1972年美国宾夕法尼亚州国际高层建筑会议提出超高层建筑指高度>100m, 超40层的建筑;我国GB50352—2005《民用建筑设计通则》规定, 超高层建筑指高度>100m的住宅及公共建筑。

欧洲在中世纪已经出现了高度>100m的宗教建筑, 但首座真正意义的超高层建筑则要追溯到1898年美国纽约建造的高118m的Park Row大厦。超高层建筑从美国开始兴起, 大致经历了3个发展阶段。

1) 第1阶段 (19世纪末—20世纪中叶) 19世纪末, 钢材进入建筑领域, 德国西门子发明电力电梯应用于建筑领域, 这两者促成了超高层建筑的产生及快速发展。钢框架结构成为这一时期超高层建筑的主流。新型装备与结构体系促使超高层建筑的高度、性能显著提升。以美国芝加哥、纽约为核心涌现出一大批超高层建筑, 1931年美国纽约建成102层、高381m的帝国大厦, 成为当时最高的建筑, 保持该纪录约40年。

2) 第2阶段 (20世纪中叶—20世纪70年代)

钢筋混凝土开始广泛应用于建筑领域, 框架剪力墙、框架核心筒、筒中筒、束筒、悬挂结构等新型结构体系广泛应用于超高层建筑。基于建筑结构理论与施工工艺及装备的革新, 超高层建筑在形态、功能、结构性能等方面得到进一步改进, 并发展至欧洲、亚洲等区域, 法国、德国、日本、中国香港等均出现了高度>200m的超高层建筑。1974年美国芝加哥建成108层、高442.3m的希尔斯大厦, 保持世界最高建筑纪录达30年。

3) 第3阶段 (20世纪80年代至今) 高性能钢材、钢筋、混凝土广泛应用于超高层建筑。钢结构与钢筋混凝土结构相结合形成混合结构, 该结构推动了巨型框架核心筒为代表的巨型结构体系快速发展, 并成为当今重大超高层建筑的主流。超高层建筑设计理论日趋成熟, 三维动力分析等复杂高等分析方法开始普及。大型动臂塔式起重机、超高速电梯、巨型结构阻尼器等施工与建筑装备取得巨大突破。这些创新推动了一批300m以上的超高层建筑快速兴建, 2010年迪拜建成162层、高828m的哈利法塔, 成为全球最高建筑, 而在建的沙特国王塔和迪拜港湾塔则>1 000m。我国成为这一时期超高层建筑发展的中心, 拥有全球一半以上高度>200m的超高层建筑。全球5座重大超高层建筑如表1、图1所示。

伴随超高层建筑的发展, 建筑材料、垂直运输装备、施工模架与平台在施工技术发展中出现了根本性变革, 成为超高层建筑施工技术发展的重大支承。

钢材强度大、质量轻、延性好, 19世纪末替代砖石进入建筑领域。钢框架结构相对于传统结构承载力更高、自重更轻、空间更大, 这使超高层建筑成为可能。20世纪初, 钢筋混凝土因其良好的刚度、可塑性、耐久性及经济性进入建筑领域。此后, 钢筋混凝土框架剪力墙、框架核心筒结构成为超高层建筑的重要选择。时至今日, 大量高度<200m的超高层住宅、酒店仍主要采用上述2种结构体系。

20世纪后半段, 钢材与钢筋混凝土相结合形成劲性混凝土构件与钢管混凝土, 将钢材的强度、延性与钢筋混凝土的刚度、耐久性很好地结合在一起, 被广泛应用于超高层核心筒与外框柱中。另一方面, 钢结构与钢筋混凝土结构相结合形成框架核心筒混合结构体系非常简约、高效 (核心筒抵御水平力, 外框抵抗弯矩) , 广泛应用于高度>300m的超高层建筑。

从20世纪80年代开始, 高性能成为建筑材料发展的主题。高强度、低屈强比、可焊性、耐久性及耐火性是钢材的研究重点。上海中心大厦钢柱采用厚度达160mm的钢板, 日本将抗拉强度达780MPa的建筑钢材应用于Midland大厦, 并已着手研究抗拉强度>1 000MPa的建筑钢材。高强、轻质、耐久性施工性能是混凝土材料发展的重点。C60~C80自密实高强混凝土已在多个高度>300m的超高层建筑中得到应用。同时, 多家企业、研究机构已制备出强度>100MPa的混凝土材料。哈利法塔将C80混凝土一次泵送至570m高度, 441.8m的深圳京基大厦则创造了C120混凝土一次泵送417m高度的纪录。

