根据GB50352—2005《民用建筑设计通则》规定:建筑高度>100m的民用建筑为超高层建筑。然而, 随着我国经济不断发展及科学技术突飞猛进, 100m已经远远无法满足人们对超高层建筑高度的追求, 300, 400, 500m甚至600m高的建筑都不断地在世界各地涌现。自1976年, 高115m的广州白云宾馆建成以来, 超高层建筑在我国迅速发展, 建筑高度纪录不断刷新。截至2014年底, 我国已建有100m及以上的超高层建筑7 000余座, 占世界总量的77.76%, 是世界上超高层建筑数量最多、分布最广的国家。在建筑高度>250m的超高层民用建筑之中, 我国也占到世界总量近一半, 达45.7%。截至2017年, 我国共建成高度>200m的超高层建筑870栋。其中高度在200~300m的超高层建筑共计777栋;300~400m的建筑有76栋;500~600m超高层建筑有6栋;目前国内最高的建筑为上海中心大厦, 总建筑高度632m, 世界排名第3。我国有5座超高层建筑位列世界高度排名前10, 是名副其实的超高层建筑大国。

超高层结构超高、工程量巨大、结构体系复杂化等特点都给施工技术带来了巨大的挑战。在市场以及行业转型升级的双重要求下, 我国建筑施工企业通过工程实践积累丰富施工经验的同时, 励精图治, 系统深入地开展了大量总结、研究工作, 形成了一批处于世界先进水平的超高层建筑施工技术。这些技术为我国超高层建筑建造服务的同时, 也为我国建筑施工企业“走出去”立下了汗马功劳。本文期望通过对我国包含深基坑施工技术、智能顶升钢平台施工技术、超高泵送混凝土施工技术、钢结构施工技术、虚拟建造技术、智慧化的机电安装技术以及北斗卫星精确定位技术等在内的处于世界先进水平的、具有鲜明特色的部分超高层建筑施工技术的简要介绍, 在推广现有先进技术的同时, 促进我国超高层建筑技术的进一步发展与完善。我国建筑高度排名如图1所示。

随着城市化进程的不断加速, 人们把目光放在了城市地下空间的开发与利用, 在城市建设过程中出现的深基坑工程与日俱增。基坑工程设计施工不仅投入高, 还容易发生重大安全事故, 造成社会负面影响。近年来, 深基坑的设计和施工已成为工程施工领域的技术难点和研究热点, 将深基坑设计、施工做到经济合理且安全可靠, 已成为土木工程师共同奋斗的目标。

武汉绿地中心项目 (在建) (见图2) 位于武昌滨江商务区核心区域, 地处长江边, 距长江防洪堤约250m。基坑工程长约304m, 宽121m, 面积约为36 000m², 周长约为850m。开挖深度达23.75~31.35m;距长江约250m, 地下空间100万m³, 地下建筑面积约17万m², 属超大超深基坑工程。该项目所在地属长江南岸I级阶地地貌, 地质条件为临江多元地层, 场地岩土层复杂, 且有高水头承压水, 基坑周边环境极其复杂。

项目结合武汉地区岩土体的工程特性, 在设计阶段提出了一种“分区顺作+中间缓冲区后作”的开挖方式, 将地下空间达100万m³的临江超大超深基坑分为3块完全独立的较小基坑。各基坑均有独立的支护体系, 两侧基坑优先开挖, 待两侧地下室主体结构施工完毕后, 再进行中间留置区域的土方开挖及基坑支护工作, 有效减小了超大超深基坑的空间效应, 避免了因基坑纵向过长导致难以避免的基坑不利变形。武汉绿地中心基坑施工如图3所示。

武汉绿地中心地下连续墙上部土层施工选用抓斗式成槽机。施工时, 首先将抓斗降下, 再利用抓斗式成槽机抓斗的斗齿切削土体, 最后将切削下的土体收容在斗体内, 从槽段内提出后开斗卸土, 循环反复, 直至成槽。成槽采用“三抓成槽”的施工工艺, 先抓槽段两头 (一抓、二抓) , 后抓槽段中间小墙, 同时使用泥浆护壁 (见图4) 。这种“抓铣结合”的施工方法, 具有施工速度快、成墙效率高、成墙精度高、对周边环境影响小、人员劳动强度小、操作方便、低能耗等优点。适用于地铁车站、地下变电站、高层建筑地下室等深基坑工程及围护结构, 尤其适用于在城市密集建筑群区域中进行深基坑施工。

