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超高层建筑施工常见难点及关键技术

发布时间:2021/03/18 点击量:
随着国家基础建设的发展,城市用地日益紧张,超高层建筑建设步伐加快,超高层建筑因巨大的社会效益和经济效益受到人们青睐,许多国家和企业纷纷通过投资或建设超高层建筑展示其综合实力。因此,对超高层建筑施工技术管理进行多元探究,探索超高层建筑与环境生态、智慧建造、创新技术等相关各种施工技术管理十分必要,这将对今后超高层建筑的施工技术管理起到推广和借鉴作用。
 
近年来,随着众多超高层建筑项目实践,已形成一套适合超高层建筑的综合多元施工技术,因此,对超高层建筑施工技术管理进行多元探究,探索超高层建筑与环境生态、智慧建造、创新技术等相关各种施工技术管理十分必要。基于此,本文以超高层建筑施工技术管理为例,叙述了超高层建筑施工中,技术管理在超高层建筑施工中的应用特点,为类似工程提供借鉴。
 
一、超高层建筑工程施工常见的特点和难点
 
超高层建筑大多位于城市的中心地带,且具有奇特的外形、庞大的规模、多项新技术、新材料的应用等特点,常被确定为当地的标志性建筑,这些因素给施工带来了不少困难。本文以现有超高层项目工程为背景,通过解析超高层建筑施工中的重点和难点,综合考虑各种因素,梳理出以下特点作为超高层建筑施工技术管理实施的关键。
 
1、规模庞大,施工周期长
 
超高层建筑规模巨大,建筑面积达几十万到上百万㎡,造价几十亿元,甚至逾百亿元,施工周期往往要3~5年时间。庞大的规模,超长的施工周期,不仅增加了风险发生的概率,也带来了巨大的成本压力。在整个施工过程中,要跨越几个冬季和雨季甚至更多,恶劣天气不可避免,除此之外,随着施工高度的增加,施工环境的复杂性、恶劣性也成正比增长,作业环境对高度的增长更加复杂,这些都会给施工带来巨大的困难。
 
2、结构超高,技术含量高
 
超高层建筑区别于其他普通建筑最为显著的是高度高、外形独特、材料新颖、技术复杂,目前,我国超高层建筑施工高度已突破500m,600m大关,苏州中南中心的高度达到729m,其他超高层建筑高度有继续增加的趋势。
 
此外,有些超高层建筑虽然高度并不突出,但是造型奇特复杂。这些特点都对超高层建筑的施工技术管理提出了巨大的挑战。
 
3、空间狭小,专业穿插多
 
现代超高层建筑多建设于城市中心或繁华地带,又多为商业综合体,常集办公、酒店、休闲、娱乐和购物等功能于一体,系统复杂,功能繁多。
 
为实现繁多的建筑功能,系统无论从结构还是装修而言更加复杂,除此之外,机电系统内部本身也包含庞大的复杂系统(包含给排水及供暖、建筑电气、通风空调、智能建筑、电梯等),施工中更加强调协调性。
 
建筑施工企业组织超高层建筑施工时难度极高,总包管理工作内容繁琐,协调工作量大,要在限定的时间和空间内,优质高效地完成所有施工内容,就要求总承包单位具有强有力的施工组织能力。
 
4、行程超长,运输量巨大
 
由于超高层建筑的超高层结构,工程施工运输的垂直运距为超长,超高层建筑的建筑面积增大,导致工程施工内容体量巨大,除带来结构材料剧增外,也使机电安装与装饰工程所需的材料数量大增,众多施工人员频繁上下的运输流量相当大,运输行程长、运输量大、运输频次高、运输密集、组织工作繁重、安全防护等问题突出,垂直运输体系的工作效率极大影响了施工速度。
 
5、新技术多,新工艺繁复
 
超高层建筑多为设计标准较高的建筑,有些被列为城市标志性的超高层建筑更是如此,一般500m以上的超高层建筑,在设计和施工技术上都创造了多项国内外之最,超高层建筑中涌现了许多新技术。
 
业主多对超高层的建设标准要求较高,因此在合同中明确约定鲁班奖、国优奖、绿色施工LEED金奖等施工目标。建设单位和建筑设计师为打造精品常采用当今世界最新科技成果,这又导致超高层建筑施工工艺繁多复杂。
 