19世纪末—20世纪初, 美国和德国率先发明并使用了塔式起重机 (以下简称塔机) 、施工升降机 (施工电梯) 、混凝土输送泵3项核心垂直运输装备。

塔机源于西欧, 主要用于材料运输与构件吊装, 1923年第1台比较完整的近代塔机诞生, 1930年德国开始批量生产塔机。塔机的出现大幅提升了材料及构件的运输能力与覆盖范围 (澳大利亚法福克M1280D塔机最大吊重达100t, 最大起重幅度>60m, 起重力矩达24 500k N·m) , 取代了拔杆、龙门式起重机等成为最重要的吊装设备。高度<200m的超高层建筑多采用自升式平臂塔机施工;高度>200m的超高层建筑则易采用自爬升动臂塔机施工, 该方式不受建筑高度限制且易于布置与使用。

1880年, 德国人西门子发明了使用电力的电梯, 很快在高层建筑施工中得到广泛应用。施工电梯主要用于运输作业人员和建筑材料, 可直接抵达楼层内部。其作为塔机的补充运输小型机具及材料, 解放了小型物料对塔机的占用。应用较多的齿轮齿条式人货两用施工电梯, 单个吊笼载重可达3t, 运行速度可达120m/min, 导轨架最大架设高度>500m。

混凝土泵送技术1927年首先在德国出现, 1959年, 德国生产了第1台真正意义上的全液压混凝土输送泵。此后该技术快速发展, 广泛应用于各类土木工程中。混凝土输送泵解决了超高层建筑混凝土垂直运输难题。三一重工生产的HBT9060CH-5M型超高压混凝土输送泵出口压力最大可达到58MPa, 采用150A型泵管, 经计算可垂直泵送高度>1 000m。混凝土输送泵取代了早期采用塔机吊运、人力搬运等运输方式, 大幅提升混凝土浇筑效率, 使大规模高强混凝土高空浇筑成为可能。

20世纪初, 以钢框架为主的超高层建筑多采用跳板等搭建临时作业平台, 部分材料、设备布置在平台上, 通过逐层转运实现重复使用。该平台交通不便, 受气候影响大, 安全防护措施不易架设, 物资反复转运占用垂直运力, 影响工效。

20世纪70年代欧洲发明了爬模用于钢筋混凝土竖向构件施工, 20世纪80, 90年代我国采用滑模与提模进行核心筒施工。这些装备设置数十套甚至上百套爬升装置, 模板、脚手架与对应的爬升装置组成1个模架单元。多个模架单元整合形成1个封闭的、易通行的作业空间, 可承载部分材料与小型机具。爬升时, 各单元可整体爬升也可部分爬升。上述技术减少现场劳动力与设备投入, 施工安全、速度快、工效高。滑模技术在深圳国贸大厦创造了3d一个结构层的速度。爬模技术因灵活、便捷、经济的特点成为应用最多的模架, 类似的外防护爬架及钢管柱爬架在超高层建筑施工中也广泛应用。

2007年, 为了解决超高层塔楼核心筒施工节奏落后于外框钢结构的问题, 我国在440.75m的广州西塔施工中提出少支点低位顶模用于核心筒施工。顶模低位支承使平台顶升不受混凝土龄期限制, 也为平台提供了更高的支承反力。采用顶升油缸一次顶升1个楼层, 顶升速度更快, 少支点布置使平台具有更好的适应性, 整体钢平台具有更大的承载力与刚度, 可附着更多的设备、设施, 可形成更加封闭、可靠的作业与交通环境。这些特点大幅提升了核心筒施工速度, 消除了核心筒施工节奏对工期的制约。

