設(shè)計(jì)更加靈活，但桁架施工卻存在很多難點(diǎn)問題，因此需要根據(jù)現(xiàn)場條件采用逆向施工的技術(shù)方案，并做好施工中的控制工作，確保施工目標(biāo)的圓滿完成。

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