天津高银117大厦工程地下室结构共3层 (局部4层) 。基坑边坡顶部平面尺寸为394m (南北向) ×315m (东西向) , 开挖面积约12.41万m²。该工程超大深基坑地质环境为滨海地区复杂软土层, 其特点是地下水位高、厚度大、地基土层中富含薄层粉细砂层、易产生流砂现象等。基坑开挖深度范围内存在双层高水位承压含水层, 基坑开挖地面时会有突涌隐患^[4]。天津高银117大厦如图5所示。

基于水文地质条件和基坑施工特点, 项目在确认各含水层厚度后, 通过构造措施, 从地面向下交替布置实管 (隔水层) 与滤管 (含水层) , 在开挖浅部土层时起疏干作用, 开挖中部及深部土层时起减压作用。将降水井设计成集疏干、减压功能为一体的混合井。其次, 由于混合井贯穿上、下部各水层, 使得混合井中汇集的水与承压含水层中的水最终相互贯通, 形成“连通器”效应, 保障了基坑降水施工的顺利实施。

传统的深井降水法需要大量人工持续检测井中水位, 不仅无法精准确认水位标高, 误差较大, 而且需要根据水位高低与施工工况间关系人为判定开启或关闭管井降水的电闸, 具有一定的滞后性, 使得水泵容易由于空转而烧坏, 容易造成安全隐患。针对上述问题, 项目基于液位继电器原理, 研发了一种建筑施工领域中基坑管井降水自动维持控制系统。首先, 将不同的降水深度对应液位继电器预设置3种不同回路, 再通过液位继电器自动控制水泵电闸的开关, 使其与低、中、高3种不同水位回路一一对应, 进而实现自动、精确、实时控制的效果, 避免了常规深井降水法的不精确性和滞后性。

近年来, 模板施工技术推陈出新, 不断发展。比较成熟的有:翻模施工技术、液压提升模板施工技术、液压滑升模板施工技术、液压爬升模板施工技术。我国工程技术人员将钢筋混凝土结构升板法技术进一步发展, 自主研发了新型超高层建筑结构施工模板工程技术———顶升钢平台模架施工技术。

顶升钢平台模架体系是集滑动模板与大模板工艺和优点为一体的模架体系。既能像大模板工艺一样大面积支模, 也能像滑模一样不依赖起吊设备而自行向上爬升。在超高层建筑核心筒结构施工阶段, 顶升钢平台模架依附于核心筒竖向结构, 随着核心筒结构施工而逐层上升, 既不需要垂直运输设备, 也不占用施工场地, 还不必搭设外部脚手架, 解决了超高层建筑核心筒施工中空间需求大的施工难题。顶升钢平台模架体系特别适用于施工场地相对较小的超高层建筑。在我国超高层建筑的不断发展中, 其已成为首选的模架体系。智能顶升钢平台如图6所示。

中国尊工程位于北京CBD核心区, 建筑高度为528m, 总建筑面积约43.7万m², 地上108层 (见图7) 。中国尊大厦总用钢量>14万t, 建设难度大, 对工程承包方是一次极为严峻的挑战。

智能顶升钢平台是中建三局技术中心牵头自主研发的第3代超高层施工顶升模架^[5], 集成大型设备与智能顶升钢平台系统, 实现终端智能控制。在顶升钢平台上安装2台M900D大型动臂塔式起重机后, 可通过终端实时操控, 缩减塔式起重机爬升时间, 进而加快施工进度。与此同时, 智能顶升钢平台技术利用独创的混凝土微凸支点将顶升钢平台支撑在核心筒墙体上, 以液压油缸和支撑架作为钢平台的顶升与支撑系统, 实现全新的顶撑组合模式, 解决了超高层塔楼核心筒施工中常见的墙体内收、吊装需求空间大、安全要求高等施工难题。该平台主要有以下显著特点。

1) 施工集成 创造性地将超高层建筑中大型塔式起重机、施工电梯等设备和设施集成在平台上, 合理利用空间、减少设备干扰、有效利用资源, 较传统方法施工速度有较大提升。

2) 高承载力 发明设计的墙体表面素混凝土微凸传力的承力构造, 其单支点承载力达4 000k N, 巨型空间框架结构平台在多支点的共同作用下可承受上千吨荷载、抵抗15级大风作用。

