超高层建筑钢桁架转换层逆向施工技术及施工控制研究

冯永强

【摘要】现代社会经济的迅速发展使得人们对于建筑居住空间的使用要求也越来越严格，建筑本身的结构也逐渐向着复杂化、高层化、功能多元化的方向转变。超高层建筑相较于一般的高层建筑来说，为了能够满足人们对于建筑使用功能的要求，往往会在上层运用小开间小进深的轴网设计，中部较上层来说轴网需要进一步加大，下部则需要选择大开间的房间设计。根据结构的受力情况来分析，楼层的受力情况为由上至下逐渐递增，因此寻常的结构设计一般为下方到上访刚度依此降低，利用墙柱数量的控制来实现柱网面积的拓展。还需要将建筑的使用功能及结构受力情况两大要点进行分析与比对，整体结构在设计环节需要选择反常规设计的方式，仅满足建筑功能要求的话往往会导致安全性能无法兼顾，对此为满足建筑功能和受力、安全等多方要求，超高层建筑钢桁架应用结构转换层逆向施工技术成为了一个很好的选择。本文主要以天津津湾广场建筑为中心，该建筑为超高层商用办公多功能建筑，结构主要为核心筒—框架结构，建筑8层设计钢桁架转换层，利用钢桁架转换层将上部结构的外框柱更换为下部结构的4根角柱及8根组合巨柱。并且在转换层钢桁架下弦设计有吊柱，用来承受5层和6层的楼面负荷。但吊住施工难度较大，如何在达到受力要求的同时完成转换层结构设计成为了一个问题，因此针对该工程的施工技术方案及施工控制展开论述。

【关键词】超高层建筑;钢桁架转换层;逆向施工技术

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

20.

引言

如今城市化建设的全面深入使得建筑的高层化成为了一种普遍现象，其中超高层建筑更是成为了城市发展水平的一种体现。钢桁架转换层结构在超高层建筑设计与建造中的应用使得超高层建筑的发展也获得了关键的推助力，这一结构不仅有效改善了原本超高层建筑结构受力和使用功能间具有的矛盾，同时凭借其強度大、重量轻、受力性能优良等特性，使其在超高层建筑中获得了广泛的应用。针对津湾广场建筑来说，钢桁架转换层尤其是下设吊柱导致的施工难度提升现象，若采用常规施工方案难以保证其功能性，结合现场情况，确定最后的方案决策，给出钢桁架转换层和吊柱施工方案，运用创新性理论解决支撑变吊柱的物理矛盾。

一、项目背景

该项目为天津市和平区的一座商业办公多功能建筑，总面积为20.9×104m2，总高299.8m。为了能满足建筑空间的功能性需求，选择钢框架结构构成建筑的外框，运用钢桁架转换层实现结构受力的转换。8层钢桁架转换层的设计主旨便是受力转换的承接，实现由密柱到疏柱的转换。8层钢桁架转换层有着22.5m的大跨度结构，也采用了罕见的转换层下设置吊挂层，结构设计建模以及参数选取具有一定难度，因此施工计算成为了工程设计与建设中的难点问题。相较于传统钢结构施工来说，钢桁架转换层施工在施工控制方法方面更加重要，结合控制方法的桁架施工分段计算以及桁架节点验算等都会对控制方法带来影响。

二、超高层建筑钢桁架转换层逆向施工技术方案

1.施工问题及方法阐述

该项目结构为框架—核心筒结构，外部框架为钢结构，1～8层为巨柱角柱组合，8层以上的结构负载将会传递到基础中。为了能够达到轴线转换需求，8层需要设计钢桁架转换层，1～5层属于大空间结构，但在此之上的楼层，结构的功能也有了变化，楼板重量进一步提高。为了能够满足1～5层结构需求，地面结构不设计支撑柱，选择吊柱将其固定在钢桁架转换层，使其成为6～7层荷载向组合巨柱传递的媒介。钢桁架转换层使得建筑结构的柱网设计也有了变化，建筑功能也实现了转变，这也为超高层建筑设计功能性做好了铺垫，吊柱设计不仅确保低层建筑大空间功能需求，同时上层空间的设计空间也有了进一步拓展。