近10年, 我国在顶模基础上进一步发展出集成平台装备, 采用高承载力“微凸支点”及“空间框架”作为平台结构受力骨架, 形成巨型钢罩覆盖在核心筒上部。平台承载力高达上千吨, 可抵御14级大风作用, 集成了以塔机为代表的各类设备、设施, 具备多层次立体作业空间与交通系统, 配备智能在线监控系统。整个平台类似1个可移动的建造“工厂”, 显著改善作业环境, 大幅提升工效, 进一步缩短工期与施工投入。

重大超高层建筑主要采用超长、大直径、高承载力桩基。大直径超长桩成孔深度大, 施工时间长, 导致泥浆密度大、含砂率高, 桩身泥皮、沉渣与垂直度的控制问题十分突出, 超长、超重钢筋笼的加工、制作及吊装面临较大困难, 受限于起重设备能力, 超长钢筋笼吊装需分段逐节在孔口进行安装、连接、下放, 主筋直径大、数量多、刚度大, 对钢筋笼的有效快速连接提出了较大挑战。

采用人工造浆, 气举、泵吸反循环清孔, 泥浆静化装置除砂, 桩底桩侧联合后注浆等措施可有效解决大直径超长灌注桩的施工质量问题;超长钢筋笼通过专用胎架及预拼装技术, 确保钢筋笼准确顺利拼装;采用分体式直螺纹连接技术, 加快节与节之间钢筋笼主筋的连接速度, 缩短成孔静置时间。

超高层建筑建造投入巨大, 资金与资源成本与工期息息相关, 通过基坑与地下室的逆作施工可以有效缩短工期。314.5m的南京青奥中心采用全逆作施工, 19个月完成双塔楼施工任务, 较传统顺作法施工节约工期1年以上。

全逆作施工使地下结构施工对工期关键线路的占用大幅降低。该技术采用一体化的设计、施工建造方法, 分阶段验算地下结构的嵌固性能与施工措施;结构设计多采用一柱一桩形式, 均匀分布竖向荷载, 施工中重点控制桩基垂直度与施工质量;逆作节点设计与施工要保证受力体系的可靠转换与节点质量可控;整个逆作过程需进行全过程实时监控。全逆作施工技术难度较大, 包括上海环球金融中心在内的很多超高层采用塔楼顺作、裙楼逆作方式也可节约工期, 而技术难度较低。

重大超高层项目普遍采用桩筏基础, 筏板多为一次性浇筑的超厚巨型钢筋混凝土板。上海中心大厦筏板为直径121m、厚6m的C50钢筋混凝土圆台, 混凝土方量高达6万m³。

大体积混凝土浇筑过程产生大量水化热导致内外温差急剧升高, 容易产生裂缝。选用低水化热水泥, 减少水泥用量, 掺入粉煤灰、高效减水剂及引气剂减少混凝土水化热;控制混凝土入模温度, 降低内部混凝土绝对温度与内外温差;采用水管循环冷却系统进行热量交换, 降低内外温差;做好混凝土养护, 加强温度监控与反馈。

超高层建筑施工测量控制网转换多, 容易产生测量误差累计;随着高度的增加, 大风、温度、设备运行、结构自振都会引起结构摆动与变形, 进而影响转测与投测;结构压缩变形、基础沉降随结构施工不断发展, 导致结构最终位形与设计位形偏离;施工中结构自身及众多设备、设施阻挡, 影响“通视”也是施工测量面临的一大挑战。

建立多级测量控制网, 每间隔数层设置1个测量控制网转换层, 内控与外控相结合, 每个测量转换层采用外控和GNSS系统进行内控点校核, 逐层逐步修正;避免恶劣天气及较大的施工荷载时进行控制网点的布设;通过数值模拟, 分析超高层建筑施工中竖向变形的分布规律, 采用竖向变形主动补偿技术, 保证结构标高与设计标高一致;选择连梁、悬挑平台等作为控制网点, 减少结构及设备、设施的“通视”干扰。

超高层建筑施工垂直运力要求高、重型构件规模庞大, 需要布置多台大型塔机、施工电梯;施工现场场地狭小, 材料及构件堆场布置受限, 影响塔机选型;塔楼平面尺寸狭小, 塔机、模架、电梯、泵管等众多设备、设施相互干扰;电梯、塔机等设备占用结构位置影响后序施工插入。530m的天津周大福应用4台大型动臂塔机以及8部双笼变频高速施工电梯。

