超高層建筑鋼結構加工與安裝技術研究

傅武旭

廣州工程總承包集團有限公司 廣東 廣州 510310

探究鋼結構的力學性能，找到提高超高層建筑施工效率、質量的有效解決辦法。并將不同形式的鋼結構作為研究要素，確定不同結構件的延伸性能以及耗能程度，可解決技術層面的問題。同時，依靠對鋼結構的構成研究，明確提升側抗高度的方法，有助于在研究過程中確保超高層建筑施工質量，達到整體施工要求。此外，該項技術的應用場景眾多，結合鋼結構施工特點，從結構承載性、內部空間預留要求兩大方面出發，確定建筑整體負載能力后，進行鋼結構預制件的加工與安裝，具有極佳的工作效果。由此可見，為確保鋼結構加工安裝作業穩定，需要從整體層面確定超高層建筑的建設要求，規范鋼結構預制件加工方式外，確定整體施工方向。

1 超高層建筑施工項目概述

1.1 超高層建筑概況

某地區科研中心超高層建筑施工項目，占地面積為201700m2，為保障初期設計的完整性，并打造綠色、環保的超高層建筑，本項目采用了鋼結構施工的方式，在進行方案設計時，由于受到成本投入的影響，確定超高層建筑高度為207.1m，底下建筑分為3層，與地上54層建筑呈現對應關系。其中，標準層的設計高度為4.4m，地下的設計高度為14.5m，為保持整體設計的完整度，采用混凝土核心筒與外部鋼結構構成混用的施工方法，并在11、25、40層分別以特級工程為標準，設計建筑內部的避難所，完成方案設計工作。由此可見，在超高層建筑設計中，需要注意的施工要素眾多，如何協調不同施工問題，并對建筑耐火等級、抗震等級進行研究，是當前設計人員所面臨的問題，需要從鋼結構與安裝技術的研究中，找到一種適用性強的方案。

1.2 鋼結構概況

以內筒外框結構為標準，對本項目的總用鋼量進行初始概算，可以確定本項目建設工作的總用鋼量為24000t，依據結構的局部開口開展“定向”測算，可以明確核心筒鋼結構的型號以及十字型鋼骨的規劃，從而提高項目建設工作的標準化程度，減少隨機發生問題的影響，在其中，筒鋼結構的規格為H950*400*50*25、十字型鋼骨的規格為450*200*30*20、箱型柱規格有500*500*15/20、600*600*10/15、400*400*14等幾種，其中以500*500*15為多。此外，由于外側框架需要具有一定延伸性，以此連接地上、地下部分結構，本項目對圓管柱和箱型柱同樣進行了規范設計，分別以18、8根為一組，形成雙向傾斜造型。由此可見，應用鋼結構架構與安裝技術進行施工，首先需要結合超高層建筑的設計特點，確定鋼框架結構的塔冠和塔冠底部的高度，配合BIM等技術對超高層建筑的鋼結構使用量進行仿真模擬，以等比例模型為標準，進行后續工作的研究與探討，解決不同施工節點下的難點問題。

2 超高層建筑鋼結構的形式及安裝特點

2.1 鋼結構的形式

以本項目為案例，H型鋼是用量最多的鋼結構，其基本規格為：H950*400*20*30、H1000*400*30*40、H950*450*30*20、H550*200*25*30。此外，由于超高層建筑的工序與結構復雜，也需對鋼柱、鋼梁、鋼板墻等結構的參數和截面形狀進行研究，使之具備足夠好的外部形狀，用于跟混凝土結構混合使用，從而逐步提高超高層建筑的抗震性能，達到設計標準。同時，依據軟件模擬的仿真模型，對目標范圍內的結構混合應用方法進行探究，可以發現不同形式的鋼結構，往往需要連接和混合使用，以鋼板墻結構的設計為例，需要根據內嵌結構、邊緣結構的差異和連接要求，分別對魚尾板的形狀進行把控，確保鋼結構承載力系數的完整，也方便后續施工任務的進行。

