超高层建筑快速施工工艺体系研究与应用*

段 锋，薛晓宏，姜继果，姜子麒，古 刚

(中铁二十局集团第六工程有限公司，陕西 西安 710032)

0 引言

为解决日益凸显的住房需求增加与土体资源短缺的矛盾，越来越多规模宏大、结构新颖、施工难度大的超高层建筑拔地而起[1]。随着经济快速发展与城市基础设施建设的迅猛推进，施工速度成为继数量、高度后人们对超高层建筑的又一追求，但目前少有学者研究总结超高层快速施工技术，关于快速施工的研究主要集中在隧道、公路、桥梁等领域[2-5]，如岳万友等[6]通过对隧道锚智能化快速施工进行研究，使隧道锚施工工期大幅度缩短；张永水等[7]从结构体系和结构组合两方面对高海拔峡谷地带桥梁快速施工工艺进行比选，最终得出最优组合。

本文以绿地丝路全球文化中心项目为背景，从施工、管理及资源优化3方面阐述新技术、新工艺及基于智能建造理论的信息化施工技术在超高层建筑不同施工阶段的应用，形成超高层建筑快速施工工艺体系，以期为同类工程的快速施工设计、实施与管理提供参考。

1 工程概况

绿地丝路全球文化中心项目位于西安市灞桥区奥体中心东南侧，西邻杏渭路，南邻下双寨村，为第十四届全运会配套项目，包括2栋超高层、1栋高层、1栋多层商业及裙房和地下车库。

2栋超高层对称设计，均为矩形钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构，地下2层，地上36层，建筑高度160m，核心筒为钢筋混凝土结构，外框架由矩形钢管混凝土框架柱、H型钢梁及桁架楼层板组成。建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果

2 施工重难点

1)超高层机械设备布置和垂直运输设备管理 本工程建筑高度大，2栋超高层塔楼高度约160m，塔式起重机单次吊运时间长，塔楼钢结构工程量大，吊次多，因此塔式起重机的选型、布置和使用时长是影响工程进展的重要因素。本项目垂直运输量大，施工电梯需求量大，超高层塔楼施工电梯单次往返时间长，合理布置和使用电梯、提高工效是施工组织管理的重点。

2)超高层混凝土泵送施工 本工程设备机房高151.6m，混凝土强度等级高达C60，泵送层数为36层，泵送高度大、混凝土坍落度大、泵送困难，因此高性能混凝土配合比的研究、配制及泵送施工是项目施工的重点。

3)立体交叉施工 本工程施工内容多，装修及安装标准较高，技术含量也较高。各工序间包括立体、水平及专业交叉作业，因此，确保好各专业间的协调配合、交叉施工起至关重要的作用。

4)工期紧、施工量大 本工程作为献礼第十四届全运会项目，工期紧，因此，加快施工进度是本项目的首要难题。

3 超高层建筑快速施工工艺体系

快速施工工艺体系主要由施工、管理及资源优化技术组成。施工技术包括施工图深化阶段的信息化施工技术，基础施工阶段的超厚筏板钢筋支撑技术，主体施工阶段的新型核心筒结构体系、塔楼液压爬模技术、侧抛免振钢管混凝土浇筑技术；管理技术包括交叉施工管理、工序质量管理、基于倾斜摄影的进度管理、信息化管理；资源优化技术包括人员的合理调配、材料及设备的合理选型。

3.1 快速施工技术

3.1.1塔楼液压爬模技术

液压自爬模由埋件、埋件支座、模板、架体、平台、围护、防倾导向支撑及液压爬升控制等系统组成。整个平台、钢模板、操作挂件通过液压顶升系统完成自动爬升，减少施工过程中对塔式起重机的依赖，避免模板垂直运输，节省劳动力，提高施工效率，缩短整体工期[8]。采用液压爬模技术可大幅度降低现场劳动强度，提高各工序施工速度并有效减少工艺间歇，从而提高核心筒结构施工速度。液压爬模一个爬升周期为：后移模板→自爬模爬升→合模浇筑混凝土→上层钢筋绑扎→后移模板。

3.1.2侧抛免振钢管混凝土浇筑技术

钢管混凝土柱浇筑常采用泵送浇筑法、高抛免振捣法、人工振捣法和高抛振捣法。其中，泵送浇筑法对钢管混凝土的施工性能、浇筑设备及浇筑施工的组织管理水平要求较高；高抛免振法、人工振捣法和高抛振捣法的浇筑时间均较长，且若下一层钢柱未浇筑完成，上一层钢柱无法安装，对施工进度影响较大。采用侧抛免振法浇筑钢管混凝土可有效解决上述问题。

