曾军伟
中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081
摘要:超高层建筑自诞生至今，已走过近九十年的历史，随着城市化建设的推进，现代化的超高层建筑不断涌现，在建造总量、高度、层数和体量等方面不断有新的突破。本文针对超高层建筑结构特点和结构施工的施工难点，对超高层结构工程开展了关键技术研究，并进行深入的剖析与创新攻关，并进行超高层建筑施工技术储备与积累，为国内同行提供同类工程施工的可供借鉴的经验。
关键词:超高层建筑；结构施工；施工难点； 关键技术
超高层建筑，往往是一个城市或一个区域的标志性建筑，建筑结构形式更加多样、复杂。特别是100层左右超高层建筑工程的结构施工，在工程施工中确保工程质量、实现安全生产、保证合同工期，并促进企业经济效益提高、企业技术进步和可持续发展，就更具有现实意义。
1 工程概况
本工程用地面积34293.22平方米，总建筑面积387880.64平方米，其中地上建筑面积 274263.76平方米，地下建筑面积113616.66平方米。地上备份包括三栋建筑，塔楼和东、西配楼。其中塔楼为94层，建筑面积261115.45平方米，高度428米，设计为办公、SOHO、酒店等功能。东西配楼分居塔楼两处，保持对称关系，均为地上4层，建筑面积分别为6077.02平方米、7071.29平方米，建筑高度22.5米，功能为商业和会议中心。地下共四层，基础埋深24.50米，主要功能为设备用房、停车场、酒店后勤服务以及人防功能，建成后将成为一重要地标性建筑。
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图1 双子塔广场效果图
2 施工重难点
2.1超高层施工的垂直运输管理
（1）超高层建筑物施工中，垂直运输设备的运能是超高层施工的生命线，也是施工组织的瓶颈。
（2）混凝土最大泵送高度达402.8米，混凝土强度高达C70，对泵送设备及泵管布置要求高。
（3）工期紧，用工数量多，施工高峰期每天有大量人员通过施工电梯进入到各个楼层进行施工，还有大量的材料、设备需要进入施工楼层。
2.2钢板剪力墙结构施工
本工程核心筒结构剪力墙内几乎均有钢板，设置钢板厚度为10～50mm不等。
（1）暗柱、暗梁、连梁等钢筋密度大的部位，剪力墙钢板与结构纵向受力钢筋、箍筋、拉钩等相互交错，施工难度非常大，效率极低。
（2）梁柱纵向主受力钢筋、墙体拉钩、封闭箍筋与钢板相交部位，施工难度较大。
（3）钢板剪力墙混凝土浇筑施工组织难度大，浇筑速度和质量受到较大影响。
（4）由于钢板剪力墙墙体长，钢板刚度大，墙面裂缝控制是难点。。
2.3大体积、超高泵送混凝土施工
（1）本工程混凝土泵送高度达402.8m，塔楼底板厚度5m且结构混凝土强度等级高、单次浇筑方量大。
（2）剪力墙厚度达1600mm，巨型柱截面面积大，混凝土强度等级高达C70，均属于大体积高强混凝土，施工质量是关键
2.4钢筋及模板工程施工
(1)本工程钢筋直径 18mm 以上的连接方式采用直螺纹连接，加强钢筋加工精度、连接质量，控制接头强度和接头百分率符合规范要求。
(2)加强对钢骨与钢筋交叉的图纸深化设计工作，以保证钢筋与钢骨之间的位置准确，减少安装的难度，达到设计要求。
(3)针对核心筒墙体及外框柱的截面尺寸大、净高高等特点，塔楼核心筒地上墙体在 3 层以上选择液压爬模（大钢模），核心筒墙体在 2 层及以下、地下车库均采用 18 厚多层板，外框柱地库及地上均选择 18mm 厚多层板；加固均采用双[10 槽钢、φ16 高强螺杆等。进行大模板设计、计算、组装，并根据楼层层高的不同进行改装以增加周转率，事先对螺栓无法加固避开钢构件时，可经设计单位认可，在钢骨柱出场前预先焊接好连接套筒用于模板对拉螺栓。
