【摘要】超高层建筑新建数量的急剧增加与城市功能的提升, 使土地供应日趋紧张, 从而造成了越来越多的在闹市区狭小区域内进行超高层建筑建造的现象。与此同时, 超高层建筑形体也呈现出更加丰富多变的形式, 为了更快的回收投资, 有不少超高层建筑还采取了分阶段的建造和使用的方法, 这些变化都对超高层建筑施工技术提出了更高的挑战。为此, 通过与重大工程结合, 深入研究了在特殊环境下超高层建筑的综合施工技术, 形成了系统的技术成果。【关键词】城市建设 环境保护 超高层建筑施工技术

1 超高层建筑发展的新趋势

进入21 世纪以后, 我国超高层建筑的发展特别是在大城市中的建筑施工呈现出新的特点, 主要有如下三个方面:

一是超高层建筑新建与老城区功能提升相结合。伴随着老城区的不断的建设, 使得区域功能愈来愈得到增强, 为适应这种需求, 超高层建筑也不断兴建, 这就使得局部区域内的超高层建筑密度越来越大, 也使得超高层建筑的建造环境发生了很大的变化, 由原来场地开阔、环境宽松、人流稀疏逐渐转变为场地狭小、环境保护要求高、人流密集。由于这种变化, 使超高建筑建造过程中的环境保护、安全防护等问题也变得非常突出。另外一种典型的情况是: 伴随着被称之谓城市“生命线”的地上及地下轨道交通等的发展,“生命线”工程也渐渐形成了密布于城市的网络, 由于土地供应紧张和方便出行的原因, 紧邻“生命线”的超高层建筑也越来越多, 这对超高层建筑深基坑施工过程中确保“生命线”和建筑结构施工本身的安全都提出了极高的挑战。

二是超高层建筑由单纯追求高度方面的发展, 到同时追求形体的特异和立面的丰富多彩, 如上海世茂广场( 图1) 就是这类结构的典型代表。在结构功能得到提升、造型优美新颖的同时, 也使上部结构的施工技术难度大大增加。如模板体系, 施工机械设备等的选择和使用都产生了以往超高层建筑建造所没有遇到的问题。

三是从超高层建筑一次建成交付使用, 到为了进一步提高投资效率, 而采用分阶段建设交付使用。因此在建设过程中也必然面临部分施工、部分开业或者上部施工、下部开业的情况, 这对施工过程中的人员安全、场地利用和确保购物环境舒适等绿色施工技术提出了新的挑战。

上述情况构成了超高层建筑建造的新特点和难点。为此, 我们结合典型工程, 对特殊环境条件下超高层建筑的施工技术进行了深入的研究, 取得了一定的创新成果。

2 特殊环境下超高层建筑施工技术

2.1 深基坑施工环境影响的控制技术

超高层建筑深基坑的施工时, 对周边环境或多或少存在一定的影响。主要原因是深基坑土方开挖过程是土体卸载过程, 会造成周边建筑、管线或地下结构产生一定量的沉降和偏移, 因此, 在深基坑施工过程中, 对周边环境影响的控制是至关重要的。特别是紧邻“生命线”工程的超高层建筑的施工, 深基坑的施工过程中的变形控制的良好与否, 事关“生命线”工程和超高层施工过程中的安全, 需要特别关注。实践证明, 采用现代控制理论对深基坑施工过程进行控制, 可以有效地解决这个难题。目前工程控制方法与系统主要有三大类: 开环控制、闭环控制和自适应控制。其中开环控制属经典工程控制方法, 非常成熟, 但由于不存在反馈系统,开环控制不能根据施工过程情况调整控制措施, 控制精度比较低。闭环控制属现代工程控制方法, 由于包含反馈系统, 能够根据结构状态监测结果不断调整控制措施, 适合结构复杂的工程, 控制精度比较高。自适应控制属最新的工程控制方法, 理论研究和工程实践都取得一定成果, 但总体上还处于探索阶段。在目前, 闭环控制方法是深基坑施工过程控制中比较有效的方法。深基坑施工控制技术主要通过围护方案优化、土方开挖过程优化、信息化施工等来实现。基于上述分析和研究, 特殊环境下深基坑施工的总体思路和方法是以现代工程控制理论为指导, 以结构- 岩土共同作用分析方法为手段, 通过施工方案的优化达到施工过程环境受控的目的。