3) 高适应性 针对墙体内收、外扩、倾斜、牛腿施工等各种复杂情况下的平台使用问题, 自主研发了自适应支承系统、角部开合机构、伸缩机构等系统。

4) 智能监控 自主研发了国内首套集成全方位实时监控平台状态和具备预警功能的智能综合监控系统。

中建三局研发的智能顶升钢平台技术的成功应用, 对于解决超高层建筑工程中所面临的工程结构复杂、工期紧、场地小、交通紧张的问题起到了关键作用。

随着建筑物高度的增加, 如何将满足工作性能的混凝土输送到所需高度正日益受到人们的关注, 超高泵送混凝土施工技术变得越来越重要。对于超高泵送混凝土来说, 混凝土强度高、泵送高度高、泵送压力大等不利因素很容易导致混凝土离析、堵管等诸多问题。目前国内外对于超高泵送混凝土技术的研究, 主要包括混凝土配合比优化、泵送设备选型、泵管设置以及现场管理等多个方面。

广州国际金融中心又名广州西塔 (见图8) , 位于珠江新城CBD, 建筑总高440.75m, 跻身全球十大超高层建筑。占地面积3.1万m², 总建筑面积约45万m²。工程中主塔楼所需C60及以上高强混凝土约7万m³。其中C80混凝土最高泵送高度为410m, C90混凝土最高泵送高度为167m, C100最高泵送高度为430m。在合理选择原材料的基础上, 项目进行了大量关于粗骨料级配、粗细骨料搭配比例、粉体微观填充、特种外加剂对浆体保塑性、配合比优化等多项研究工作, 最终研制出了黏性阻力小、保塑性好、均匀性好、便于超高泵送的多种强度等级的混凝土^[6]。混凝土坍落度试验和填充高度试验如图9, 10所示。

综合考虑各项因素指标, 项目混凝土泵送选用一泵到顶的方案。根据项目要求, 每层方量≥800m³, 且10h内必须浇筑完成。结合现场施工设备维护、不完全连续输送等不利因素, 最终选用的泵送设备送方量要保证≥90m³/h, 考虑到同时使用2台设备, 每台送方量应达到45m³/h。通过了解, 中联HBT90.40.572RS在出口压力达到33.78MPa时, 理论送方量为48m³/h左右, 满足使用要求。最终, 工程选用2台HBT90.40.572RS运送混凝土 (见图11a) , 并预留1台作为备用。此外, 根据项目实际需要, 中联重科还研发了超高压力耐磨输送管 (AG管) , 该耐磨输送管采用高锰钢, 厚10mm, 内表面通过特殊热处理后, 硬度和寿命还能有一定提高;超高压管道之间的连接均采用法兰连接方式, 并以O形圈端面密封, 可承受100MPa的高压^[7,8]。混凝土泵车操作界面如图11b所示。

与此同时, 项目通过对启动泵送和洗管技术进行多次试验, 严格制定相应规范并实施相关工艺, 解决了泵送过程中常见的爆管、堵管、混凝土离析等问题, 确保了高强混凝土超高泵送顺利进行。于2008年12月实现了C100超高性能混凝土411m超高泵送, 创造了新的世界纪录。

由于钢结构具有自重轻、强度高等特点, 在现代超高层建筑的结构体系中扮演了重要的角色。与此同时, 随着人们对超高层建筑造型的审美要求不断提高, 钢结构易于造型的特点也使其在超高层建筑中获得了越来越广泛的应用。

上海环球金融中心位于上海市陆家嘴, 地上101层, 地面以上高492m, 地下3层, 总建筑面积38.16万m², 工程用钢量达5万多t (见图12) , 是目前世界最高的平顶式大楼。地面部分塔楼钢结构平面如图13所示。

项目不仅用钢量巨大, 在施工中还面临深化设计复杂、测量控制要求高、超高空施工难度大、钢结构安装与焊接工作量大及安全防护要求高等难点。为解决上述难题, 项目根据以往大量施工经验, 研发了一批新的超高层建筑钢结构施工技术^[9]。

1) 钢结构深化设计技术 基于Xsteel软件在钢结构应用中的功能特点, 对工程中钢结构部分进行深化设计、校核及出图。实现钢结构下料和放样的参数化设计, 并对施工文档及资料进行电子化管理, 达到精准、高效、资源利用智能化的目的。