塔机的选型除了考虑运力需求, 还要参考大型构件的吊重与堆场布置情况;施工电梯的选型除了考虑运力需要, 还要参考运输小型物资的空间与载重要求;塔机与施工电梯根据结构形式、模架支点、施工阶段、设备性能、堆场布置等因素综合考虑选择平面及立面布置, 动态调整, 避免设备间相互干扰, 减少设备对后序施工的影响;结构高度增加到一定程度时, 施工电梯通过分区接力运输提高运行工效, 而正式电梯提前插入则可大幅减少施工电梯投入与作业位置占用。2016年, 我国研制出廻转式多塔机平台系统用于468m的成都绿地中心施工, 大幅优化了垂直运输设备的选型与布置。将不同级别的塔机安装在可360°廻转的自爬升平台上, 通过平台廻转满足整个结构的吊装要求。

塔楼地上结构是超高层建筑施工的主线, 不同的结构体系往往采用不同的技术路线, 相同的结构体系也可选择不同的技术路线。不同技术路线的施工装备、工艺等存在较大差别。

钢筋混凝土框架剪力墙和框架核心筒结构高度较低, 多采用爬模、爬架配合自升式平臂塔机施工, 框架与核心筒 (剪力墙) 同步施工, 砌体、机电随后分层插入。钢结构框架核心筒结构高度更高, 多采用爬模或顶模配合自爬式动臂塔机施工, 楼层核心筒先行施工, 外框跟进施工, 砌体、机电、幕墙、装饰分层插入。核心筒施工又分水平与竖向同步或异步施工。

框架与核心筒 (剪力墙) 同步施工, 设备、设施投入较少, 作业环境好, 便于组织与管理;框架与核心筒异步施工, 立面上划分多个作业面, 便于形成施工流水, 可提高工效, 避免窝工。然而, 异步施工要合理分配垂直运力, 及时做好工序穿插, 搭建通畅的交通网络, 使不同作业面施工节奏保持一致。另外, 立体交叉作业容易因高空坠物产生相互干扰, 施工中务必做好水平隔离与封闭, 确保施工安全。

超高层建筑施工场地较为狭小, 各种设备和材料密集, 大型设备、堆场、通道、加工房、设备房集中布设, 布设不合理将会严重影响施工工效。

根据结构施工进度与节奏合理安排设备、物资与专业队伍进场, 确保相关工序顺利开展, 提高场地利用效率;合理安排堆场, 减少吊装的水平运距, 避免二次转运;建立高效的交通网络, 避免货车场内掉头, 缩短人员及车辆的场内通行距离;利用裙楼等早期完工的结构作为临时加工场地与堆场, 缓解场平布置压力;根据施工进度及时调整现场平面布置。

高强钢材已经在国内外众多超高层建筑中得到应用, 如CCTV新台址主楼钢柱与节点中使用了数千吨最大板厚达135mm的Q420与Q460钢材。

高强钢材应用, 首先应严格控制材性指标, 以央视新台址Q460钢材为例, 其屈强比<0.85、伸长率>20%、碳含量<0.5%、板厚>60mm时Z向性能需达到Z35级。高强钢强度提高, 碳含量增大, 可焊性显著降低, 焊接残余应力大, 容易产生裂纹。正式施工前应通过焊接工艺试验, 获取可靠的焊接参数;焊前充分预热, 焊中控制层间温度, 焊后热消氢处理可有效控制裂纹产生;采用分段退焊工艺, 通过焊接过程监测及调整, 减少焊接变形;焊后48h进行探伤, 15d后进行延迟裂纹探伤, 保障焊接质量。

随着泵送设备性能的提升, 高强混凝土超高泵送已广泛应用于重大超高层建筑, 早期的接力泵送也逐步发展为一次泵送。哈利法塔已将C80混凝土一次泵送至570m高空。

高强混凝土高黏的特性不利于高压环境下超高泵送, 容易造成堵管及混凝土性能劣化。优选矿物掺和料减小流动阻力, 利用高效减水剂降低浆体黏聚性, 通过以上措施提高混凝土可泵性;通过混凝土配合比设计试验, 控制水泥用量、优选骨料控制混凝土可泵性、减小混凝土性能损失;优选压力充分、运行稳定的泵送设备保证泵送高度、速度及可靠性。