2.2 鋼結構安裝特點

從鋼結構施工特點層面出發，研究此項施工技術的安裝特點，可以發現在具體施工環節的吊裝效率，決定了項目建設的周期，以及內部預留空間是否符合標準。同時，由于鋼結構件在重量和可用空間兩大方面，具備足夠高的應用優勢，有利于對現有技術進行優化，應用吊塔完成吊裝作業的同時，通過前期階段的規劃設計與工作安排，確保超高層建筑內部空間更足，自身的抗震系數更高，突出超高層建筑的整體安全，也完成初期階段的工作管理。此外，鋼結構施工的第二大特點是，能夠更好地確保工程建設的整體質量，這是因為鋼結構預制件與混凝土結構相比較，不僅材料的強度更高，應對外在受力條件變化的能力也更強，這也使得此項施工技術，逐步成為當前進行超高層建筑施工的主要方法。最后，如表1所示，按照計算公式對塔吊作業的效率和需求量進行數理計算，可以明確本項目建設的吊裝總次數為5051次，總占比為工程量的54.6%，這也體現出了鋼結構安裝技術的第三大特點，那就是便于預制、安裝和節省施工時間的特點。由此可見，鋼結構架構與安裝技術，不僅能夠滿足超高層建筑施工對效率和基礎結構的承載力要求，還能減少混凝土粉塵、噪聲等問題出現，將鋼結構加工與安裝技術作為主要施工技術，還可以確保建設材料的循環使用，將實際成本控制在可控制范圍區間。

表1 吊需求量表

3 超高層建筑鋼結構加工技術

3.1 H型鋼梁結構的制作

H型鋼梁結構的制作流程雖然簡單，但需要用較高的標準對鋼板材料進行平整與校正，提高H型鋼梁結構的標準化程度，確保鋼結構標準的致密性，以此加強超高層建筑的抗震性能，并在后續使用中，應對可能出現的問題與變化。同時，還要以國家標準為依據，進行放樣、排版操作，這樣不僅能準確地落實H型鋼梁結構的制作要求，也解決了后續焊接的問題。此外，在焊接中，需要嚴格要求作業人員的焊縫要求，以20cm為間隔區間，預留空間應對鋼筋材料的結構收縮問題。最后，規范切割機等設備的使用方法，根據預先下料切割的結果，對實際余量進行初始的估算，避免出現缺乏效率的問題，這也是H型鋼結構加工過程需要投入較多干預的原因，確定技術和加工上的注意事項，在改善H型鋼梁結構的性能效果方面，存在較高的收益，有助于提高組立的準確性。具體而言需要做好下述工作：（1）依據國家標準，進行放樣；（2）預留20cm的距離，進行焊接操作，給予鋼結構更多的保護；（3）依據圖紙信息，確定復合鋼板的型號，提高鋼結構加工的標準化程度[1]。

3.2 箱型結構的制作

首先明確箱型鋼結構的三維特征，以此為方向確定不同結構件加工對整個結構穩定性的影響。同時，由于箱型柱、箱型梁的焊接要求較高，不僅需要鋼結構具備足夠好的延伸性能，還要依靠全熔透焊接的方式，減少鋼結構加工的耗能程度，并保障箱型結構的制作強度。解決了加工制作流程層面的問題后，還需要依靠不同焊接工藝的研究，通過轉變焊接要求的方式，逐步增加鋼板表面的平整度，可以通過對焊接過程的糾正，找到提升箱型結構側抗高度的方法。以二氧化碳氣保熔透焊為例，需要注意以下幾點要求：（1）明確隔板開坡口位置，進行焊接操作；（2）箱型結構加工與下料前，利用機械設備對鋼板表面進行糾正處理，保障鋼筋表面的平整度；（3）確保一次糾正的收益，有助于在后續使用過程中，增加零件的平整度；（4）為確保超高層建筑施工質量，對非規則零件進行人工處理，以此滿足實際安裝要求。由此可見，對焊接操作進行把控，并對非規則結構件進行切割和糾正操作，可以提高箱型結構制作的收益。

3.3 復雜節點的制作

復雜節點制作的任務多、流程雜，容易受到客觀條件變化的影響，為保障節點頂部安裝基準面符合使用標準，應結合鋼結構施工特點，從節點焊接中、箱型梁正造過程中，對安裝基準面進行定位，以此確保節點處的垂直度，達到后續施工使用的整體要求。同時，還應對作業平臺進行規范，以此減少焊接作業造成的變形問題發生，完成鋼結構預制件的加工與使用，這對保障節點的垂直度具有極佳的控制效果。由此可見，為保障節點加工制作效果，需要注意下述幾種問題影響：（1）對胎架組裝面進行正造時，應保障節點頂部的基準面符合要求；（2）必須保障箱型梁的定位效果，并以此確定安裝構架線；（3）協調坡口間隙與平臺中心線的關系，從而完整節點加工制作任務?？梢?，節點加工制作的要求多、流程雜，為確保鋼結構加工過程符合標準，應從實際流程出發，確定整體層面的加工要求，并根據對不同參數的把控，滿足節點加工的要求，起到規范性作用外，逐步提高節點加工制作的收益[2]。

