[摘要] 详细介绍了国内外超高层建筑的发展过程,并列举出目前世界前10 座超高层建筑,然后分别从建筑的房屋高度、不规则程度两方面重点分析了我国对超高层建筑的界定,在简要说明了我国超高层建筑的几种施工方法后,结合工程实例详细讨论了具体的施工工艺。[关键词] 超高层建筑;界定;现代施工

超高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的,是商业化、工业化和城市化的结果。在土地资源十分宝贵的城市,尤其是我国人口众多、居住面积少的情况下,修建适量的超高层建筑是发展的必然方向。国外的高层建筑于19 世纪后期开始修建,超高层建筑在20 世纪早期逐渐发展起来;我国的高层建筑从20 世纪初开始修建,超高层建筑开始于1973 年。目前,国内已形成以上海金茂大厦、广州中信大厦、深圳地王大厦、青岛中银等以及在建的上海环球大厦、广州新电视塔为代表的超高层建筑。

1 　超高层建筑的发展及特点

1.1 　超高层建筑的发展趋势

20 世纪是超高层建筑起步及发展的黄金时期,我国的超高层建筑虽然起步晚于国外发达国家,但其发展速度快于国外,如图1 所示。此外,超高层建筑由单一的钢筋混凝土结构向钢筋混凝土、钢结构以及钢2混凝土组合结构的多元化方向发展,从最初的框架结构向框架、框2剪、剪力墙、框2筒、筒体等结构形式演变,并且不断向“高度更高、规模更大、地下室更深、结构更复杂、功能更齐全”方向迈进。

1883 年建成的芝加哥家庭保险大楼,地上11 层,高55m,是世界上第1 座按照现代钢框架结构原理建造的高层建筑,是现代高层建筑的开端。进入20 世纪,超高层建筑得到较大发展,1913 年建成了当时最高的纽约伍尔沃思大楼(52 层、高243.8m) ,1931 年修建的102 层纽约帝国大厦,高381m,享有“世界最高建筑”之称长达40 年。1972 年,纽约建成了110 层、高417m的世界贸易中心大厦;1973 年建成的芝加哥西尔斯大厦110 层、高443m,享有“世界最高建筑”之名20 多年。位于阿拉伯联合酋长国的世界第一高迪拜塔,高度超过800m,将于2008 年建成。

我国高层建筑起源于20 世纪二三十年代的上海,1929 年建造的14 层上海华懋公寓大楼,是我国最早的高层建筑。1934 年修建的“远东第一高楼”上海国际饭店,地上22 层,高82m,钢框架结构。我国第1 座超过100m高度的建筑是1976 年建成于广州的白云宾馆(高112m、33 层) 。1985 年修建的深圳国贸大厦以高于150m的高度带动国内超高层建筑的快速发展。进入90 年代后,我国的超高层建筑技术发展迅速,其特点是进一步向“高、深、大、复杂”方向发展。1990 年,北京京广中心突破200m; 1996 年建成的深圳地王大厦高384m;1998 年建成的88 层上海金茂大厦,高420m。正在修建的上海环球金融中心高492m,广州新电视塔将超过600m。

1.2 　世界超高层建筑排名

2004 年,高层建筑暨都市集居委员会认可的世界超高层建筑排名中,包含了超高层建筑的最高建筑细节,但不纳入建筑结构所带来的高度,如天线等,表1中列出了世界前10 座超高层建筑。表中的这种排列方式,允许看起来较低的建筑比一些看起来较高的建筑高些,许多看起来更为高大的超高层建筑,因其顶部的天线或尖顶不被认为是建筑物主体的一部分而被扣除其相应的计算高度。如果以最高使用楼层高度与天线高度排名,西尔斯大楼均超过双峰塔位列第二。而且,该排名建筑中不包括高耸构筑物,例如西恩塔之类的通讯塔、桥梁或钻油平台的独立建筑。纽约的世界贸易中心在倒塌前位列该表第6 位。