二、超高层建筑施工技术管理中应重点把握的环节
 
为安全、优质、高效完成一个工程体量庞大、结构功能复杂、安装装饰标准高、垂直运输困难、施工工期紧张等超高层建筑施工任务,施工总承包单位须着力解决以下几个方面问题。
 
1、目标导向,提前科学策划总体施工部署
 
超高层建筑一般是城市的标志工程,社会各界对工程环境、工程质量、工程效果都有新要求、新希望,在制订目标时,一定要有高起点、高标准。施工组织设计是工程实施的引导性文件,施工总体部署是施工组织设计的核心和灵魂,是工程顺利实施的关键,是影响工程成本的重要因素。施工总体部署一旦经专家论证确定,不能轻易更改,要保证工程按要求有条不紊地实施。
 
在工程实施前,收集尽可能多的资料,要经施工企业的专家集体讨论后制订切实可行的施工总体部署。施工总体部署的主要内容包括:确定主要工程目标;划分主要施工区段流水;确定主要施工顺序和关键线路;分析工程重点和难点;确定主要工期节点;选定主要施工设备;选用主要动力来源;确定现场交通疏导方案;确定现场绿色施工标准;确定项目科技创新目标等。
 
主要施工顺序的确定要考虑施工队伍的能力及力量、交通道路、机械设施及周转量的配置、后期安装及装饰工程的提前插入、保证联调联试工作的实施等因素。施工顺序及关键线路主要考虑尽快创造工作面及有利于后期工作的提前插入,要考虑季节性施工给工程带来的不利因素。
 
重点难点分析要结合工程的结构特点、周围环境、气候特征、地质条件、机械及周转料的供应等因素,找出真正的工程重点和难点,制订有针对性的措施。
 
主要工期节点的确定,要结合工期总体要求,充分考虑各方不利因素,以先紧后松,抢结构保装修,重点部位提前穿插,非重点部位根据后置的原则制订。
 
主要设备选用要注意现场环境,以宁用设备不用人工,适当放大的原则,充分发挥机械设备的作用,提前考虑大型机械设备的走行路线和设备基础的准备。
 
2、前沿引领,充分运用智慧建造技术管理
 
随着我国经济科技的不断发展,基于经济发展过程中的智慧建造技术工程规模不断发展壮大,智慧建造技术管理也处于越来越重要的地位,智慧建造技术管理在超高层建筑施工中得到广泛的应用和发展。
 
智慧建造技术管理系统是基于物联网+技术+移动技术的模式,以施工项目现场管理为核心,为采用精细化协同管理的超高层建筑工程提供简便、智能、实用的移动化办公管理云平台。
 
提高项目实行力,利用智慧建造技术管理平台发布任务通知,及时地获取反馈信息,缩短审批流程,提高工作效率。提升工程质量,利用智慧建造技术管理平台开展项目部质量自查、工程部质量抽查、领导质量巡查、供应商及材料品牌检查、隐蔽工程影像验收检查、质量问题及所在区域图纸化标记功能等程序运用,缜密检查各个环节,提高工程质量。
 
节约施工时间,利用智慧建造技术管理平台信息共享,项目成员之间可以查看各自的工作日志及计划,有效提升项目公开透明度,节约了施工工期。
 
保障施工安全,利用智慧建造技术管理平台,实现施工现场动态安全管理。通过深化设计或预制加工等模型技术,附加或关联生产、防护设施、安全检查、风险源、事故信息,基于安全管理标准确定安全技术措施计划,采取安全技术措施,做到对超高层建筑施工全过程的可视化管理,项目管理人员在施工前就可清楚施工工序及工作区间范围,以便在安全管理过程中确保能合理有序地进行管理,了解现场的资源使用情况,把控现场的安全管理环境,大幅增加安全管理的可预见性,保证施工现场安全。
 
3、运用BIM技术,合理规划现场平面布置及交通组织
 
使用BIM相关App(Revit,Tekla,Magicad)对工程项目进行建模,在对所有专业(施工平面、场内外交通道路、施工过程中使用的材料、工程机械、临时用水、临时用电以及消防等)的各类因素进行整合后,将所有模型导入Navis-worksApp或广联达5DBIM平台中,采用三维模型来表现效果,按照规范要求、方案要求和具体过程情况,修改问题,调整布局,通过施工组织模拟、人流疏散仿真、道路交通仿真、施工机械工作演示、消防功能模拟等检验施工平面布置方案,最终形成优化的施工方案,减少施工方案实行中出现的问题。
 
