超高層建筑鋼結構施工的關鍵技術和措施分析

張樹志

（北京城建六建設集團有限公司，北京 101500）

1 鋼結構在超高層建筑中的應用概述

鋼結構是由鋼制材料組成的結構，是主要的建筑結構類型之一。我國最為常用的建筑結構是鋼筋混凝土結構，相比于鋼混結構，鋼結構的施工速度快且施工簡便，目前大部分大型廠房和場館對于鋼結構的應用比較普遍。一般而言，當建筑總高度超過100m 或內部層數超過40 層時即可認定該建筑為超高層建筑，對于超高層建筑而言，其結構強度要求更高，對于地基部分承擔的荷載也更大，鋼結構因為自重較輕且結構強度足夠，在進行超高層建筑設計時，鋼結構也是首選的建筑形式之一[1]。

超高層建筑是建筑技術的體現，也是綜合實力的證明，鋼結構在超高層建筑中的應用，能夠明顯體現其高效節能、質量統一優勢，也成為地標型建筑首選的結構形式。在我國鋼結構也取得了較為普遍的應用，尤其對于大型公共建筑而言，鋼結構有諸多優勢。如北京鳥巢、上海環球金融中心、廣州歌劇院、香港中銀大廈等著名建筑，其都是使用鋼結構或鋼結構與其他形式結合的建筑模式，對其高效節能和適用超高層的特點展現的淋漓極致。

2 鋼結構發展現狀、問題與趨勢

2.1 發展現狀

在我國鋼結構取得了比較廣泛的應用，目前鋼結構施工技術已經發展相對成熟，且對于后端材料行業，我國目前能夠生產的鋼材品種和質量已經完全能滿足建筑行業需求。由鋼結構所衍生出來的設計材料，運輸等企業也迅速開展，目前鋼結構已經形成了成熟的供應鏈和施工體系，應用領域也在不斷擴大之中，在法律法規層面已經有了完善的鋼結構設計標準和質量驗收標準，對于應用案例和論文著作的數量等也在逐年增長[2]。

2.2 發展問題

對大部分人而言，所能接觸到的建筑種類仍為傳統的鋼筋混凝土結構或砌體結構，鋼結構并沒有得到完全的普及和發展。究其原因是鋼結構在小規模利用的情況下并沒有明顯優勢，且相對于普通的混凝土結構而言，技術要求更多、質量要點復雜。進行專項設計和施工過程中的技術支持，而最終的建筑建成后并不會帶來額外經濟效益。同時鋼結構的質量問題多樣化，需要大型設備全程參與施工，對一般建筑而言，采用鋼結構的形式也會使其安全風險增加。鋼結構建筑的設計耐久年限通常比砌體混凝土的形式要低，這也注定了在民用建筑中無法采用大規模鋼結構的形式。此外在理論層面，鋼結構的綜合建筑成本要低于其他結構，但目前在工程設計階段和施工設備的使用，以及構件生產運輸的過程中仍有較高費用，綜合而言，經濟效益與普通建筑結構并無明顯區別。

2.3 發展趨勢

鋼結構符合未來發展趨勢，在可持續發展戰略和綠色建筑理念的推行之下，鋼結構也屬于一種新型環保的建筑體系。相比于其他結構在達到同能使用需求和強度的條件下，鋼結構所使用的材料更少。鋼鐵材料本身就是一種節能環保型的建筑材料，能夠進行回收和二次利用，在達到建筑使用年限或需要建筑報廢時，也不會產生大量的建筑垃圾。在政策層面上，我國已經編制了完善的行業標準與驗收體系，并納入國家發展戰略之中。若鋼結構的技術能夠打破壁壘，且設備價格下調，未來對于低層建筑而言，采用經濟適用的輕鋼結構體系在綜合成本和施工效率方面均有明顯優勢。

3 鋼結構關鍵技術要點

3.1 框架安裝要點

鋼結構主要是由鋼框架和鋼柱逐層安裝形成主體框架，對于超高層鋼結構而言，在構件尺寸和吊裝的限制之下，需要進行作業段劃分。作業段不能無窮高的主要限制就是塔式起重機的起吊高度以及構件的制作、運輸、堆放等。一般而言，根據鋼柱長度，進行作業段的劃分工作。同時根據每層的結構形式和設計要求，將框架歸納為標準節框架與特殊節框架。