低于香港中环广场之后的超高层建筑依次为367m高的香港中银大厦、355m 高的迪拜阿联酋大厦、348m 高的高雄85 大楼、346m 高的芝加哥怡安中心、346m高的香港中环中心、343m高的芝加哥约翰汉考克中心等。

图1 　超高层建筑发展曲线

1) 台北101 　2004 年建成的台北101 (见图2) 包含1 座101 层的塔楼、1 座6 层的裙楼及地下5 层地下室,地上部分高508m,建筑总面积约370 000m2 ,是目前为止世界上最高的已建成超高层建筑。在“世界高楼”的4 项指标中,拥有世界最高建筑物(508m) 、世界最高使用楼层(438m) 和世界最高屋顶高度(448m) 的3 项世界第一指标。101 层塔楼的结构以井字形巨型构架为主,巨型构架在每8 层楼设置1～2 层楼高的巨型桁架梁,并与巨型外柱及核心斜撑构架组成近似11 层楼高的巨型结构。地下室外墙的构筑采用MHL 工法的地下连续墙,其用途兼具开挖时的临时挡土墙及地下室的永久结构外墙。

2) 上海金茂大厦　位于上海浦东陆家嘴金融贸易区的金茂大厦(见图3) 于1998 年8 月建成。占地236万m2 ,建筑面积28.95 万m2 ,高420.5 m,88 层,是目前国内最高的超高层建筑。大厦塔楼主体结构的4 个组成部分为:八角形的钢筋混凝土核心筒,位于核心筒四周的8 根巨型组合柱,钢结构框架柱、梁,楼板结构。大厦融合了中国传统文化与现代高新科技,是中国古老塔式建筑和海派建筑风格的结合。获得过国际结构设计大奖的设计方案极大地增加了建筑施工的难度,施工单位结合国外超高层建筑的施工方案,开发国内施工技术,创新合理的超高层施工方法,使该工程的施工质量达到国内先进水平。

3) 迪拜塔　即将于2008 年建成的世界第一高迪拜塔(见图4) ,位于阿拉伯联合酋长国迪拜,迪拜塔的高度将超过800m。单式结构的迪拜塔由连为一体的管状多塔组成,其基座周围采用了富有伊斯兰建筑风格的几何图形———六瓣的沙漠之花,具有太空时代风格的外形。

图2 　台北101 　　       图3 　金茂大厦　　       图4 　迪拜塔

迪拜塔575m高的混凝土主体部分约有160 层,建筑面积49.5 万m2 。其上部有一个钢结构的塔顶与大厦主体部分紧密连接,能使迪拜塔达到设想的任意高度,满足其达到世界第一高的条件。

2 　超高层建筑的界定

对超高层建筑的定义,不同的国家有不同的标准。联合国于1972 年举办的国际高层建筑会议将超高层建筑定义为40 层以上或者高度超过100m 的高层建筑;日本将15 层以上建筑定义为超高层建筑。我国对超高层建筑无明确的定义,但在国家现行建筑规范和行业标准中均有一定说明,可分别从建筑的房屋高度、不规则程度两方面详细界定超高层建筑。

2.1 　从房屋高度界定超高层建筑

对于一般建筑,规范根据建筑物的高度等级、房屋类型、结构体系、抗震烈度的不同,从房屋高度方面明确了超高层建筑的最低房屋高度,即房屋高度超过表2 中数值的一般建筑属于超高层建筑。

2.2 　从不规则程度界定超高层建筑

界定超高层建筑时,除了以一般建筑的房屋高度为依据外,还应该考虑建筑的不规则程度,特别是不规则高层建筑,可能因其不规则程度而将其归为超高层建筑范围。通常,对于不规则的高层建筑,可以根据其不规则程度的大小来界定其是否属于超高层建筑,而不规则程度的大小可以分别从“同时具有三项及其以上不规则”和“具有其中一项不规则”两种情况进行区别。

