钢结构工程施工创新技术范文

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上海中心大厦总高632m，建筑形态呈旋转收缩上升态势，由主体结构、内幕墙和外幕墙等组成(见图1);采用“巨型柱-核心筒-伸臂桁架”抗侧结构体系，以加强桁架层(8道，其中第1道和第3道不设有伸臂桁架)为界，共分为8个结构分区;每个结构分区之中，内外幕墙之间自然形成3个垂直中庭大堂。钢结构主要应用于主塔楼核心筒和外围框架、塔冠结构、外幕墙柔性悬挂钢支撑结构，如图2所示，总用钢量达12万t，板材最厚达140mm。结构体量巨大、体系复杂，且具有复杂的功能性需求，采用常规的建造技术已经无法满足工程施工需要。本文将以各个建造阶段不同的需求为主线，以钢结构工程施工建造技术(施工模拟、施工控制、施工工艺、施工装置等)为辅线进行施工创新技术的梳理和介绍，希望能够为今后超高层建筑施工技术的发展提供借鉴。

1钢结构幕墙一体化深化技术

上海中心大厦钢结构工程与其他相关专业界面众多，涉及土建结构、钢结构、幕墙等专业。各专业系统的空间关系极为复杂，传统的CAD技术无法清晰地表明各专业之间的相互关系，施工图纸上不可避免地存在着“结构碰撞”和“工艺空间不足”等问题。按照传统的按图深化、按图施工，将影响工程推进的效率。借助BIM模型和模拟技术，以及信息化、数据化、参数化的特点，实现设计图纸和深化图纸间的有机衔接。在施工图设计阶段，建立基于施工图的各专业设计BIM模型，通过合模发现和解决各专业施工图纸，尤其是结构与幕墙、结构与机电相互之间存在的“硬碰撞”和“软碰撞”问题，并形成正确的设计BIM模型;在深化图设计阶段，以设计BIM模型为基础，进行土建、钢结构、幕墙等专业一体化深化设计工作，同时协调结构、机电管线及装饰之间的空间定位及界面关系。并通过BIM深化设计的建模和合模，再次校核上述问题，形成准确的深化设计模型，指导或自动生成深化设计图纸，弥补设计图纸深度不足、提高深化设计效率。图3为典型结构分区钢结构幕墙合模进行碰撞检查的案例。

2主楼钢结构施工模拟分析及控制技术

2.1竖向变形分析及控制技术超高层建筑竖向变形分析及施工控制一直是超高层结构施工的关键技术，通过吻合施工流程和工况的全过程施工模拟计算分析确定各施工分段的竖向变形补偿值(见表1)以及伸臂桁架的终固方案(见表2)，有限元模型如图4所示。主要计算假定如下:①收缩徐变计算模型考虑巨型柱配筋率和劲性结构的影响;②核心筒剪力墙和巨型柱中使用水泥为快硬高强水泥;③环境湿度取为70%;④巨型柱和核心筒剪力墙的加载龄期均取为5d，施工速度为5d/层;⑤核心筒领先楼面钢结构12层施工，楼板浇筑落后楼面钢结构8层;⑥待楼层施工到第2层伸臂桁架时再把第1层伸臂桁架终固。实际监测结果表明各结构分区相对变形的实测值与理论值差值基本控制在10mm之内，主楼绝对标高的实测值与理论值基本控制在50mm之内，达到设计要求。伸臂桁架终固方案分析和实施:①方案1施工各伸臂桁架时直接固死;②方案2首次施工到伸臂桁架时先临时固定，待施工到第2层桁架层时再把第1层伸臂桁架终固。比较结果如表2所示。方案1竖向变形差异产生的伸臂桁架内力最大，轴力应力比最大值为12.2%;方案2竖向变形差异产生的伸臂桁架内力次之，轴力应力比最大值达到5.5%，其余均控制在5%之下。应力监测结果也验证了理论分析结果的合理性和可靠性。通过比较可以看出，采用方案2对伸臂桁架施工较为合理，基本不会影响其在抵抗风荷载或者地震荷载时发挥作用，且根据工程总进度计划，外幕墙钢支撑施工必须进行流水搭接施工，如若不对伸臂桁架进行终固，整个幕墙系统的变形控制将变得更为复杂和难以控制。