侧抛免振法即在钢管混凝土柱顶部侧面适当位置开孔，安装带截止阀的混凝土输送管，利用混凝土泵压力将微膨胀自密实混凝土输送至钢管内，直至注满整根钢管混凝土柱。其工艺流程为：柱顶部开孔→连接截止阀及混凝土输送管→试配钢管混凝土→单根钢管柱混凝土运送到场→现场检测混凝土坍落度及坍落扩展度→浇筑微膨胀自密实混凝土→混凝土试块制作→浇筑完成→拆除混凝土输送管及截止阀→混凝土养护→焊接封口钢板。

柱顶部开孔朝向建筑内侧，且应靠近每层楼承板上表面，其中心位置距楼承板600mm，浇筑孔直径为300mm；在浇筑孔正下方距楼承板100mm位置开设1个φ20 排气孔，便于混凝土浇筑时排出钢管内部气体，如图2所示。

图2 钢管柱开孔示意

3.1.3新型核心筒结构体系

核心筒结构体系施工过程中，通常需将钢结构的外框架与核心筒连接，以保证核心筒结构强度，同时方便楼层施工，而外框架结构施工中，混凝土结构施工与钢结构安装施工交叉较多，导致钢结构安装时与混凝土钢筋存在避让和连接的问题，加大施工难度，降低核心筒结构体系的施工效率。

本文提出一种新型核心筒结构体系，该结构体系包括核心筒、多个箱形柱及楼板钢结构，如图3所示。通过在核心筒外部设置箱形柱、框架梁和次梁，并配合连接形成核心筒外框架，能避免与内部混凝土钢筋交叉、干扰，保证结构强度的同时简化外框架的搭建结构，降低施工难度，可有效提高核心筒结构体系的施工效率。

图3 新型核心筒结构体系

3.1.4超厚筏板钢筋支撑技术

本工程筏板厚度可达2 200mm，局部厚度达4 800mm， 筏板钢筋用量大、自重大，现有筏板钢筋支撑采用钢筋马凳现场焊接制作，该支撑结构应用于超厚型筏板工程，不仅结构稳定性较差，安全性较低，且焊接工程量大，安装耗费时间较长，经济成本高。

设计一种新型支撑筏板钢筋支架，如图4所示。筏板钢筋包括上排钢筋网片和下排钢筋网片，下排钢筋网片下方设置有防水保护层；支架包括支撑于上、下排钢筋网片间的基础支撑架，该基础支撑架包括多根立柱及多根横梁，立柱沿左右方向和前后方向阵列布置，两个方向相互垂直，各横梁沿左右方向延伸并安装于立柱上，且多根横梁沿前后方向间隔布置，横梁与上排钢筋网片抵接，立柱下端穿过下排钢筋网片并伸入防水保护层。该支架具有刚度大、平整度好的优点，不仅稳定性高，安全可靠，且可在场外加工成型，无需现场焊接，减少了工程量，安装方便快捷，既能缩短工期又能节约成本。

图4 支撑筏板钢筋支架结构

3.1.5信息化施工技术

施工图深化阶段应用BIM模型提高各专业间的协同深化设计能力，有效保证设计与施工协调，由计算机自行完成管线与结构构件间的碰撞检查，大大提高管线综合设计的技术解决能力，避免施工过程中可能会出现的管线碰撞问题，将返工率降到最低，减少不必要的工期浪费。三维模型和虚拟动画可使施工人员更加直观地了解复杂部位的施工方案，从而准确施工，加快施工进度。管线碰撞检查与优化如图5所示。

图5 管线碰撞检查与优化

借助BIM技术对施工组织进行模拟，项目管理方能直观了解整个施工安装环节的时间节点和安装顺序，并清晰把握安装过程中的重难点；施工方也可进一步优化原安装方案，提高施工效率，达到快速施工的目的。

3.2 快速建造管理技术

3.2.1交叉施工管理

根据工程特点及现场条件，科学规划施工段，合理进行工序穿插以缩短工期，配备足够的人力、机械、物资等，提高计划的可实施性，在保证上道工序质量的前提下，下道工序提前插入施工。

主体结构验收后，随即穿插粗装修、机电安装、幕墙等专业施工，以加快工程施工进度。本项目交叉工作主要有：①主体施工阶段中土建与安装预留预埋的交叉，结构与粗装修、幕墙的交叉；②装饰施工过程中机电管线敷设穿插施工。交叉施工时应注意防止成品破坏及避免安全事故。

3.2.2工序质量管理

工程项目建设全过程中每道工序质量须满足下道工序相应要求的质量标准，工序质量决定最终的产品质量[9]，加强质量检查和成品保护，尤其是样板间的贯彻和施工过程中的监督检查，严格控制工序施工质量，确保一次验收合格，杜绝返工。