在超高層鋼結構中，大部分框架均有相同的結構類型與構件組成，其在施工時的次序和注意要點也是相同，一般而言在標準節施工的過程中，可按照構件分類流水的方式進行，即先安裝鋼柱，而后安裝框架梁，在整體框架完成后安裝其他構件，直至該樓層安裝完成，而后從下至上逐層安裝[3]，如圖1 所示。

圖1 安裝流程整體框架

在進行框架安裝時，需要注意各個構件的安裝次序性，一般而言要先形成整體框架，而后進行次要構件的安裝工作。主要原因是為了保持施工的穩定性，需要盡早形成框架，而后在進行框架內部的次要構件安裝。同時這種安裝方式具有一定的機動性，對于某一框架內的次要構件即使未安裝完成，也不影響后續施工工作。

框架的固定方式主要有螺栓和焊接兩種方式，一般的順序為先進性螺栓固定而后進行焊接工作，在進行焊接工作時，應根據鋼柱和框架的位置偏差及垂直度情況有針對性的進行焊接順序選擇，其核心指標是減少變形并對整體垂直度進行控制。

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鋼結構構件中一般有樓梯構件，樓梯構件為次要構件，在結構中不承擔荷載，但為了后續的施工便捷性，通常樓梯也作為主要構件進行優先安裝。其目的是，能夠解決鋼結構框架內的垂直登高及安全通道，同時作為作業層的輔助通道使用，能提高后續工程的施工便捷性。

3.2 鋼柱安裝要點

鋼柱多采用吊裝的方式進行安裝，在安裝之前，若該鋼柱有爬梯，則在安裝之前需要將爬梯與鋼柱進行可靠連接，而后進行整體吊裝就位，以便于后期登高作業。鋼柱的主要控制點之一就是標高和位置，可在地面進行尺寸復驗，確保滿足要求后再進行安裝，若誤差較小，可進行修正處理。為了便于鋼柱的施工流程和臨時固定，在鋼柱兩端可設置耳板，用于調節過程和焊接之前的臨時固定。在進行位置矯正及可靠固定后，將耳板拆除即可。

3.3 鋼梁與桁架安裝要點

鋼梁和桁架的安裝一般依附于已經可靠固定的鋼柱，故在安裝之前需要完成前置工序的檢查工作，尤其對于鋼梁和桁架需要連接的預埋件和前置件進行預檢，對于需要進行螺栓固定的位置，還需進行摩擦面和孔洞定位工作進行檢查。同樣對于鋼梁和桁架而言，要進行扶手繩和扶手管的安裝工作，作為未來的工作通道使用，并需根據現場實際需求設置到位，防止未來補裝造成的工作煩瑣[4]。

3.4 特殊結構的安裝要點

除框架構件、主要結構、次要組成件之外，一般鋼結構建筑中會有較多其他形式的構件，如外連廊天橋、外伸梁或桁架、裝飾類構件、天線或避雷針等。其共同點就是為預制組合體的形式，或安裝后形成長時間架空，跨境較大。因其形狀外觀和強度的要求，往往具有較大的體積和自重，且無法分割。對于這類構件，在進行吊裝時需注意起重機械、固定方式、就位方式的選擇，對于超規構件要有相應的專項施工方案。對于不同工程而言，其特殊結構的種類和類型也會不同，需在實際施工中按需選擇，明確施工要點和技術要求。

4 鋼結構安全控制及措施

4.1 大型機械安全

鋼結構大部分作業形式屬于高空作業，在此過程中需要較多的大型機械輔助作業，并進行起吊工作。這種作業屬于危大工程，在進行施工前需明確現場安全要求，在進行起吊作業時做好安全防護，同時對機械操作人員明確安全操作規程，正在作業時應有安全員對現場進行規劃，非必要不接近作業區域[5]。

4.2 垂直登高措施

因施工需要或驗收需要，在進行作業的過程中不可避免的需進行垂直方向移動。通常而言，建筑施工現場的登高措施有施工電梯、層間扶梯、鋼柱爬梯等。施工電梯屬于特種設備，需定期進行維護保養和檢查工作，且作為臨時設施，在不滿足使用條件后應拆除；扶梯一般是永久性措施，也是建筑施工完成后的樓梯通道，注意在施工過程可靠連接、鋼柱爬梯在使用時應做好安全防護，非必要不使用。