2.2.1 　同时具有下述三项及其以上不规则高层建筑

现代建筑存在众多造型不规则的建筑结构,如果单从房屋高度考虑,该类建筑的房屋高度属于高层建筑高度范围,未达到超高层建筑房屋高度条件。但因其平面布置等方面的不规则,造成该类高层建筑如果同时具有以下三项及其以上的不规则因素时,可界定为超高层建筑。该类建筑的不规则因素有: ①楼层的最大弹性水平位移(或层间位移) 大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移) 平均值的1.2 倍; ②抗震设防烈度为7度时,建筑平面长宽比大于6.0 ;抗震设防烈度为8 度时,建筑平面长宽比大于5.0 ; ③结构平面凹进或凸出的一侧尺寸(从抗侧力构件截面中心算起) 大于相应投影方向总尺寸的30 %; ④结构平面突出部分的长度超过连接宽度; ⑤楼板的尺寸和平面刚度急剧变化,例如,有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50 % ,或开洞面积大于该层楼面面积的30 %; ⑥等效剪切刚度小于相邻上层的70 % ,或小于其上相邻3 个楼层等效剪切刚度平均值的80 %; ⑦除顶层或裙房(辅楼) 高度小于主楼的20 %外,局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25 %; ⑧下部楼层水平尺寸小于上部楼层水平尺寸的90 % ,或整体外挑尺寸> 4m; ⑨带转换层(抗震设防烈度7 度的转换层位于5 层以下,抗震设防烈度8度的转换层位于3 层以下) 、加强层、或错层(错层高度≥600mm或梁高) 等复杂结构的高层建筑(任一类型按一项不规则计) ; ⑩抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80 %。

2.2.2 　具有下述其中一项不规则的高层建筑

现代高层建筑还存在众多造型独特的房屋结构,该类建筑的结构形式不同于一般建筑,其不规则程度大于常见的不规则高层建筑。如果该类造型独特的高层建筑具有以下其中一项不规则因素,则可界定为超高层建筑。

1) 结构平面凹进或凸出的一侧尺寸(从抗侧力构件截面中心算起) 大于相应投影方向总尺寸的40 %。

2) 抗震设防烈度7 度时,结构平面突出长度超过连接宽度的2 倍;抗震设防烈度8 度时,结构平面突出长度超过连接宽度的1.5 倍。

3) 结构平面为角部重叠的平面图形或细腰形平面图形,其中角部重叠面积小于较小圈形的25 % ,细腰形平面中部两侧收进超过平面宽度50 %。

4) 楼板的尺寸和平面刚度急剧变化,例如,有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的40 % ,或开洞面积大于该层楼面面积的35 %(包括错层) 。

5) 等效剪切刚度小于相邻上层的60 % ,或小于其上相邻3 个楼层平均值的70 %。

6) 除顶层或裙房(辅楼) 高度小于主楼20 %外,局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的30 %。

7) 下部楼层水平尺寸小于上部楼层水平尺寸的80 % ,或整体外挑尺寸> 5m。

8) 转换层位置超过《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ322002 规定的高位转换层的结构(即抗震设防烈度7 度:5 层及其以上;抗震设防烈度8 度:3 层及其以上) 。

9) 错层结构(错层高度≥1.2m) 、连体结构或多塔楼高层建筑。

10) 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的65 %。以及几种特殊复杂的高层建筑:塔楼位置明显偏置的大底盘(裙房) 高层建筑、厚板转换的高层建筑、巨型结构的高层建筑、单跨框架结构的高层建筑、超出规范规定的混合结构体系(如下部为钢筋混凝土结构、上部为钢结构) 的高层建筑。

3 　我国超高层建筑的几种施工方法

我国超高层建筑发展至今,形成了一系列的施工方法,如地下室的逆作法或半逆作法、整体滑模法、整体爬模法、钢结构的施工技术、超高层建筑混凝土泵送技术、钢2混凝土组合施工技术等。