建模时应特别注意以下2方面因素。
 
(1)在建立施工现场平面布置模型时,应当包含施工图设计或深化设计、场地布置等类型的模型元素,超高层建筑施工时,施工方法选择除须考虑场区外周边环境,还要结合场区内平面布置。
 
(2)建模时要合理规划模型的精细度要求,不应一味追求模型细度,既保证BIM模型与现场实际情况的一致,使其能更好地组织施工,又不增加过多的建模工作量。既要对现场场地和设计场地进行对比分析,找到两者之间最佳结合点,又要对施工现场内场地布置和场地周边环境进行结合分析,找到内外结合合理的布置方案。
 
4、绿色施工,充分引入装配式建造施工理念
 
超高层建筑绿色施工通过科学管理和科技进步,达到最大限度地节约资源与减少对环境的负面影响的基本要求。在保证安全、质量的前提下,将预制部件在工程现场进行装配建造,临时设施装配化、设备管线装配化、装饰装修装配化、主体结构装配化,从而促进构配件产业工业化,设备管道集成化,建筑形式多样化,构配件供应配套化。
 
装配式建造施工具有减少垃圾、改善环境、节约人力、缩短工期等优点,从而可有效实现节能、节地、节水、节材和环保的要求。
 
(1)节能与能源利用:使用变频式机械设备,减少电量的消耗;采用低压无功补偿技术,提高设备的使用率及线路输送能力,减少线路能量损失。
 
(2)节地与用地保护:利用BIM技术合理排布临时设施,模拟场地使用情况,优化调整用地方式,加大用地的使用能力,使施工活动对周边环境的影响降至最低。
 
(3)节水与水资源利用:通过水循环设备,加强水资源的二次利用,生活饮用排放水过滤后形成中水进行二次使用,也可通过降水集水设施,加大对自然水的利用,减少饮用水的使用,通过雾化降尘设备的使用,增强降尘的效果,减少水用量。
 
(4)节材与资源利用:通过优化施工方案,采用新型模板,加大模板周转使用的次数,使用替代木结构新型材料,减少钢材使用数量,购置废材重生设备,加强施工中废旧材料重新利用。
 
(5)环境保护:通过创新降尘方式有效控制扬尘,减少排放,降低噪声,降低光污染,通过固体废弃物控制和循环利用有效达到环境保护目标。
 
(6)配合透光混凝土和森林建筑的设计新体验,超高层建筑将在一些建筑新技术领域尝试更加节能环保的措施。同时,也为建筑技术理论提供了更多可供探索的空间。
 
三、超高层建筑施工关键技术新突破
 
超高层建筑体量(混凝土用量、钢筋用量、钢材、装饰材料等)的增加、建筑楼层数量上的叠加、装饰种类数量上的增多等因素复杂交织在一起,给施工带来更大难度。在施工技术方面须有新的突破,注入新的元素,实现技术创新,保证超高层建筑优质高效的完成。
 
1、超高层建筑大体积混凝土底板施工技术应用
 
为改善超高层建筑工程上部结构的受力,在设计阶段其基础底板面积、厚度都较大,混凝土的强度高,随之带来的就是施工过程中水化热大,温差控制难度高。为缓解上述现象,须提高基础底板混凝土施工组织和裂缝控制的要求。
 
首先要配置好高性能混凝土,使其满足低热、低收缩、低钙、高工作性、高抗裂性。
 
其次要做足尺模型试验与计算,运用足尺模型现场试验,结合有限元模拟计算,分析现场实施的可行性。在相同的条件下(工程实际地基地质条件相同的位置和环境)浇筑与底板厚度相同的立方体模型试件,并埋设温度和应变传感器(在模型内部和表面),测定模型内部和表面关键部位的温度和应变随时间的变化情况,进行有限元模拟计算,将模拟结果与实测结果进行分析对比,对底板混凝土的抗裂性进行科学评价,对混凝土结构的连续施工提供理论支撑。
 