2) 空间三维测量定位技术 采用全站仪进行测量定位。在满足高精度、长距离、快速放样或观测的前提下, 结合现场情况避开干扰, 在各种工况下精确测量控制点的变形。高程控制网与平面控制网同时布设, 统一联测平差, 并能直接由控制点进行三维放样, 可达到高精度的效果, 减少多次测量引起的累积误差。

3) 吊装计算机仿真技术 利用计算机仿真技术建立模型, 进行各种工况下最不利荷载和破坏性分析。通过仿真模拟计算, 优化施工过程, 避免不必要的损失, 最终确定最佳吊装方案, 达到降低工程施工费用的目的。

4) 高空对接技术 工程顶部钢架构件体量大, 安装位置高, 平面外稳定性较差, 同时需保证已完工的土建产品不受损坏和安全性的要求, 工程最终采用单元扩大法进行组合单元构件的吊装, 既保证其稳定性, 也能减少支撑对已完工部分的损坏, 满足安全施工要求。

5) 远程验收系统 为保证各工序按施工计划实施, 提高建设单位与业主之间信息交换效率, 同时为项目提供数据支撑, 实现有效决策和精细化管理, 项目在电子眼、摄像机等监控物理硬件上进行远程验收系统软件专项开发并投入使用。

钢结构工程是超高层建筑建造过程中的关键环节, 既要确保施工安全, 又要保证施工质量, 因此钢结构工程中需要对新技术、新工艺不断探索。上海环球金融中心的建设过程中, 施工单位在结合过去超高层钢结构施工中所积累经验的前提下, 通过运用新技术、新工艺和采用先进设备确保了工程项目建设能够优质高效地进行。

虚拟建造技术集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、图像显示技术等多学科优势, 能将工程产品提前展现。通过施工前对施工全过程或关键过程进行模拟施工, 能够验证施工方案的可行性并对施工方案进行优化。在此基础上, 结合对重要结构进行最不利荷载或破坏性分析的仿真模拟计算和监测, 达到控制质量、保障施工安全的目的。

西安迈科商业中心项目 (见图14) , 规划净用地面积约2万m², 总建筑面积约22.63万m²。地上部分包括办公楼、酒店及裙房。其中办公楼建筑高度为207.2m, 酒店建筑高度为153.7m, 主塔楼为钢框架-支撑体系结构, 双塔连体, 平面扭转不规则, 竖向结构不连续。

在办公楼塔楼的21~23层和酒店塔楼的22~23层处设置了3层空中连桥, 由2榀主桁架以及主桁架间的主、次钢梁组成, 结构复杂, 形状不规则。这种建筑设计方式, 在提高建筑美感的同时, 也对施工作业提出了巨大挑战。

为解决这一问题, 项目首先运用AECOsim Building Designer软件对钢连桥的多种施工方案进行全过程模拟和分析。连桥施工过程模拟如图15所示。

整个结构在施工阶段中, 受力状态随着工序的进行不断变化, 这种情况在大型复杂钢结构施工中尤为明显。基于项目施工过程的虚拟结果, 项目运用软件分析了结构在施工中的受力和变形。依据计算结果, 对施工方案进行优化, 采取相关措施确保结构受力和变形满足相关规范要求。连桥施工过程的受力分析模型如图16所示。连桥卸载阶段施工应力如图17所示。

为了验证仿真计算结果的准确性, 并确保连桥在提升、卸载过程中万无一失, 在整个施工过程中对连桥进行了监测 (见图18) 。监测点位的布置基于对数值模拟结果的分析而确定。通过对连桥在提升全周期中关键杆件实时动态的监测, 施工单位全面掌握了连桥结构中杆件的应力、应变变化, 反映了结构的实际受力状态, 为连桥施工的安全提供了保障。

建筑行业正朝着信息化、标准化、国际化的方向发展, 建筑工业化已势在必行。随着建筑机电安装施工质量与进度控制要求的不断提高, 机电安装技术推陈出新成为建筑机电安装行业发展与生存的必然趋势。同时, 伴随着BIM技术、互联网技术、自动化施工技术逐渐发展成熟, 机电施工技术创新已具备更好的平台, 在激烈的行业竞争中, 完善高效的施工技术是建筑行业发展的有力支撑。

深圳平安金融中心工程地处深圳市福田中央商务区。总高度为597m, 主体高555.5m, 地上117层, 总建筑面积约为46万m² (见图19) 。大楼引进新型机电技术, 使其机电系统朝“节能化、智能化、个性化”方向发展。