钢桁架转换层的施工方法如下：1）桁架吊装。桁架吊装相交于其他方法来说更加便利，只需要在地面进行拼装，再通过吊装的方式安装为整体即可;2）悬挑施工。这也是目前的一种新型方法，在钢结构施工中应用较为广泛，结构不断向外延伸进行安装;3）施工支撑设计。施工支撑是钢桁架转换层施工的主要手段，在需要支撑的结构下方搭设型钢支撑，为钢桁架施工提供平台。在该项目中，吊车能力受限无法采用整体吊装的方案，悬挑施工针对柱的抗弯型具有一定要求，所以选择临时施工支撑设计的方案。而这也使得钢桁架转换层的最高跨度达到了22m以上，所以桁架体积与重量也有了提高，在实际施工中需要采用分步安装法，根据由下至上的流程，吊柱施工需要在6层和7层框架梁施工结束后再进行吊柱安装，将楼面荷载传递到转换层桁架，但这也迎来了一个难题，转换层桁架施工前无法实现吊柱安装，转换层桁架也无法承载荷载，对此需要找到一个新的控制方法来替换传统方法。

2.吊柱施工方案

建筑的正常使用需要由设计到施工所有结构都能达到受力及传力要求，不同构建有着不同定位，在某一位置负责传力工作。钢吊柱施工也需要利用这一机制来达到建筑要求，据上述来看，吊柱施工的开展仍然需要解决一些问题，而面对这些问题，理想的施工过程如下：1）吊柱施工理想结果。先完成吊柱安装，再进行钢桁架转换层施工，在完成施工后能够顺利达到施工预期效果;2）实现理想结果的阻碍。钢桁架转换层重量过大，安装只能现场拼接，所以需在转换钢桁架下弦全部节点设计支撑;3）如何规避这一阻碍。转换层钢桁架安装过程中，受压临时支撑转变为受拉吊柱;4）规避阻碍的可用条件。转换层钢桁架安装下弦设计的临时支撑，若能实现受压临时支撑转变为受拉支柱，那么就可以达到理想结果。

3.技术方案整合与评价

根据上述施工控制方法的研究，能够设计一个转换桁架施工中的逆向施工方法，具体程序如下：1）先实现1～7层的框架梁及柱结构施工，以及临时支撑桁架和吊柱安装;2）根据吊柱和临时支撑构成的支撑平台，实施转换桁架施工;3）在桁架转换层作业结束后，进行桁架卸载;4）完成桁架卸载后实施桁架上部结构施工，拆除临时支撑;5）在转换桁架下挠达到最高时焊接吊柱，并完成上部结构的后续环节，拆除临时桁架和5～6层楼板。

技术方案的评价如下：1）一改传统施工中依赖外部施工支撑的现状，运用吊柱当作施工支撑，施工成本有了进一步控制，施工效率也有了提高;2）在连接板中设计长圈孔，利用调节螺栓的方式达到桁架下移的要求，实现桁架的快速卸载;3）逆向施工法的运用使得桁架转换施工有效满足了上下结构同步开展的要求，施工效率也进一步提高。

三、超高层建筑钢桁架转换层逆向施工控制策略

施工控制理论能够使工程能够在多种不确定因素之下完成预期功能，当前控制理论经过不断的发展已经有了很多分支，以基本的理论和方法来看，分为最优控制、线性系统理论及自适应控制等。在该项目中，具体的施工控制内容与方法如下：

1.施工控制内容

施工控制内容主要包括构件的应力与形变等参数，将安全施工作为基本要素，针对结构的应力和应变等进行控制，确保施工期间的应力应变能够稳定在合理区间，一同作用在建筑的全部施工环节。