2.2塔冠钢结构施工模拟分析及控制技术从8区加强钢桁架层以上直至632m属于塔冠钢结构的范围，由核心筒、转换层(斜柱+楼面钢梁+混凝土楼板)、八角钢框架、鳍状钢桁架4部分结构组成(见图5)。由于转换层结构的存在，其施工流程及方案确定变得极为重要，否则将造成转换层钢结构的应力和平面扭转变形的增大，从而造成施工完成状态无法满足设计的要求。通过多个施工方案的施工全过程模拟分析，最终确定了如下施工流程:①126F～128F八角框架结构施工;②129F～132F八角框架结构施工，同时穿插119F～121F南北两侧转换层钢结构施工;③119F～121F东西侧转换层钢结构施工;④按照从121F～119F的顺序进行楼面混凝土浇筑;⑤分节段进行鳍状桁架钢结构施工。施工模拟分析结果表明，在塔冠钢结构持续施工的过程中，转换层的扭转变形从最初的2.8mm发展到最终的10mm左右;应力的分布和大小均满足设计要求。

3外幕墙钢支撑结构施工技术

外幕墙钢支撑结构具有其独特的结构特性，整个系统由柔性拉棒、水平钢支撑、悬挑主结构、变形协调群支座等部分组成。柔性拉棒主要提供竖向刚度，水平钢支撑提供水平刚度，群支座协调由于风或地震产生的主楼侧向摆动引起的主体结构与钢支撑系统不均匀变形，整个系统吊挂于加强桁架层的悬挑结构上。外幕墙钢支撑结构作为外幕墙板块的支撑系统，其施工的精度和进度将直接影响后道工序(内外幕墙系统)的施工，所以结构变形分析和施工控制，以及解决在悬挑加悬空的位置进行结构安装难题是创新研究的重点。

3.1变形分析及控制技术外幕墙钢支撑与主体结构相互关系如图6所示，施工阶段产生的变形主要由3部分组成:悬挂结构所依附的主体结构竖向变形、悬挂结构产生的竖向变形、钢支撑结构的竖向变形。其中，悬挂结构所依附的主体结构竖向变形已在主体结构竖向变形中进行分析和控制，限于篇幅，本文将以2区为例重点对其余2个变形进行分析和研究。1)悬挂结构产生的竖向变形分析及设计优化外幕墙钢支撑结构及幕墙板块依靠25组挂点吊挂在顶部加强桁架层悬挑楼面下方，其吊挂点位的变形对外幕墙系统的竖向变形影响较大，尤其是相连挂点之间不均匀变形将会对外幕墙系统存在较大危害。2区幕墙支撑体系悬挂点位布置及悬挂点楼面梁体系如图7所示。经过计算比较和设计调整优化，最终通过对悬挂吊点楼面体系的刚度进行调整的方法(悬挂点区域主结构钢梁截面增加，以及增加吊点梁杠杆效应)，将吊挂点的绝对和相对变形均控制到幕墙板块允许的范围之内。在吊点区域楼面刚度调整前后，25组吊挂点的竖向变形对比如图8所示，刚度调整得到极大改善。同时，刚度调整后，钢支撑逆作施工和幕墙板块顺作施工引起的不均匀变形控制在20mm之内，如图9所示，达到幕墙设计的安全性和功能性要求。2)钢支撑结构施工变形分析及控制2区外幕墙钢支撑结构施工时，变形主要由2部分构成:幕墙支撑的钢拉棒顶部悬挂点位竖向变形、钢拉棒伸长变形，施工过程也将根据2部分的数值分别进行预变形控制，2区钢支撑楼层及吊点编号如图10所示。钢支撑结构顶部吊挂点位标高预调整控制:根据变形分析计算结果，对加强桁架层对应钢支撑结构吊点位置的标高进行施工预调整，确保钢支撑及幕墙板块施工完成后标高控制在设计允许的误差范围之内(±10mm)。钢支撑结构施工标高预调整控制:每层钢支撑结构的环梁安装时，需要综合考虑顶部吊挂点位的变形、钢支撑施工引起钢拉棒的变形、幕墙板块施工引起钢拉棒的变形，最后汇总得到“外幕墙钢支撑结构施工各阶段变形控制图”。并以此为依据对钢支撑的安装标高进行标高预调整，确保幕墙板块施工完成时，25个吊点水平度能够满足设计要求。在实际施工过程中，及时跟踪实测了25个悬挂点位变形情况，并与理论计算进行比对，图12为2区的对比结果，两者趋势基本一致，且数值较为吻合，误差基本控制在10mm之内，考虑到温差影响及测量误差的影响，施工精度和变形控制的效果达到预期效果。