(4)对楼板支撑采用碗扣架等支撑方式，对超高超重的模板支撑体系须经专家论证；主楼核心筒墙体采用液压构架平台脚手模板体系。构架平台可用于放置整层钢筋、布料机、电箱、工具箱、常用材料等。悬挂脚手架与钢平台围档形成的整体全封闭空间，操作环境适宜，安全有保证。脚手架底部的封闭式构造设计可防止高空坠物，满足立体施工需要。
3 结构施工关键技术
3.1垂直运输机械设备选择
（1）塔吊：本工程塔楼高度为428m，配楼最高为22.2m，塔楼地上建筑面积约为261677m2。结合本工程的实际情况及工期要求，垂直运输机械拟采取以下设备（见表1）。
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(2)施工电梯：本工程采取通道塔附着和塔楼内附着相结合的方案，68F以下，在建筑物外设置独立的通道塔，横向通过每层铺设一条3m宽的走道与建筑物各楼层相连通，通道塔除走道外的其余三面共安装5台变频双笼施工电梯，形成完整的运输通道。施工电梯通过三面与通道塔附着连接，在到达停靠楼层后，先进入通道塔，再通过通道塔与楼层的连接通道进入楼层。68F以上主体施工时，在68F楼面设置2台双笼施工电梯。布置见图2
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图2 施工电梯布置图
(3)砼泵送：
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本工程混凝土最大泵送高度需达405m，根据超高泵送C35混凝土技术指标要求（见表2）及超高泵送C60混凝土技术指标要求（见表2），在100m以下选择2台HBT80C-1818D3C型固定泵进行混凝土泵送，另外配备1台备用泵，100m以上采用2台HBT90CH-2135DA型高压固定泵进行混凝土输送，另外配备1台备用泵。根据核心筒尺寸以及外框柱和楼板混凝土施工性能要求，选用2台HGY18型布料机。设备参数见表4
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3.2 核心筒爬升平台方案
（1）模架选型：通过对各类核心筒施工方案及对应模架的进行比较，在考虑核心筒结构特点的基础上最终选用微凸点低位顶升钢平台模架体系（顶模）作为施工模架，并采用与之对应的核心筒施工方案。见表5
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综合分析，新型凸点顶模模架施工工艺具备支点布置灵活、适应性强、承载力大，施工速度快、模架抗侧刚度大（适应海南台风天气）、整体性好、运行安全、高效等优势，有效缓解了核心筒内筒狭小与大型设备布置空间不足的矛盾、支撑体系穿墙对结构稳定的影响等，同时模架自身各关键点均配设先进的监测装置，可实时检测监控模架的运行状态、环境情况，以确保模架运维安全、可靠等，特别是该模架独创的混凝土单侧微凸支点布置技术对核心筒外墙截面收缩以及墙体整体倾斜适应性良好，是本工程核心筒剪力墙施工模架的最佳选择。
（2）模架系统组成及功能
凸点顶模主要由支撑与顶升系统、钢框架系统、模板及附属设施系统组成。钢框架系统类似一个“罩”在核心筒上部的巨型钢“匣套”，通过支撑与顶升系统支撑在内核心筒墙体上，模板及附属设施悬挂或附着在钢框架系统顶部及四周。核心筒施工时作业人员利用钢框架系统作为作业面吊焊钢构件、绑扎钢筋、支设模板、浇筑混凝土。模架整体随着核心筒施工高度的增加利用外围的支撑与顶升系统不断向上爬升，完成上部混凝土墙体的施工作业。