超高层施工作业人员位于数百米高空, 大风作用是作业人员面临的首要挑战;大量的临边与立体交叉作业导致高空坠落与坠物的风险加大, 危害极高;钢结构安装过程大量采用狭窄的临时通道, 通行困难且危险;结构自身的晃动与大型机械的振动、噪声同样影响作业人员。这些问题不但威胁作业安全, 还会导致施工降效。

依托施工模架或平台构建封闭、耐用、交通便利的作业环境是解决高空作业安全的重点;合理组织作业工序, 减少立体交叉作业, 避免坠物打击。当必须进行立体交叉作业时, 一定要做好水平隔离;合理配置照明系统, 特别要确保核心筒内部夜间施工不受影响;做好临边、洞口防护与标示, 严格监督作业人员穿戴安全装备, 高空作业必须系好安全带;做好天气预报与预警, 极端大风天气禁止施工。

超高层建筑采用钢框架核心筒结构时, 塔楼施工中内、外筒竖向变形差将引起伸臂桁架产生较大的附加内力, 威胁结构安全;超高层建筑结构上部尺寸与截面较小, 且竖向结构往往先行施工。塔机、模架等装备附着于上部结构时, 附着反力可能导致竖向结构局部破坏。武汉绿地中心大厦施工中, 采用3台450余t重的M1280D塔机, 单台塔机弯矩达到24 500k N·m, 原结构可用附着仅为400mm厚无支承墙体。

目前, 重大超高层建筑施工均采用MIDAS, ANSYS等通用软件进行施工全过程模拟, 分析结构竖向变形差异, 计算结构内力, 验算加固措施;混合结构伸臂桁架层往往在上部结构施工数层后才予以封闭以减少附加内力;上部竖向结构墙体支承位置内力较大时可通过增加钢筋或型钢的形式进行内部加固, 条件容许时, 也可采用墙体面外支承进行临时加固。

巨型外框柱、环带桁架、伸臂桁架等巨型构件, 截面大、构件长、构造复杂、空间狭小、钢筋密集、制作与安装困难。天津117大厦角柱截面达11.2m×5.2m, 钢板厚度达到120mm。

巨型构件根据加工、运输及现场安装进行合理分节、分块及构造设计, 优化现场安装环境, 减少构件吊装与施工模架或平台的冲突, 确保现场钢筋绑扎、焊接、混凝土浇筑的工效与质量;巨型构件制作采用计算机三维模拟放样、工厂整体预拼装以提高其制作精度;加强巨型构件质量检测与监测, 巨型钢管混凝土柱宜进行足尺构件试验确保质量。

超高层建筑平面尺寸小, 机电系统庞杂, 结构狭小的管井内密集布置着消防、蒸汽、冷冻水等多种介质的机电管线, 安装困难, 工效差, 质量不易控制。预制组合立管技术很好地解决了井道内的管组安装难题。

管井内的立管按多个楼层1段进行分节, 连同管道支架预先在工厂内制成单元管段, 运至施工现场整体安装。预制组合立管运输过程要防止构件变形;安装前, 应对管井结构尺寸、标高进行复核;现场吊装时应避免旋转、摆动以防管组碰伤;立管吊装完成, 应对管道及管架进行垂直、水平精确定位。

高强、轻质、耐候、耐火、耐久的高性能材料是超高层建材发展的方向。除此以外, 为了降低超高层建筑对资源的消耗, 减少排放与污染, 采用生态材料、智能材料将是大势所趋。

生态建材是采用清洁生产技术, 大量使用工业或城市固态废物生产的有利于环境保护和人体健康的建筑材料, 如生态水泥、生态混凝土、生态玻璃等材料。自修复混凝土属于典型的生态混凝土, 模仿动物的骨组织结构受创伤后的再生, 恢复机理, 采用修复胶粘剂和混凝土材料相复合的方法, 对材料损伤破坏具有自修复和再生的功能。