4 超高層鋼結構安裝技術要點

4.1 預埋件的安裝施工

依據本工程預埋件的標準，對錨栓、鋼板等組合結構與塔吊荷重進行對比研究，可以確保超高層鋼板結構安裝技術的整體質量，也能逐步明確塔吊地使用規范，逐步增加預埋件安裝施工的規范程度。如表2所示，根據塔吊的臂長，去決定預埋件安裝施工的流程，并進行標高、錨栓伸出長度的檢查，可以提高安裝施工的完整度，也能避免錨栓移位等問題產生。此外，還需根據預埋件的重量，決定塔吊臂長等參數，通過人為控制滿足預埋件安裝施工的要求，也從力學性能層面出發，確保預埋件施工的進度不會受到過多影響。在此基礎上，對預埋錨栓的軸線、標高等進行標注，依據核查結果，進行后續的清理、修復操作，可以保護已經安裝后的結構件，也能從中提高超高層建筑施工的整體質量。最后，進行混凝土振搗與澆筑施工時，為確保整個工序的施工效率、質量，應依據墊塊疊合標高結果，通過分層澆筑的方式，有效解決此節點的技術問題，確保錨栓不會在澆筑過程中發生位置上的變化，從而具備足夠高的延伸性能，進行后續施工。

表2 塔吊荷重表

4.2 鋼柱的安裝

從方案設計中提取塔樓等項目的實際施工信息，組織和安排鋼柱安裝的計劃外，依據焊接箱型截面結構的截面，選擇實際吊裝方案，有助于確保鋼結構施工的完整，也能根據分段吊裝等作業特點，對施工現場的任務進行安排，對吊裝過程的注意事項進行較低，完成平、立面施工部署工作，使分段施工的過程完整。同時，在具體的流程中出發，研究與探討地下室施工的問題，還需要在施工前對預埋件的分段展開調查，從而組織和安排分段吊裝作業，確保第一、二鋼柱吊裝工作的安全與穩定。此外，由于超高層建筑對鋼柱垂直性的要求嚴格，應基于超高層建筑施工的此項特點，利用螺栓進行固定操作，保障主體結構的安全。最后，外框鋼柱的安裝，要遵循核心筒高出外框結構的原則，進行施工操作，以此確保主樓鋼結構的性能完整。

4.3 鋼梁的安裝

鋼梁安裝的任務量多，需要依據具體施工的要求，通過明確吊裝順序的方式，逐步增加鋼梁安裝效率。從好的層面看，鋼梁的重量小，立面施工的效果問題，只需對螺栓連接工作進行把控，可以較為明顯地提高拱結構安裝收益。此外，螺栓的具體型號決定了鋼梁吊裝的穩固性，需要依據不同建設周期的任務要求，明確鋼梁安裝的順序，以及吊裝方式。本項目在鋼梁安裝施工時，采用由里向外的吊裝作業方法，這種方法有利于保障內部預留空間，也能夠形成穩定的結構空間。從具體的吊裝收益方面看，鋼梁吊裝的順序穩定，從下層到上層結構、從主梁到次梁的順序安排，有助于根據每個吊點位置完成吊裝操作，也能在吊裝后進行連接、焊接以及橡膠片保護操作。由此可見，從外框架鋼結構的安裝中，研究實際吊裝方案，有助于解決技術層面的問題，依靠對吊裝流程、順序的把控，有利于找到形成穩定性高的主體結構的方法，在實際吊裝過程中，確保超高層建筑施工的整體質量，結合鋼結構施工特點，增加施工單位的收益[3]。

5 結束語

從宏觀層面看超高層建筑的鋼結構加工與安裝具有明顯的經濟收益，究其原因，這種施工方式具備環保、綠色的屬性，應用的材料不僅能夠循環使用，還能夠確保超高層建筑的穩固性。從實際操作層面看，鋼結構加工的流程復雜，需要明確注意事項的同時，對鋼結構的性能進行把控，從而增加鋼結構加工、安裝的收益。