基于工程实际条件, 项目研发了一套机电总承包综合施工技术, 目的在于改进传统机电施工工艺及方法, 通过新技术、新工艺的应用, 改善机电施工质量和加快施工进度, 节约投资成本、减少后期运营成本, 加速推进数字化建造技术的实际应用。通过创新技术的应用提升机电施工的管理水平, 提高施工质量和效率, 减少投资成本并节能环保。关键技术包括以下几点。

1) 基于商用Fluent平台软件, 对冷却塔群周围气流组织进行数值模拟研究分析, 通过分析数值模拟结果找到解决方案, 优化设备选型和设备排布方法, 并提出了改进设备方案。对相关研究成果进行总结, 形成超高层室内冷却塔群施工的新技术与新工艺。在深化设计阶段前, 针对超高层室内冷源设备工作过程进行虚拟仿真, 发现设计不足, 提出改进措施, 优化设备选型, 提出设备改进建议, 从设计源头优化施工。冷却塔群安装多方案水平速度场矢量如图20所示。

2) 基于二维码系统管理平台, 将物质、机具、作业人员编码化集成于平台管理系统。通过大数据的分析, 实时监测物料使用情况。在此基础上研发并应用移动吊笼法、冷却塔分段整体吊装及拼装技术, 提高机电材料设备垂直运输效率。

3) 采用具备可行性应用的国产管道自动焊接设备, 进行焊接工艺评定, 全面掌握其焊接技术参数及焊接技术。通过全站仪机器人测量放样将BIM设计数据在现场完整表达, 根据放样结果指导施工作业, 并利用测量现场数据对施工成果进行验收, 总结各项施工方法 (见图21) 。运用BIM技术深化设计, 满足现场施工的要求。根据工厂预制要求和现场施工条件在BIM模型上进行预制分段, 进场后直接现场拼装, 并引进新型TDC组合式法兰连接方式。

4) 基于BIM协同平台的机电总承包综合管理技术, 在不同的项目实施阶段, 分别设置策划期组织架构、矩阵型组织架构及区域小组型组织架构。对各类工序交叉配合的施工流程, 通过工序移交法建立标准工期模型, 统筹管理各专业施工, 实现精细化管理。

中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统 (BDS) 。通过空间段、地面段和用户段3部分协同运行, 实时为用户提供高效的服务。全球卫星导航系统在建筑定位测量领域相较于传统GPS系统具有高精度、实时监测、自动化、同时测定三维绝对位移等优点。

北斗精密测量在实际工程应用中主要包括GNSS控制网的建立、外业数据采集处理、轴线竖向传递和GNSS摆动归心测量等几项基本内容。

深圳平安金融中心是我国首个使用北斗卫星进行精密测量的超高层建筑。由于该项目监测周期较长, 项目在地面开阔地建立了2个永久基准点, 分别位于深圳红树林公园内和项目部办公楼顶。2个基准点的周边环境较好, 无明显的干扰源^[10]。

项目选定8个楼顶监测点全方位实时检核大楼振动情况, 监测点分别设立在不同筒顶柱节点, 并在上面焊接天线连接杆。监测点设置在建筑物顶面, 主要干扰源是位于其侧上方的塔式起重机和外围的安全网架。因此项目在基准点和监测点分别安置3个系统信号接收机24h开机连续观测 (见图22) , 并利用内存模块及外部储存设备同时存储数据, 解决干扰问题。采样率设置为10Hz。最终能够全程、全方位记录地面、楼顶各项参数。

通过北斗卫星系统在深圳平安金融中心的应用, 可知北斗卫星技术的高程精度为6.6mm, 该精度能满足建筑施工中的变形监测要求。北斗卫星技术在为深圳平安金融中心项目提供可靠数据基础确保安全性的同时, 也展现了BDS系统数据在超高层建筑施工变形监测中的可行性与优越性。

随着经济全球化进程不断加快, 我国建筑企业将面临更加激烈的国内、国际竞争。目前我国拥有一大批处于世界先进水平的超高层建筑施工技术, 使得我国企业在国际竞争中拥有优势。与此同时, 在由住房和城乡建设部主管, 亚太建设科技信息研究院、中国建筑设计研究院、中国建筑工程总公司、中国土木工程学会联合主办的《施工技术》杂志创刊60周年之际, 将此文献给为我国超高层建筑创新技术做出贡献的建设者们。未来, 我们将不忘初心, 砥砺前行, 为顺应新时代发展潮流、繁荣祖国的建设事业贡献更大的力量!