上海建筑工程逆作法工程技术研究中心是由上海市科委批准而成立的。它专门从事逆作法工程技术的研究、开发以及推广应用等工作。中心开展逆作法的研究、设计、咨询、施工、检测、培训以及标准编制等各项业务。并且,中心向社会提供公共服务,致力于推广这种“绿色、节能、高效、经济”的先进基坑施工技术。
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一、中国超高层建筑施工技术现状
我国的超高层建筑在施工技术方面,有若干技术已处于国际先进水平,且超高层建筑领域的设备已实现国产化。我国的塔吊生产技术发展较为迅速,能够生产出各种能够适应超高层建筑施工需要的自升式塔吊。在混凝土超高设备的泵送领域,我国已经达到了世界领先的水平。国产的大空间、大吨位、高速施工电梯也已经在 500 米级超高层建筑中成功应用。
超高层建筑朝着高度更高、结构形式更复杂以及施工进度要求更快的方向不断发展。在这个过程中,超高层建筑施工技术逐渐演变成了以超高层钢结构的制作与安装、高强混凝土的超高泵送以及模架施工技术为主的现代施工技术。
二、超高层建筑主要关键施工技术
超深基坑及地下室施工技术
超高层建筑地下室的施工方法有顺做法、半逆作法、全逆作法这三种。在这三种施工方法中,半逆作法是最为常见的。
顺做法施工:
顺做法遵循先深后浅的原则。地下室施工时全部采用从下至上的步骤。先完成地下室结构,然后再开始上部结构的施工。
顺做法优点是施工工艺成熟简单,缺点是施工周期长。
半逆作法施工:
半逆作法中,主体塔楼区域采取顺做法,而周边裙房采用逆作法。首先完成塔楼区域地下室的施工,接着在主体塔楼施工过程中,再对周边地下室采用逆作法进行施工。
建筑物上部结构的施工与地下基础结构施工可平行立体作业,这是半逆作法的优点,能有效缩短工期。同时,半逆作法的缺点是需采用双层围护结构,这会导致施工成本较高。
全逆作法施工:
全逆作法是在主体塔楼区域以及裙房区域都采用逆做法。在基坑支护和桩基完成之后,首先开始首层的施工。首层施工完成之后,既向上施工主楼,又向下施工地下结构。
半逆作法的优点在于施工周期得到了大幅缩短。其缺点是在前期,建筑物的荷载需要通过钢结构立柱来进行传力,并且在地下室中,梁柱等节点的混凝土浇筑存在困难。
超高层的基坑深度非常深,并且大多处在繁华的地带。在进行基坑支护时,一般会采用地下连续墙加上支撑(包括内支撑或者环形支撑)这种形式;也会采用地下连续墙加上拉锚的形式;还会采用排桩加上支撑的形式;以及采用排桩加上锚索的形式。
部分超高层基坑处于大型整体地下室中,这些基坑采用坑中坑设计。也就是说,大基坑采用一种支护形式,而坑中坑采用另一种支护形式。例如,十字门的大基坑采用桩锚支护形式,其坑中坑则采用桩撑支护形式。
高承载力大直径桩基施工技术
随着建筑物高度持续上升,对桩基的承载力要求在不断提高,桩长随之变长,施工的难度也在逐步加大。例如十字门塔楼的桩基直径达到了 2.4 米,其持力层抵达了微风化花岗岩,单桩的承载力设计值达到了 65900KN。还有部分超高层工程的桩基直径能够达到 4 米。
大直径嵌岩桩一般可采用旋挖成孔、冲孔成孔、潜孔锤成孔技术。
冲孔成孔的适应性较强,能够适应多种复杂的地质情况。然而,当遇到孤石或者嵌岩比较深的时候,施工速度会变得比较慢。可以运用水下(地下)爆破技术,先对孤石以及岩层进行爆破,然后再进行冲孔施工,这样就能够极大地提高工作效率。
嵌岩旋挖需要运用特种大功率的设备,潜孔锤则需要采用多孔组合的方式进行施工,这导致施工难度比较大,同时施工成本也比较高。
大直径灌注桩的钢筋笼钢筋规格与数量比普通灌注桩要大很多。这种灌注桩的桩长也比较长。因为采用孔口钢筋笼对接的方式,所以需要运用特殊措施以及钢筋连接工艺来进行施工。
大体积混凝土施工技术
超高层建筑高度较高超高层钢结构施工技术,其基础厚度较厚,一次性浇筑的混凝土方量很大。例如上海环球金融中心的基础,一次性能够连续浇筑 28900m³;上海中心的 6 米厚基础,一次性也能连续浇筑 60000m³。大体积且高强度的混凝土,其水化热较大,混凝土收缩也较大,裂缝控制的难度较大。
十字门塔楼的基础厚度在 4.0 米到 12.2 米之间。它采用了分层浇筑的方式。单次浇筑的最大厚度为 5.6 米。浇筑的方量大约是 6000 立方米。
超高层超大体积混凝土通常会采取以下措施:进行优化配合比设计;挑选出优质的原材料;选用中低热的水泥;大量掺入粉煤灰和矿物掺合料;运用聚羧酸系高性能减水剂;采用蓄热保温保湿的养护方式;实施实时温度检测等综合控制手段。
高强混凝土超高泵送施工技术
超高层建筑的混凝土具有强度高且粘度大的特点。随着泵送高度不断增加,泵送施工变得越来越困难。随着材料性能以及设备性能持续提升,我国在超高层泵送领域创造了多项世界纪录,例如深圳京基大厦创下了 C120 超高强混凝土一次性泵送 417 米高度的纪录。