（1）变形控制

该工程中构件的形变现象基本难以规避，而如何将结构变形量控制在合理范围中就成为了一个重要问题。为了能够避免施工期间结构的严重变形，一般可以在施工之初利用预应力构件、设计预调值等方式来进行控制。桁架转换层的变形控制一般要选择拼装过程的反变形来实现。

（2）应力控制

构件的界面形式选择一般需要考虑受力方式，若选择的构件受力转变的非正确方案，可能会存在严重的质量或安全问题。因此构件应力重分布需要进行全面监测，反馈监测数据并进行理论计算值的分析，对下一施工的所需条件进行整改。

（3）稳定控制

建筑失稳可能会导致倾斜、塌陷等严重问题，而引起失稳的因素很可能仅仅是某一个构件。如法国戴高乐机场候机大厅便是一个典型的案例。现代建筑尤其是超高层建筑，不但要考虑好建筑结构的强度与刚度，同时稳定性也非常重要，只有保障建筑稳定性，才能确保施工与运行的安全性。

（4）卸载控制

根据TRIZ理论，吊柱是施工过程中的主要支撑结构，但两个桁架构件的衔接位置也需要设计支撑辅助系统，从而与吊柱一同实现结构的有效支撑，确保桁架施工能够快速完成。对此需要对桁架的施工特征进行分析，设计辅助支撑系统，为规避平面外失稳等问题，支撑需要设计在框架梁上。临时支撑架利用外框架和核心筒的连接框架梁作为平面外失稳的稳定结构，临时支撑架结构一般包含了临时倾撑、临时支撑柱、临时钢梁等，在桁架施工结束后需要进行及时卸载。施工支撑的卸载与受力转换及应力重分布相关，也会受施工现场环境因素影響，难以同时完成所有支撑的卸载，因此选择科学的卸载控制方案至关重要。

2.施工控制方法

超高层建筑钢桁架转换层逆向施工控制方法在其基本思路上有着开环、闭环、自适应三种控制模式。超高层建筑对于建设质量具有更高要求，并且钢桁架转换层的应用使得整体施工过程变得更为冗杂，结构形式的转变使得施工中也增添了一些不确定因素。该项目的施工控制以闭环控制为主，以自适应控制为辅。

（1）开环控制

开环控制是一种常见的施工控制方法，经过理论计算和分析之后，结合现有的设计参数进行计算，获得结构的理想状态，同时对结构施工中的盈利应变分布进行调节，掌握施工过程的稳定状况。在完成施工后，投运的结构可以达到结构设计的预期效果，内力稳定性较强。

（2）闭环控制

超高层建筑相较于寻常建筑来说更为复杂，所以无法单纯依赖经验施工的方式完成控制，需要采用模拟软件对施工全过程进行模拟，但模拟过程也可能具有一定局限，需要针对可能出现的误差进行调节，寻找更适合项目的施工控制方法。

（3）自适应控制

闭环控制能够满足很多超高层建筑施工需求，但相比之下自适应控制也非常适合本项目施工，利用现代计算机监测控制的功能，对施工各环节实施动态化监控，将得到的状态参数信息向操作人员反馈，结合实际参数来调整计算模型参数。自适应控制的理论研究目前也取得了可喜的成果，但该系统仍然需要进一步改进，针对很多空间钢结构来说，闭环控制为主，自适应控制为辅的方法更加适宜。

结论：

目前，随着可持续发展理念的全面推行，钢结构建筑作为绿色施工技术的一种也获得了广阔的发展空间，而建筑的高层化也早已成为了一个主流趋势，这使得钢结构高层建筑也应运而生。钢桁架转换层结构的受力形式较为简单，结构空间设计更加灵活，但桁架施工却存在很多难点问题，因此需要根据现场条件采用逆向施工的技术方案，并做好施工中的控制工作，确保施工目标的圆满完成。

参考文献：

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