钢框架系统主要由刚性框架、主桁架、次桁架等纵横焊接连接成型，构成整个模架体系的受力骨架。模架运行时，模板及附属设施系统依托刚性框架主、次桁架附着在架体上，钢框架系统随同模架同步提升。支撑与顶升系统支撑在核心筒外剪力墙上，支点由混凝土承力件、上支撑架和下支撑架及位于上下支撑架之间的顶升油缸构成。模架系统运行时，顶模模架整体施工荷载通过上、下支撑架利用挂爪箱咬合承力件传至核心筒混凝土墙体。模板及附属设施系统包含模板、挂架及定型防护等设施，满足模架纵向施工、安全及防护构造。
（3）凸点顶模施工流程
核心筒施工时，先绑扎上层核心筒钢筋，待钢筋绑扎完成及下层混凝土达到强度后，拆开模板开始顶升，顶升时，仅下支撑架支撑在核心筒墙体上，上支撑架随模架一起顶升，顶升到位后上支撑架支撑至上层核心筒墙体，模板随之顶升一个结构层，就位后通过油缸提升下支撑架，支撑至上层墙体，完成顶升过程。调整模板，合模固定后，浇筑混凝土。见图3
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图3 模架平台施工图
3.3模板系统设计
目前超高层剪力墙常用的模板主要有大钢模板、钢框木模大模板和铝合金模板等，其相应的特点如下（见表6）。
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考虑到本工程外剪力墙厚度较大，L41层以下部分外剪力墙厚度均超过1m，属于大体积高强混凝土。为避免大体量混凝土外表面散热过快导致内外温差过大，保证混凝土浇筑质量，综合考虑工程特点，本工程拟定选用钢框木模大模板，该模板体系由方钢管背楞、木模板、对拉螺杆和保温材料构成，相比于金属模板，其具有重量轻、安拆及加固方便、保温效果好、造价相对较低等一系列特点。
本工程钢框模板体系构造如下：钢框选用40×100×3方钢管次背楞40×100×4双方钢管主背楞，模板选用18mm厚WISA面板，加固选用Φ15高强对拉螺杆。钢框之间采填充50mm阻燃性挤塑板或玻璃岩棉被，墙体避免混凝土浇筑时，外表面散热过快，保证超厚剪力墙的养护质量。
大模板分标准模板、非标准不变模板、直角角模、异型角模进行配置。模板配置时尽量减少模板的变化，达到配模一次性成功，尽可能的减少补偿模板的配置。首层至3层由于核心筒角部倒角的影响，施工时需更换角模。
3.4钢管柱内混凝土浇筑
(1)施工方法选择：本工程钢管柱内混凝土浇筑采用高抛免振自密实砼法保证混凝土的密实度，对于节点区域辅助以人工采用高频振动棒振捣。所有钢管混凝土均采用微膨胀自密实混凝土。
(2)混凝土浇筑：采用布料机泵送自密实微膨胀混凝土，混凝土采用串筒下料，串筒底部距离浇筑面3m，每浇筑3m高进行一次振捣，振捣沿钢管柱外侧至中部，振捣点间距0.3~0.4m，每点振捣时间控制在15~20s。当浇筑至距钢管柱顶500mm左右时，停止泵送混凝土，待泵管内砼自由流淌至钢管柱内，用钢钎探测浮浆厚度，人工用泥桶将钢管柱上浮浆清除；若浮浆清理后浇筑面距管口距离大于0.5m，采用塔吊、料斗浇筑至钢管柱顶以下0.5m为宜。
(3)施工缝处理：钢管柱顶部浇筑面混凝土终凝后，立即进行施工缝凿毛和表面浮浆剔凿，直至露出骨料均匀分布的混凝土面，并清理干净。施工缝处理好后报请业主、监理验收并留照片资料。同时为防止雨天钢管柱内积水，在钢结构深化设计和制作时在每节钢管柱距离上口500mm处在钢管壁开直径20mm孔，用于钢管柱积水排除。
3.5大体积砼裂缝控制措施
大体积砼砼结构由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩应力是导致砼产生裂缝的主要原因；因此大体积砼裂缝控制主要是控制大体积砼的温度裂缝。