最后,在浇筑混凝土时,注意外在施工条件,降低混凝土表面水分挥发速度,尽量保证混凝土水分挥发速度内外一致,这样可有效降低混凝土裂缝出现的概率,保证大体积混凝土底板的结构质量。
 
2、超高层建筑垂直运输施工技术应用
 
超高层建筑行程高、垂直运输体系任务重、运输密集、投入大、效益高,因而在施工中占有极为重要的地位,要保证超高层建筑施工顺利进行,须合理选择、配备垂直运输机械。超高层建筑施工垂直运输设备是一套相互补充的担负建筑材料设备、建筑垃圾和施工人员运输的施工机械设备。
 
随着超高层建筑高度的不断增加、建筑结构的日趋复杂以及对施工工期的严苛要求,传统的垂直运输设备的运力及配置不足也逐渐显现。物料和人员运输是超高层建筑施工垂直运输中需解决的一大关键技术。
 
因此需通过合理的配置,发挥不同型号塔式起重机的吊运能力,充分利用各个塔式起重机的工作性能,进而减少塔式起重机费用的投入。
 
施工电梯也是超高层建筑施工垂直运输体系的重要组成部分,在施工人员上下、中小型建筑材料、机电安装材料和施工机具的运输中发挥了重要作用,特别是在塔式起重机拆除以后作用更加突出,大量的机电安装材料、装修材料和施工人员都要依靠施工电梯进行运输。
 
随着超高层建筑高度的不断增加,现有施工电梯存在占用装修作业面大、布置数量过多、承载质量和运行速度遭遇瓶颈等问题。因此,在有限的条件下对现有施工电梯增加梯笼,可增大梯笼的承载质量,提升运行速度。
 
3、超高层建筑核心筒智能顶模系统施工技术应用
 
随着建筑高度不断刷新,建筑结构越来越复杂,传统工艺已很难适应超高层施工。
 
研发运用超高层智能顶模系统技术,具有明显优势,运用其支撑点少、承载力大的特点,使顶模与支撑钢柱顶部形成刚性连接,以最少的支撑点,形成一个钢桁架结构,满足在平台上堆放较大集中荷载的需求,以此释放塔式起重机运能,提高施工效率,支点少有利于顶模系统的智能同步顶升控制,安全可靠。
 
采用大吨位、长行程油缸控制特性设备使之带动顶模上所有机械设备在短时间内完成长行程楼层顶升,有效加快施工速度。
 
全电脑智能液压控制系统的运用是利用电脑智能化控制顶升每个细节动作,实现顶升作业全过程、全自动控制,单点或多点实现自动调整,自动找平,报警停止,实现自身安全智能化控制。
 
无线智能安全监控系统的运用,对施工过程中的风力、应力、应变、位移、垂直度、液压系统顶升压力等重要参数进行实施监控。
 
空间三维可调模架,实现模架整体滑动,满足墙厚变薄、直变斜或直变弧度,实现模板满足层高变化的要求,也可进一步探究,使塔机模架一体化顶升,降低塔式起重机爬升和模架顶升间的相互影响。
 
4、基于BIM技术外立面幕墙施工技术应用
 
结合工程的幕墙特点及实际情况,在既有BIM技术基础上,对BIM的新技术应用进行研究,发掘BIM技术在超高层建筑工程施工中的价值,积极利用BIM技术解决幕墙施工中的重难点。
 
为更好地确定各种幕墙系统,优化幕墙细部节点做法,改进既有幕墙施工工艺,可采用基于BIM的幕墙系统模型建模,研究幕墙细部节点做法,建立BIM幕墙节点族库;基于BIM技术研究新型幕墙主横梁连接方式,发明新型适用于本工程的幕墙横梁连接系统,推动幕墙施工技术的进步;基于BIM的三维可视化功能,核检设计方案并进行优化改进实施。
 
未来超高层建筑的施工将不断适应个性化要求而进行前所未有的人性化设计,超高层建筑技术的施工将会涌现新的技术课题。不断提升施工技术水平,优化技术方案,是保证超高层施工安全、优质、高效、环保的关键所在。
 
编辑概况:尹韶哲(1978—),男,河北石家庄人,高级工程师,主要研究方向为建筑工程技术。
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