高层建筑主体结构工程与施工技术

高 毅

(湖北省武汉市黄鹤楼公园管理处，湖北武汉 430060)

1 概述

在近代经济快速的发展与科技技术的进步导致了高层建筑出现了很大的改变，高层建筑的发展距今已经有100多年的历史了。世界上主要的高层建筑出现在美国、加拿大等国家中。这一现象一直持续到20世纪80年代末期，世界上高层建筑主要还是分布在北美洲。在1991年有一个公布世界建筑的排行表，在前100座最高的建筑中，美国一个国家占据了78座，墨西哥1座，加拿大5座，也就是说北美洲占了84%，成为了最高世界建筑的主要地区。

1.1 我国近代高层建筑的发展

第一阶段:新中国成立到20世纪60年代末期。这个阶段的建筑主要是在20层楼以下，建筑的结构主要是框架的形式。

第二阶段:70年代这个阶段的房子一般最高在20层～30层。主要是用来做住房、办公以及旅馆等。到1974年我国北京建成了20层的北京饭店，高达到了87.4 m，是当时北京最高的建筑群体。1976年建成的广州白云宾馆33层，112.45 m，剪力墙结构，是国内首栋百米高层(见图1)。

图1 广州白云宾馆

第三阶段:80年代，从1980年～1983年3年的时间就建成了自1949年以来30多年中所有高层建筑的总和。

第四阶段:从90年代初开始。1)高层的建筑速度有了明显的加快。1990年～1994年初期，每年建成的层数超过10层以上的建筑面积在1 000万m2以上，占到了高层建筑的40%。2)超高层的建筑发展。高层建筑的发展更加快速，建成了许多超过200层以上的建筑。

1.2 国外现代高层建筑的发展

第一阶段:是19世纪中期以前，主要建筑材料是砖石和木材，且设计手段和施工技术的限制，欧美国家一般只能建造6层及以下的建筑。

第二阶段:是从19世纪初期到20世纪50年代。

1885年电梯系统的发展，使人们建造更高的建筑成为可能。

高层的建筑已经发展到了采用钢结构，并且高度已经超越了100 m的难题。

第三阶段:是从20世纪50年代开始发展。

由于采用的材料主要是轻质的高强材料、采用的结构是抗风和抗震的结构体系，施工采用的技术和机械等方面取得了很大的进步，同时计算机技术在建筑上的应用使得高层的建筑得到了飞速的发展[1］。

世界上最高的建筑主要分布在美国，世界上最早采用的钢筋混凝土结构的高层建筑是当时在美国1903年建成的辛辛那提的因格尔斯大楼。高64 m，16层，在1931年美国纽约建成了102层高381 m的著名的帝国大楼，这一记录保持了41年之久，这一时期，虽然高层建筑有了比较大的发展，但受到设计理论和建筑材料的限制，结构材料用量较多、自重较大，且仅限于框架结构，建于非抗震区。

1990年至今，世界上新建的最高建筑，几乎全部集中在亚洲区域;有不断的建筑物超过200 m和300 m的高度。一般的建筑物的高都在80 m～150 m，同时还有大量的高建筑物在不断的兴建。到了21世纪，亚洲将成为新的高层建筑中心。

2 高层建筑结构施工概述

2.1 高层建筑的定义

1)世界建筑联盟委员会在1972年建议，将高层的建筑划分了四类:第一类:9层～16层，其高度不超过50 m;第二类:17层～25层，高度不超过75 m;第三类:26层～40层，高度不超过100 m;第四类:40层以上，高度100 m以上。

2)我国对高层建筑的分类:我国JGJ 37-87民用建筑的设计原则中规定:如果民用建筑的层数超过10层及10层以上或者是高度超过了24 m的公共的建筑物以及综合性的建筑物统称为高层建筑。同时如果层数超过了100 m我们就称其为超高层建筑。

2.2 高层建筑的施工方法与结构体系

1)体系结构。框架结构[2］的体系结构是由柱体、梁通过结点连接组成的结构称其为框架模型(见图2)。优点:建筑的布置较灵活，可以形成较大的空间;缺点:结果属于柔性结构，在抗震、水平承受荷载差。在多层的房屋结构中框架结构使用很广泛，同时也是高层的建筑中基本的单元，但其H/B≤5，否则无法满足强度的要求，容易形成肥胖的桥梁柱剪力墙体系结构[3］，剪力墙体系结构是利用建筑物的外墙和内墙作为主要的承重骨架来构成剪力墙的体系结构，一般的钢筋混凝土墙H≥140 mm，此时的体系侧向刚度很大，可以承受竖向、水平荷载。缺点:平面被分成了很多的小开间。施工方法:使用的大模、滑模施工框架—剪力墙体系结构，框—剪结构平面布置灵活，同时能够很好的承受水平的载荷，并且抗震性很好。适用于15层～30层，H≤120 m的高层建筑。