智能材料具有自我诊断、调节与修复功能, 可主动调节建筑室内的环境参数, 减少能源消耗与排放。吸湿放湿材料可以根据环境湿度自动吸收或放出水分, 进而保持环境湿度平衡;自动调光玻璃, 可以根据外部光线强弱调节进光量, 满足室内采光需求。

超高层建筑是现代建筑科技的结晶, 发展迅猛, 但其施工装备的发展则明显滞后。新一轮超高层建筑热潮再次涌现, 在劳动力市场进一步萎缩、市场竞争压力不断加剧的情况下, 装备革新将成为占领这一市场的必然选择。

2016年我国研制出循环运行施工电梯装备。该施工电梯类似循环运行的地铁, 通过旋转换轨机构, 实现单根导轨架循环运行多个梯笼, 电梯运力提高数倍。除了循环电梯, 廻转塔机平台、现场焊接机器人等新型装备都将为超高层建筑施工带来巨大变革。

超高层建筑施工作业面多, 工序繁杂, 需要大量作业与管理人员。通过智能化施工可以有效减少用工需求, 大幅提升施工质量与效率, 及时消除施工风险。这是建筑产业转型升级的重要抓手, 也是建筑工业化发展的重点内容。

目前, 智能化施工主要分为智能化装备与智能化监控系统2类。智能混凝土布料机可根据核心筒混凝土墙体位置自动规划布料杆运行轨迹, 当运行中遇到障碍物时可以主动绕行。泵管智能监控系统通过监测泵压判断混凝土堵管的趋势与位置并预警, 以便及时排除隐患。

超高层建筑施工涉及海量建筑信息, 需要快速分享与反馈。信息化施工是在施工过程中通过广泛应用传感器、互联网、移动通讯、云平台等信息载体与平台, 对工期、人力、材料、机械、资金、进度等信息进行收集、存储、处理和交流, 并加以科学地综合利用, 为施工管理及时、准确地提供决策依据, 这是提高超高层建筑施工工效的重要基础。

近年来, 建筑信息模型 (BIM) 技术快速发展, 并已成为重大超高层建筑施工的“标配”。BIM采用数字建模方法使建筑信息参数化、数字化, 从而形成可视化模型, 并以此为平台实现不同主体的信息共享, 显著提高了建筑信息的使用效率。

模块化施工可有效减少现场作业, 降低资源消耗和对周边环境的影响, 是建筑工业化发展的重要方向。目前, 以组合立管、整体式机房为主的机电系统模块化施工已经在超高层建筑施工中得到广泛应用, 并取得了良好的效果。今后的发展一方面是提高机电、幕墙、装修、钢结构等专业的模块化组件占比, 加强设计、制作、安装的协同深化技术, 利用测量机器人、实景扫描技术提升安装精度, 研发系列的模块化安装机具等;另一方面, 大力推广新型装配式桁架组合楼板、整体式钢筋笼等模块化组件的应用, 提升混凝土结构施工工效, 减少现场劳动力投入, 提高机械化作业水平。

建筑工业化发展除了推进预制装配式建筑外, 也要提升建筑工程施工现场的工厂化建造水平。超高层建筑施工材料、人员及工序众多, 设备、设施及作业面分散, 交通条件差, 露天作业环境受气候影响大。进一步推进以“集成平台”为载体的“工厂”化施工方式将很好地解决上述问题。利用平台材料与设备的集约优势, 合理调配材料与作业人员, 不断提高机械化作业水平, 广泛采用模块化施工技术, 显著提高工人的作业与交通安全, 有效改善现场文明施工环境。

绿色施工是可持续发展理念在工程施工中实现建筑领域资源节约和节能减排的关键环节。绿色施工应着重推行绿色施工技术, 提高工程降水、太阳能利用率, 增加建筑垃圾、废弃物的回收利用;注重建筑及其围护结构的隔热保温技术、绿色材料、绿色施工机具的研究应用;建立绿色技术产学研用一体化机制;采用信息化技术提高绿色施工管理, 以最少的资源投入完成工程。

未来超高层在全球特别是亚洲地区将持续快速发展, 超高层建筑的革新对施工技术的发展正提出新的更高要求。大力推进超高层建筑施工技术进步是工程建设领域肩负的使命与努力的方向, 希望本文能对行业发展起到积极作用, 为行业从业工作者提供参考借鉴。