3.1 　逆作法

逆作法的施工原理为:先沿建筑物地下室轴线或周围修建地下连续墙或其它支护结构,同时在建筑物内部的有关位置浇筑或打下中间支承桩和柱,作为施工期间于底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的支撑;接着施工地面一层的梁、板、楼面结构,作为地下连续墙刚度很大的支撑;随后逐层向下开挖土方并浇筑地下各层结构,直至底板封底;由于地面一层的楼面结构已完成,所以可以同时向上逐层进行地上结构的施工;如此地面上部结构和地下结构同时施工,直至工程结束。深圳地王大厦地下室的施工采用半逆作法,上海环球金融中心的裙房地下室建造采用逆作法。

3.2 　整体滑模法

超高层建筑施工中采用整体滑模法,有利于主体结构的整体性;可减少附着、运转、管网敷设等工作;节省加设工具、模板装置费用;减少高空交叉作业,有利于安全、文明施工;扩大了施工作业面,加快施工速度。武汉国际贸易中心大厦即采用液压整体滑模法。

3.3 　整体爬模法

超高层建筑的筒体结构,常用整体爬模法施工。先将配备整层高度的大模板经若干个千斤顶通过支架及横梁整体平稳顶升到位后校正,再浇筑混凝土;待模板下口到达上层楼面标高后,然后进行水平结构的施工。上海环球金融中心和北京国贸二期的施工均采用整体爬模法。

3.4 　钢结构施工技术

采用钢结构的超高层建筑,对钢结构的吊装、测控、焊接及吊装机械安装和拆除等技术均要求甚严。深圳地王大厦的主体结构为钢结构,施工过程中综合应用了钢结构施工技术。

3.5 　超高层建筑的混凝土泵送技术

超高层建筑的混凝土强度高,体量大,国内均为泵送混凝土。为保证浇筑工效,不仅要求泵送混凝土具有恰当的配合比,还必须使用相当数量的混凝土泵机和布料机。泵送流程为:现场布置混凝土泵机→配备混凝土输送直管和弯管→固定输送管→泵送水泥浆或水泥砂浆→泵送混凝土。泵送时应注意:每车混凝土出料前应高速搅拌1min 左右,保证其均匀性; 必须配足混凝土罐车,保证一个施工段的混凝土连续浇筑;泵送期间经常检查混凝土的坍落度,保证泵送质量;高温季节泵送时,输送管须覆盖遮阳并向泵管上喷洒冷水降温;低温季节泵送时,对混凝土泵进行挡风处理,用保温材料包裹输送管进行保温。

3.6 　钢-混凝土组合施工技术

钢-混凝土结构很好地利用了高强度钢与混凝土的各自特性,使构件截面减小,而结构整体强度提高,有钢管混凝土、型钢混凝土等多种形式。国内常用钢管混凝土结构,钢管混凝土结构是用圆形或多边形钢管内填充混凝土的柱和其它结构,深圳赛格广场采用了16Mn ∮1600mm×28mm 的钢管混凝土结构,重庆世界贸易中心采用16Mn ∮1500mm×25mm 的钢管混凝土结构。

4 　工程实例

4.1 　武汉国际贸易中心大厦

1995 年建成的武汉国际贸易中心大厦(见图5) 是一座地下2 层、地上55 层的超高层建筑,高211.8m,总建筑面积超过13 万m2 。大厦为钢筋混凝土筒中筒结构,内筒和四角均为剪力墙结构,外筒为框架,水平结构为无粘结预应力密肋梁楼板,梁宽200mm,梁高550～650mm, 间距800 ～850mm, 每层密肋梁数量为144根。内筒及角部板厚100mm,密肋板70mm,内筒剪力墙厚650～300mm,框架梁、柱宽1 350～550mm。混凝土强度等级:11 层以下为C55 ,12～23 层为C50 ,24～35层为C45 , 36 层以上为C40 。采用墙、柱、梁整体液压滑模施工技术。