图2 现代高层建筑框架模型

2)筒中筒的结构体系。多筒的体系结构是指一个或几个筒体作为重结构的高层建筑的体系结构，整个筒体如一个固定于基础上的空心并且是封闭的悬臂梁，不仅可抵抗很大弯矩，也可抵消扭矩，是非常有效的抗侧力体系。建筑结构布置灵活，单位面积结构耗材少。采用滑升模板施工较为适宜。

2.3 高层建筑施工的特点

高:建筑物的高度高，施工时垂直运输量大。

深:基础埋置深度深，天然地基埋置深度不小于1/12L;桩基不小于1/15L，深基础给施工带来很大的难度。

长:建筑物施工周期长。

密:高层建筑的施工条件复杂。

3 高层建筑主体结构施工用机械设备

3.1 塔式起重机

塔式起重机:高层建筑施工中主要是附着式(自升式)和内爬式两种。要求:起重臂要长;工作速度要高且能调速;采用小车变幅臂架;改善操纵条件。

选择与布置:综合考虑建筑物的高度、结构形式、构件重量、现场布置等，同时要兼顾装、拆场地和建筑结构满足锚固、爬升要求。

3.2 混凝土泵

混凝土泵:连续完成混凝土的水平运输和垂直运输，能有效解决混凝土量巨大的基础施工以及占总垂直运输量左右的高层建筑上部结构混凝土的运输问题。

3.3 施工电梯

施工电梯:又称人货两用电梯，是高层建筑施工设备中唯一可运送人员上下的垂直运输设备。如不采用施工电梯，高层建筑施工中的净工作时间损失将达30%左右。

主要运送对象是施工人员、材料、设备和工具等。

3.4 脚手架

钢管扣件式脚手架。爬升式脚手架:套管式附着升降脚手架;悬挑附着升降脚手架;互爬式附着升降脚手架;导轨式附着升降脚手架。脚手架方案选择原则:安全;适应性强(技术、进度满足要求);可行、经济;合理选择(依高度、结构、装饰施工等)。

4 高层建筑主体结构的施工

4.1 高层框架结构的施工

全现浇钢筋混凝土的结构施工:主要是解决模板的组合问题，高强度的混凝土的制造工具、泵送或者是无粘结构来进行现浇柱体、预制梁和楼板框架结构的施工:1)先进行浇柱，后吊装预制的梁、板;2)先吊装预制的梁，后浇柱，最后吊装板。

4.2 高层建筑大模板施工

内浇外挂体系:全部采用的是剪力墙大模板现浇;

内浇外砌体系:外墙挂板改为砌砖;内墙采用现浇钢筋混凝土;

全现浇体系:主要适合16层以上的高层，对内隔墙，纵横承重墙都是采用大规模现浇钢筋混凝土。

4.3 高层建筑液压滑升模板施工

整体性好，质量高，抗震能力强[5，6］。

施工工艺:滑一浇一，滑三浇一。

筒体结构的施工方法:

1)施工的特点:标准的层很多;工程量很大;垂直运输很多，工期也很长，需要考虑冬雨季施工。2)提模施工:是高层建筑现浇筒体结构的一种施工方法，运用升降机来提升墙、柱以及梁的模板，由第一层到顶层，等整个结构工程完成后，才能够移除模板。

台模:又称为桌模、飞模，是一种由台板、梁、支架、支撑、调节支腿及配件组成的工具式模板。实现一次组装、整体就位、整体拆除和整体吊升。

工作原理:利用起重机械从已浇筑完的楼层中吊运至上层重复使用，中途不落地。

适用于高层建筑大柱网、大空间的现浇混凝土框架、框—剪，特别适合于无柱帽的无梁楼盖结构工程施工。

5 高层建筑施工的安全技术

1)高层建筑脚手架的搭设和拆除:支撑牢固;设安全网、防护板等。

2)高层建筑施工的防雷保护措施:做好接地;装避雷针等。

3)高层建筑施工其他安全措施:四口(楼梯口、电梯口、垃圾口、预留洞口)设盖板;五临边(阳台边、屋面周边、井架侧边、楼层周边、斜道侧边)设双层围栏或设安全网。另要防电、消防安全等。

[1]GB 50011-2001，建筑抗震设计规范[S］.

[2]丰定国，王社良.抗震结构设计[M］.武汉:武汉理工大学出版社，2006.

[3]杨鹏宇.钢结构高强螺栓连接施工[J］.山西建筑，2006，32(16):140-141.

[4]郝燕春.大型钢网架安装技术[J］.山西建筑，2007，33(10):195-196.

[5]魏明钟.钢结构[M］.武汉:武汉工业大学出版社，2002.

[6]沈祖炎.钢结构基本原理[M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.