4.3 水平安全通道和操作平臺

4.4 安全網與隔離層

為了保證高層作業時，底層位置的安全，防止因構件掉落等造成的高空墜物風險，一般采用安全網或隔離層的形式進行垂直方向的墜落。安全網是懸挑在建筑之外的防護網，起始位置從腳手架通道位置開始，可增大防護范圍能夠對安全通道同時進行防護。隔離層是在樓板層向外延伸的部分，作用于安全網相同，但其防護性能更好，不易損壞，但拆除較為困難。

5 超高層鋼結構實際應用案例分析

5.1 案例概況

案例位于X 市，位于非濱海地區、非地震帶敏感地區，建筑的設計標準遵循國家標準，無特殊用途和規定。建筑主體框架為鋼結構，建筑設計高度為148m。建筑用途為一商業辦公建筑，其中1~4 層為商業類建筑，其以上為辦公用途或公寓用途。建筑施工技術和建筑施工方式遵循行業內主流方式。

5.2 案例重點難點及解決對策

5.2.1 機械設備

該建筑最高高度148m，大部分位置均需要機械輔助進行高空作業。該案例使用的設備有塔式起重機、履帶式門式起重機作為吊裝設備，液壓千斤頂作為構件頂升設備。根據案例的工程體量和現場的實際需求，選取2 臺1200TM 級M900D 塔式起重機作為主力設備，其在正式施工過程中承擔構件起吊的任務。

5.2.2 施工數據基礎測量

對于超高層建筑，其數據誤差的容錯率極低，為了保證質量和安全需要，對測量設備的適用性和精準性均要考慮。為了保證測量數據的可信度和準確性，以及避免整個過程中的工作誤差，該案例選取了雙重控制網的測量準則，采取高精度GPS 定位進行基網測量工作，網內測量設備為電子全站儀，對于關鍵線路采取雙向多次測量的方式保證精度。

5.2.3 焊接方法選擇

經綜合考慮，該案例選取的方式為二氧化碳氣體自動保護焊，對于不便操作的位置和微小位置仍采取手工焊接的形式，這樣能夠提升總體焊接的工程質量，且利于現場操作。

5.2.4 結構變形解決方案

為確保施工過程中的安全，及時發現潛在的質量隱患，該工程考慮在施工過程中進行變形情況的監測工作，且在施工時采取對應解決方案。案例使用BIM 技術對工程結構進行分析，并對結構中的薄弱點予以標記。實際施工中，采用預變形的形式來有效應對施工后形變，對于薄弱位置安裝形變傳感器，以對形變情況進行實時監測和分析，當形變超出安全范圍外后采取對應措施，保證施工過程中的結構安全，并將質量隱患降低。

5.2.5 氣象影響

在實際施工中，超高層鋼結構均會收到氣象因素的影響，主要是大風與雷電。在設計之初，鋼結構具有一定的穩定耐久能力，對于大風具有抵御能力，但在安裝過程中，還未進行可靠固定的情況且無法承擔大風帶來的外力，而雷電影響也是后果嚴重的危險源。為了解決超高層鋼結構施工過程中的氣象影響，該案例委托最近的氣象監測站進行異常天氣監控，并對異常天氣下的應急預案進行完善。

5.3 案例結果與分析

通過完備的施工方案和進度計劃編排，該案例最終在工期之內如期交付，順利通過各種驗收。案例實施過程中，無重大質量問題，無安全事故，所有施工位置保質保量完成工作，異常天氣應急響應100%。該案例通過借鑒行業內先進方案，同時有針對性的對案例問題進行分析，明確技術要點，并提出有針對性的措施，最終保證工程的順利開展。

6 結語

超高層鋼結構具有較多的技術要點，在設計、場地準備、施工前期、設備選用等方面均需考慮現場實際情況，并有針對性地編制施工方案和技術指標要求。在實際施工中，需對工程質量、安全影響等充分考量，同時注意焊接、吊裝、提升等關鍵技術環節。通過規范技術要求、科學編排計劃、合理選用設備、明確安全措施等形式，為打造高品質鋼結構工程賦能。