3.2.3基于倾斜摄影的进度管理

倾斜摄影技术作为近年发展起来的一项高新技术，可在施工阶段提供建筑外部整体与内部构件的实景三维模型。通过对比实景三维模型与BIM模型能直观反映施工现场进度与计划进度的偏差，项目管理人员能以此为依据及时纠正，方便管理人员调整施工计划和方案，对机械设备、人员进行随时调度，及时发现施工过程中的问题隐患，并在此基础上采取相应的整改措施，达到缩短工期的目的。

3.2.4信息化管理

本项目采用先进的信息化管理系统，以保证信息管理规范化、现代化，确保信息的准确性、及时性、可追溯性，利用现代化信息管理方式，改变传统管理模式，实时、高效、全面地反映现场施工的实际情况，加强总部管控能力，并高效协调总部各方面资源为项目服务，提高工作效率、管理水平和协同能力。信息化管理系统包括综合信息管理(OA系统)、网络视频会议、项目计算机局域网、门禁、报警、远程监控等系统。

3.3 资源优化技术

3.3.1人员合理调配

做好劳动力的动态调配工作，抓关键工序，在关键工序延期时，可抽调一只精干队伍，集中突击施工，确保关键线路按期完成。每道工序施工完成后，及时组织工人退场，给下道工序工人操作提供作业面，做到所有工作面均有人施工。根据进度计划、工程量和流水段划分，合理安排劳动力和生产设备投入，保证按进度计划完成任务。加强班组建设，做到分工和人员搭配合理，提高工效，既要做到不停工待料，又要调整好人员安排。

3.3.2材料合理应用

1)采用混凝土轻质墙板

蒸压陶粒轻质混凝土墙板本身具有其他墙体材料无法比拟的优势，如强度高、表面光滑、整体性好、耐腐蚀、收缩小、抗老化、防火、防水、隔声、隔热、保温及安装走线方便、可凿、可切割、可钉挂等。采用混凝土轻质墙板可减少现场湿作业，加快施工进度，减少抹灰层作业，增加空间使用面积。

2)采用铝合金模板

本项目核心筒内外墙、梁、顶板、标准层楼梯均采用铝合金模板。与木模板、钢模板等传统模板相比，铝合金模板具有自重小、施工周期短、拼装速度快、承载力高、整体刚度好、周转次数多、无需二次抹灰、对垂直运输设备依赖小、施工便捷、效率高等特点，可大大提高主体结构施工速度。

3.3.3设备合理选型

1)混凝土泵送机械选择

选用超高性能混凝土输送泵，配合内爬式布料机，有效解决高强混凝土强度与可泵性的矛盾，保证混凝土输送一泵到顶，提高施工效率，保证工期。

根据泵送出口压力计算结果，绿地丝路全球文化中心工程混凝土泵送出口压力约25.56MPa。选择混凝土输送泵时，混凝土泵的最大出口压力应比实际所需压力高20%左右，多出的压力储备用来应对混凝土变化引起的异常现象，避免堵管。超高层建筑的混凝土泵送要求更高，需足够的压力储备，因此，确定主楼混凝土最大出口压力为32MPa，一方面具有充足的压力储备，另一方面在正常工作状态下，液压系统工作压力≤24MPa，工作可靠性更高，有利于保证工程顺利进行。

本项目布置2台HBT90CH-2135D型混凝土输送泵，1台备用，其理论混凝土输送量为35m3/h，最大混凝土输送压力为35MPa，配有2套液压截止阀+液压泵站，1套备用。该设备采用彩色图形动态显示运行参数，提示故障类型，设置多重自动保护，且设有先进的S管阀系统，密封性能好，大大延长了易损构件的使用寿命；混凝土活塞自动退回，检测、更换更便捷，可大大降低人工操作难度，提高工作效率。

2)塔式起重机的选型与布置

为提高施工效率，确保工期，本工程共布置9台塔式起重机，确保平面全覆盖及满足材料吊装需求。2栋超高层塔楼依据钢结构吊装质量，各安装1台ZSL750型动臂塔式起重机、1台ZSL500型动臂塔式起重机，满足主体施工、钢构件吊装和后续幕墙机电施工的需要。

4 结语

通过应用超高层快速施工工艺体系，在施工图深化阶段借助BIM技术对施工组织模拟，减少施工阶段的返工返修，提高施工效率；在基础施工阶段使用超厚筏板钢筋支撑技术，减少现场工作量，既缩短工期又节约成本；主体施工阶段使用液压爬模技术、混凝土侧抛免振技术及新型核心筒结构体系，大大降低主体结构施工难度，提高施工效率。在快速施工技术的基础上辅以高效的管理技术、合理的资源优化技术，三者相辅相成，极大地解决了本项目结构复杂、施工管理难度大、工期紧的问题，在保证施工质量的基础上实现了缩短工期的目标，取得良好的应用效果。