武汉国际贸易中心大厦的滑模面积属于当时全国第一,一次滑模面积2 300m2 ,采用6t 千斤顶、∮48mm ×3.5mm钢管支承杆在结构体内外混合布置等滑模措施均为国内首创,且体外采用工具式钢管支承杆,滑模施工技术达到了国际先进水平。整体液压滑模从±0.00 开始起滑,采用“滑二浇一”的方法进行,即先滑n 层墙、柱、梁,后滑n21 层楼板,然后n 层剩余部分与n + 1 层连续滑模, 施工缝设在每层密肋梁下200mm。其滑模施工工艺为: ①剪力墙和框架柱以上、密肋梁下200mm高度范围内(标准层为楼面以上2.75m处)按一般滑模方法进行,以145～170mmPh 的滑升速度将混凝土浇至密肋梁下200mm 处; ②框架柱与剪力墙同步滑升,当混凝土浇至框架梁底标高处,解除框架柱、梁插板与滑升模板的连接; ③当模板上口滑至框架梁底下800mm处时(标准层为楼面以上1.2m处) ,开始支框架梁底模板,随着滑模上升,绑扎框架梁的底部钢筋、箍筋、腰筋,直至完成; ④当模板上口滑至框架梁底标高以上300mm时,浇筑框架梁混凝土,浇至密肋梁下200mm 止; ⑤采用空滑措施, 在4h 内将模板滑升200mm,使模板脱开混凝土,模板上口提升至密肋梁底标高处; ⑥在n 层墙、柱滑模的同时,进行n21 层的支模、绑筋、浇筑混凝土并养护等工作; ⑦当墙及框架梁的混凝土浇至施工缝标高时,在提升架横梁下提前绑扎密肋梁钢筋,在n - 1 层的密肋梁上支撑n 层密肋梁底模,梁的钢筋放入底模上,并将全部模板滑升到梁底标高以上200mm; ⑧开始第2 次浇筑混凝土,先浇墙、柱及框架梁400mm高度的混凝土,再浇一部分密肋梁的混凝土(200mm) ,当模板上口滑升至楼板底标高时,进行密肋梁第2 层混凝土(约280mm) 及墙和框架梁剩余部分的浇筑; ⑨从第2 层浇筑后4h 起,密肋梁(包括梁高范围内的墙及框架梁) 浇筑时间控制在24h 内,滑升速度平均55mmPh ; ⑩在梁滑模的同时,绑扎上一层模板高度范围内的墙、柱钢筋,当梁的混凝土浇筑完成后,接着继续上一层的浇筑和滑模。

4.2 　深圳地王大厦

1996 年建成的深圳地王大厦(见图6) 高384m,地下3 层,地上81 层,建筑面积14.97 万m2 。主楼中间部分为“核心墙+ 劲性混凝土”筒中筒结构,外框为全钢结构,26 根箱形钢柱(最大规格为2 500mm×1 500mm×70mm) 通过钢梁、斜撑与核心墙连接,楼面铺设压型钢板(14 万m2 ) 后浇混凝土,结构复杂,斜撑、异型构件多,施工难度大。

1) 大型M440D 内爬塔吊的爬升与拆除技术塔吊是超高层建筑钢结构工程的施工核心设备和垂

直运输设施,垂直设备的选择与布置应根据超高层建筑的结构形式、现场条件及运输构件的重量等因素综合考虑。该工程选用的2 台大型M440D 内爬塔吊,分别布置在核心墙井道1 、5 中。

如图7 中所示的1 、2 号塔吊,能满足所有构件、材料的垂直运输,并可用于超重、超高及偏心构件的双机抬吊。塔吊的爬升方法不是传统的“塔吊互吊”方法,而是“卷扬机+ 扁担”的辅助爬升系统,提高了塔吊的使用效率,加快了爬升速度。塔吊的拆除采用了“以大化小、化整为零”的方法,很好地解决了大型塔吊拆除困难的问题。