3.2施工技术钢支撑结构属于独立施工线路，且亦属于关键线路，主体结构施工塔式起重机除服务好主体钢结构施工外已无法满足此分项工程的施工进度要求，所以创新使用了3台弯轨行走式塔式起重机以满足施工需求。行走式塔式起重机设置在各结构分区顶部悬挑楼面上，塔式起重机型号为QD10B。另外，为满足钢支撑结构在悬挑及悬空区域施工操作需要，创新设计了超大型整体悬挂式升降式平台。平台设计时充分考虑上海中心大厦8个结构分区外幕墙钢支撑结构旋转内收的特点，采取模块化的思路，在保证施工平台安全的同时，尽量做到通用以适用于8个分区钢支撑的施工要求，节约施工成本和提高施工效率，并具有可推广和应用的价值。钢支撑结构施工工艺如图13所示。

4巨型动臂式塔式起重机外挂施工技术

上海中心大厦主楼选用4台2450t•m的巨型塔式起重机，十字对称外挂于核心筒墙体外侧。需要设计安全可靠的爬升支架系统确保大型塔式起重机的使用、爬升和平移，以配合完成主体钢结构工程的施工任务。借助广州电视塔等工程实践经验对传统爬升支架进行改进创新，将塔式起重机的荷载直接传递至核心筒结构墙体节点区域，避免了核心筒外墙的加固，从而减小对核心筒内部施工的干扰，并节约了施工成本。同时，随着爬升支架外挂核心筒外墙体厚度的减小，外挂塔式起重机的中心与核心筒外墙壁的距离将增大，创新实践了塔式起重机高空平移的新工艺，突破了爬升支架加长改造的传统工艺。爬升支架荷载传力情况如图14所示，三维模型如图15所示。

5外幕墙钢支撑结构滑移支座国产化研发技术

为了协调上海中心大厦外幕墙体系与主体结构之间由于风荷载或地震作用产生的竖向差异变形，在外幕墙钢支撑结构上设置了众多(近千套)机械滑移支座。原本根据设计要求，滑移支座需要采用全进口支座，但经过多方讨论研究和试验，全进口成品支座不仅存在自锁以及与结构系统不匹配等技术问题，而且采购周期长、成本高，无法满足工程实际需求。于是，经过长达2年的研究，立足于结构体系的高度，通过传力路径优化、减磨材料选型、滑移构造优化、增加滑动主动力等一系列措施，创新研发了满足工程需求的国产化机械滑移支座:短于2m径向支撑滑移支座、底部水平滑移支座、底部垂直滑移支座、凸台滑移支座、关节轴承支座。

6电涡流阻尼器国产化研发及施工装配技术

在超高层建筑的顶部往往设置调谐质量阻尼器来进行风振和地震响应控制，一般采用液体阻尼杆调谐质量阻尼器，如台北101大厦。电涡流调谐质量阻尼器作为一种新型的阻尼器已逐渐推广和应用至超高层建筑，具有高效、环保及免维护等优点，当超高层建筑发生摆动时，吊挂在超高层建筑顶部的质量箱系统将带动电涡流系统的磁钢组件在电涡流系统的铜板上发生相对移动，从而将结构振动的能量转化为热能。上海中心大厦阻尼器设置在125层上方中庭之中，通过4组12根钢索悬挂在131层楼面系统上，结构质量约1000t，由电涡流系统、质量箱、吊索和锚固、调谐框架等部件组成，是第1个国产化电耦流阻尼器，如图16所示。电涡流阻尼器的施工较为复杂，且没有成功的经验可借鉴，根据电涡流系统和质量箱系统施工精度要求高及施工周期长的特点，创新提出一种并行施工装配技术，包括隔离胎架施工技术、同步顶升和下降施工技术、电涡流系统组装技术、质量箱系统组装技术和质量箱与电涡流系统对接施工技术等。此组合施工技术不仅给高精度的装配提供了良好的施工环境和操作空间，而且极大地提高了施工速度。