超高层每层的混凝土浇捣方量比较大。在进行混凝土浇筑时,一般会采用 2 泵 2 管且一泵到顶的施工技术。
应用双泵技术,当 1 组出现故障时,另 1 组能够继续工作,这样可以避免因输送中断而导致质量事故。
高度较高的巨高层建筑一般会增加备用泵及管路系统。
超高层高压泵具备专项管道水洗技术,该技术利用砼活塞、能自动补偿磨损间隙的眼镜板、切割环以及管路的良好密封性。通过水洗技术,直接借助混凝土泵进行泵送水洗,这样就能实现泵送多高,水洗就有多高。水洗输送管能够最大程度地利用管道中的混凝土,从而减少混凝土的浪费以及对施工环境的污染。
模架施工技术
在超高层建筑领域,大型塔吊和钢结构安装技术越来越成熟。混凝土核心筒结构施工是影响整体施工的重要环节。模架体系的先进性和科学性成为制约整个混凝土结构施工的关键因素。模架体系通常有多种形式,比如滑模体系、液压单片爬升体系、液压整体爬升体系、液压整体提升体系、智能化整体顶升体系等。经过多年的发展,如今常用的有液压整体爬升体系和智能化整体顶升体系这两种模式。
液压爬升模板及平台通过附着在已浇筑混凝土上的轨道来作为受力构件,以此实现逐层爬升。
全自动液压爬升系统提升了模板系统的自动化水平,让操作人员的工作强度得以减轻。它的爬架系统是封闭的,能够用来放置钢筋等物品,如电箱、电焊机、工具箱以及常用材料等。同时,在底部设置了悬挂安全平台,以此防止高空坠物,为操作提供了合适的环境以及安全保障。
自动液压爬模脚手模板体系包含模板系统。钢平台系统位于整个体系的顶部,它既是施工人员的操作平台,又是液压布料机的放置场地;脚手系统起到施工人员上下通道的作用,同时也是钢筋绑扎、模板安装的操作空间;悬挂脚手架采用滑移式设计方法,能够满足核心筒墙体收分施工的需求;模板系统采用定型轻型大模板,在施工时会跟随构架平台体系一起爬升;支撑系统搁置在墙体上,承担着构架平台施工时的荷载;整个体系借助油缸的顶升和回提,随着核心筒墙体的施工完成每一层的爬升。
液压顶升模板及平台以低于已浇筑混凝土的钢梁作为受力构件,然后进行逐层顶升。
顶模依靠长行程且大吨位的液压双作用油缸顶升体系,一个行程便能顶升一个结构层,能够在极短的时间内把全部顶升工序完成,从而加快施工速度。
液压提模板及平台台技术
整体提升模板及平台系统是利用高于已浇筑混凝土内的格构柱当作受力构件,然后进行逐层提升。
整体提升操作平台系统包含三个主要部分,分别是结构平台、支承格构立柱以及提升动力系统。
超高层钢结构施工技术
超高层钢结构的安装存在诸多难度,包括安装高度高、构件重量大、操作面狭小、倾斜及悬臂构件多、安装顺序复杂等。超高层钢结构都采用塔吊吊装的方式,而塔吊的布置以及选型是完全由钢结构安装方案所决定的。其关键技术有超高层钢结构安装技术、空间结构施工技术、大悬臂安装技术、多角度全位置异性钢结构焊接技术。
超高层混凝土核心筒与外框钢结构采用错层施工,混凝土与钢结构收缩量不同。在每个施工阶段以及施工结束后,结构外框巨型柱与核心筒之间有竖向差值。此差值会使水平构件(内外筒刚性连接梁与楼板、伸臂桁架等)产生附加应力,需依据仿真计算结果进行修正,并采取相应施工措施来解决。
钢—混凝土组合施工技术
钢与混凝土的各自优势被钢—混凝土组合结构充分利用了超高层钢结构施工技术,它是常用的超高层结构形式,主要包含钢管混凝土和型钢混凝土这两种形式。大直径多隔板钢管混凝土在施工时,其密实性是最主要的难点,而密集钢筋与钢骨柱的连接以及在狭小空间进行混凝土浇筑,则是型钢混凝土的最主要难点。
超高层幕墙施工技术
超高层结构的幕墙单元面积较大,安装高度较高,并且与结构存在错层施工的情况。幕墙安装需要充分运用塔吊、施工电梯、悬臂吊以及卸料平台等设备,这使得施工组织的难度变得很大。
超高层设备安装施工技术
超高层结构的设备安装高度较高,且设备重量较重,所以需要采用塔吊来进行安装。在进行塔吊选型以及施工电梯选型时,必须要考虑设备的重量以及外形尺寸。同时,设备安装工作需要在结构施工阶段完成。
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超高层施工设备选择
超高层施工的主要施工设备包含大吨位自升式塔吊、大尺寸高速施工电梯、液压模架系统以及超高泵送设备系统。设备的布置以及选型具有科学性,这是超高层建筑施工的关键所在。
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超高层测量技术
超高层建筑大多采用混凝土核心筒与钢框架的组合结构。在施工过程中,其内外筒的竖向压缩变形存在差异。随着建筑物高度的不断增加,测量工作会受到环境温度变化以及日照的较大影响。
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超高层总承包管理
超高层建筑施工涉及的专业众多。需要多个专业进行交叉阶梯施工。各专业都需要共同使用塔吊以及施工电梯等垂直运输设备。各专业之间的施工布置以及协调工作的难度是很大的。