图5 　武汉国贸大厦             图6 　深圳地王大厦             图7 　深圳地王大厦平面示意

2)“核心墙+ 劲性混凝土”钢结构施工技术

该工程在国内首次采用“核心墙+劲性混凝土”技术,核心墙筒由1、2、3、4、5个井道(见图7) 组成,内有钢结构柱24根,标准层内有钢梁24根。高宽比达到1∶9 ,超出了结构设计标准的1∶6.5 ,增加了吊装、组对和焊接难度。采用“8 榀地面2 层拼装后整体吊装”的吊装方法和“区域吊装、跟踪校正”的施工方法(先吊装南、北两边土建插入施工后就位困难的2 榀扁担梁,然后将东、西各3 榀拼装梁吊装就位,最后安装联系短梁) 后,加快了钢结构的施工进度,减少了安装与土建交叉作业所造成的影响,钢结构施工周期仅为7.5h/层,核心墙施工周期减少到3dP层。

3) 超高层钢结构吊装技术

地王大厦的主体钢结构工程的吊装直接决定整个工程的施工速度和施工质量,通过采用“区域吊装”和“一机多吊”的方法,解决了箱形柱、“A”形斜柱、桅杆等高、重、大、悬结构的吊装。26 根30t 左右的箱形柱,直接利用柱两端的临时连接板作吊点进行双机抬吊。对于长63.2m、重232t 、截面1 700mm ×1 300mm ×45mm×36mm的“A”形斜柱,分3 段运至现场组对,单边各段分别为47t 、26m,38t 、24m,24t 、13.2m,而“A”形斜柱安装后的水平倾角设计为70°30′,抬吊就位时一端始终处于悬空状态,因此,采用立于“A”形斜柱间的门架进行辅助安装就位每段斜柱的悬空组装、校正、焊接等。吊装工艺为:安装门架,其横梁至“A”形斜柱底段的安装高度→在门架横梁再定位出斜柱的就位位置→在托架两端分别布置30t 千斤顶→双机抬吊斜柱底段→将斜柱底段的上端嵌入门架横梁定位→校正斜柱底段后焊接底端固定→对称安装另一侧的“A”形斜柱的底段→两侧柱间用联系梁连接加固→加高门架至斜柱中段的安装高度→同安装斜柱底段的方法吊装斜柱中段并再加设联系梁加固→安装连接“A”形斜柱的箱形

大梁→加高门架至斜柱上段的安装高度→采用插入式、倒链辅助方法安装斜柱上段。主楼南、北两座高85.61m、重85.51t 的变截面桅杆,需要安装在主楼顶部298.34m 的位置。桅杆分3段(共9 节) 变截面到顶, 其下部直径为1524mm×32mm,中部为1117mm×32mm,顶部为711mm×32mm,下部由7 层支撑架(共31m)支撑,支撑架以上54m为外露部分。直接采用已有的2台M440D 内爬塔吊进行吊装,支撑架内的5 节桅杆按每节分别吊装就位再焊接固定;支撑架以上的4 节外露桅杆,采用每2 节在地面拼装后整体吊装的方法,即6、7 节和8、9节分别拼装后再吊装就位。

4) 测量控制技术

测量控制技术必须精准,该工程通过使用一整套激光铅直仪进行“双系统复核控制”,保证了测量控制高于一般工程,能达到较高要求。

5) 钢结构焊接技术

超高层钢结构的焊接内容复杂、工作量大、质量要求高,必须选择合理的焊接工艺才能保证工程质量。一般要求选用优秀的电焊工,定期对焊接设备进行调试,选择适当的气体压力和气体流量,搭设风雨棚,形成良好的施焊角度等。地王大厦中总计有焊缝约60 万延m,立焊、斜立焊约有8.6 万延m,共848 组接头,处于结构的重要部位,且大多处于外向、斜向及悬空部位,施工操作难度