7超高空塔式起重机置换及拆除施工技术

超高层建筑巨型塔式起重机的置换及拆除历来属于施工领域的重点和难点，在上海中心大厦建造过程中，充分利用塔冠八角框架的主体结构，结合局部加固处理的技术成功设计了新型塔式起重机基础，实现了超高空4台巨型塔式起重机到M900D塔式起重机置换，图17为M900D塔式起重机转换基础设计。另外，针对结构立面急剧收分的不利工况，应用“中拆大、小拆中、小自拆”技术成功实现了超高空M900D塔式起重机的拆除。施工创新技术如下:①充分利用塔冠外侧主体螺旋式的空间桁架结构设置拆塔机械基础转换基础，转换基础由平面框架、立柱和抗侧支撑等部分组成，其中平面框架与拆塔机械进行连接，立柱分别与平面框架和主体桁架钢管柱连接，立柱之间设置抗侧支撑;②合理优化拆塔流程，利用ZSL380双机抬吊拆除M900D塔式起重机，利用ZSL200拆除ZSL380;③根据结构立面收分20m和超高空的不利工况，定型设计ZSL120塔式起重机产品，用于拆除ZSL200;④ZSL120完成自拆，并通过永久电梯运输至地面。

8结语

通过上海中心大厦钢结构工程的成功实践，本文将科技创新与工程实施有机结合，从深化设计、结构安装、施工装置、施工工艺等多个方面重点提炼和总结了工程实施中成功应用的施工创新技术，将为今后超高层建筑施工技术的发展提供技术手段和参考资料。1)借助BIM模型和模拟技术，将钢结构与幕墙进行一体化深化技术，不仅可以通过合模发现和解决各专业施工图纸上存在的矛盾和问题，尤其是专业之间的软硬碰撞问题，而且可以实现设计图纸和深化图纸间的有机衔接，提高深化设计的效率。2)通过对主楼进行竖向变形模拟分析，为结构标高的施工控制和伸臂桁架终固实施确定提供了理论依据;对塔冠施工流程进行事先的模拟分析，确定了合理的施工顺序和方法，有效地控制了施工过程中转换层结构的扭转变形。3)通过对外幕墙钢支撑结构与主体结构进行施工模拟分析，调整和优化了悬挂点位的吊挂刚度，并给出了钢支撑施工预变形的理论数值;同时，创新设计和使用了弯轨式行走塔式起重机和整体悬挂式升降平台，成功解决了吊挂钢支撑结构在悬挑加悬空的位置进行结构的高精度施工难题。4)创新研发巨型动臂式塔式起重机外挂爬升支架装置，不仅实现了塔式起重机所依附的核心筒墙体免加固处理，而且通过塔式起重机的高空平移，成功解决了由于核心筒外墙厚度减少所带来的爬升支架加长改造难题。5)立足于结构体系的高度，通过传力路径优化、减磨材料选型、滑移构造优化、增加滑动主动力等一系列措施，创新研发了满足工程需求的外幕墙钢支撑结构所需的国产化机械滑移支座。6)实现了千吨级电涡流阻尼器在超高层建筑上首次应用，并根据电涡流系统和质量箱系统施工精度要求高及施工周期长的特点，创新提出一种并行施工装配技术。7)充分利用塔冠八角框架的主体结构，结合局部加固处理的技术成功设计了新型塔式起重机基础，实现了超高空4台巨型塔式起重机到M900D塔式起重机置换;针对结构立面急剧收分的不利工况，应用“中拆大、小拆中、小自拆”技术成功实现了超高空M900D塔式起重机的拆除。

作者：贾宝荣 陈晓明 单位：上海市机械施工集团有限公司