(1)降低水泥水化热和变形：选用低水化热或中水化热的水泥品种配制砼，如矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰水泥。充分利用砼的后期强度，减少每立方米砼中水泥用量。根据试验每增减10kg水泥，其水化热将使砼的温度相应升降1℃。使用粗骨料，尽量选用粒径较大，级配良好的粗细骨料；控制砂石含泥量；掺加粉煤灰等掺合料或掺加相应的减水剂、缓凝剂，改善和易性、降低水灰比，以达到减少水泥用量、降低水化热的目的。在拌合砼时，可掺入适量微膨胀剂或膨胀水泥，使砼得到补偿收缩，减少砼的温度应力。
（2）降低混凝土温度：参加相应的缓凝型减水剂，如木质素磺酸钙等；控制水泥的出场温度，混凝土用料及搅拌站采用遮阴防晒，对砂石料堆洒水降温；在拌合水中加入松散细粒径碎冰携，一般为60~80kg/m3，做到搅拌后立即运往工地进行搅拌，罐车覆盖隔热措施，减少冷量损失；输送泵管外包25mm厚橡塑海绵板；选用较适宜的气温浇筑大体积砼，尽量避开炎热天气浇筑砼。
（3）加强施工中的温度控制：在砼浇筑之后，做好砼的保温覆盖、保湿养护，缓缓降温，充分发挥徐变特性，减低温度应力，夏季应注意避免暴晒，注意保湿，以免发生急剧的温度梯度发生；采取长时间的养护，规定合理的拆模时间，延缓降温时间和速度，充分发挥砼的“应力松弛效应”；加强测温和温度监测和管理，实行信息化控制，随时控制砼内的温度变化，内外温差控制在25℃以内，基面温差和基底面温差均控制在20℃以内，及时调整保温及养护措施，使砼的温度梯度和湿度不至过大，以有效控制有害裂缝的出现；合理安排施工程序，控制砼在浇筑过程中均匀上升，避免砼拌合物堆积过大高差。在结构完成后及时回填土，避免其侧面长期暴露。
（4）改善约束条件，削减温度应力：采取分层或分块浇筑大体积砼，合理设置水平或垂直施工缝；剪力墙面层钢筋在征得设计院同意的基础上拟进行等强代换，将水平筋设置成“细而密”，增强剪力墙抗裂性能。
（5）提高混凝土的极限拉伸强度：选择良好级配的粗骨料，严格控制其含水量，加强砼的振捣，提高砼密实和抗拉强度，减小收缩变形，保证施工质量；采取二次振捣法，浇筑后及时排除表面积水，加强早期养护，提高砼早期或相应龄期的抗拉强度和弹性模量。
（6）循环冷却水管道降温措施：塔楼底板厚度达5.0米，混凝土散热条件较差，且邻近热带地区，平均气温较高，为控制底板内部温度，经温控试算，将采用外径52mm壁厚4mm薄壁钢管成S形焊接组成，水平向间距1.5m，竖向等间距设置3层冷却水管，水管和架立钢筋绑扎牢固，并与承台主筋及钢板错开。在承台外侧设置水箱及供水、回水系统，水箱安装调整流量的水阀和测试流量的设备，与冷却水管采用软管连接。冷却循环系统安装完成后在混凝土浇筑前需进行通水试验检查漏水情况。（见图4）
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图4 循环冷却水管布置图
温度控制及监测：当混凝土浇筑高度超过冷却水管位置并振捣密室后即可进行通水。冷却水管流量控制在1.2~1.5m3/h，经过计算进出水口的温差应不大于6℃。温度上升较慢时，可采用水箱内的水进行循环，当发现进出口温差过大时或水温和混凝土内部温差超过25℃时，换用水井内低温水源进行循环，同时加快水流速度。
冷却水管压浆封闭：在混凝土达到内表温差小于20℃，大气温度与温凝土表面温度小于20℃条件后，即可停止通水降温，可对承台内预埋的冷却水管进行压降处理。浆料采用42.5级低碳硅酸盐水泥，水胶比≤0.3，流动度控制在30~50s，体积收缩率应小于1%，压浆密实饱满。
4 结语
超高层结构施工是一项技术难度和工艺复杂程度都比较高的工作，根据结构的特点、施工的环境和资源确定技术路线和关键工艺，是施工成败的关键。
参考文献：
[1]张家明．《超高层建筑土建施工关键技术的研究和应用》．建筑施工，2011，33(10)
[2]张静、张俊、纪扬.《高层建筑结构转换层施工技术要点》.施工技术.2007；36（4）