在总体方法的框架下, 我们对深基坑施工过程中所涉及到的安全封闭和拆除技术、承压水处理技术、挖土工艺、支撑处理技术、桩墙的不均匀沉降控制技术、环境保护技术等专项技术也进行了系统研究, 并形成了行之有效的成套施工技术, 取得了多项专利。这些技术在上海长峰商城深基坑施工过程中( 图2、3) 得到了成功的应用。长峰商城基坑面积约22 000 m2, 主楼基坑最深处达- 22 m, 又紧邻营运中的地铁2 号线和3 号线, 最近处仅1 .9 m, 且地处市区建筑高密度、施工场地狭窄的区域。在深入调研和方案比较之后, 采用逆作法和缩小施工块的方法, 成功地控制了基坑的变形, 为特殊环境条件下深基坑的施工提供了宝贵的经验积累。

2.2 地上结构施工技术

2.2.1 斜爬模体系的设计和应用

在以往超高层建筑建造过程中, 电动脚手及模板系统得到了广泛的应用, 这在超高层建筑结构立面垂直时此类体系具有良好的适应性, 但当结构立面为斜面或者曲面的时候,这类体系会遇到很大的困难。而在闹市区的超高层建筑施工时, 通常均面临场地狭小, 距离地面交通较近的实际情况, 因此必须采用安全可靠的脚手和模板体系, 这样才能既可以保证工程顺利的进行, 又可以兼顾周边闹市区的安全。因此对结构较为特殊的形体, 如立面呈斜面和曲面的情形下, 模板体系的选用具有很高的难度。针对这个问题, 经过研究开发,我们创新性地提出了一种可分离的斜爬模体系, 可以充分适应高层建筑各种特殊外立面的要求。这种斜爬模体系在上海长峰商城斜曲面的施工中得到了成功的应用。其施工流程如图4 所示。

2.2.2 可收分整体提升钢平台技术

整体提升钢平台具有整体性好、安全性高、施工操作面大等优点, 因此在超高层建筑核芯筒施工中也得到了广泛的应用。但是如果核芯筒形状上下变化较大, 则整体提升钢平台也就面临收分处理的困难。针对这个问题, 我们研究开发了可收分的整体提升钢平台体系。其构成和工作原理如下: 在建筑结构核芯筒剪力墙上设置格构柱, 用钢梁和钢板搭设平台, 将内外脚手悬挂于钢平台下, 再采用提升设备将整个钢平台随楼层施工进行提升。遇到核芯筒向内倾斜收缩时, 自升钢平台的支撑钢柱开始裸露, 此时将部分脚手和钢梁拆除, 然后将核芯筒的挂脚手内移, 其空挡部分用悬锚脚手镶平。如施工中要经历拆除部分内脚手和拆除部分钢梁的过程时, 则在剪力墙增设悬锚脚手或钢桁架进行过渡, 并随楼层上升逐层补缺, 以满足施工操作。在此过程中, 如遇钢平台的型钢支撑柱裸露在外,可应用型钢斜向设置支撑, 加固这些钢立柱, 型钢斜撑纵横要全部拉通, 并且这些型钢斜撑必须和剪力墙外侧新增设的悬锚脚手有可靠的拉结, 形成稳固的整体。当结构施工到位,拆除剪力墙外侧型钢斜撑和悬锚脚手, 将悬挂在钢平台下的外脚手架向内移动到位, 然后利用塔吊配合割除多余的钢梁, 完成钢平台的收分( 图5) 。这种体系在上海世茂国际广场核芯筒施工过程中得到了成功的应用。

2.2.3 超高空的钢结构塔桅安装技术

超高层建筑由于建筑造型或功能的需要, 通常在结构顶部设置钢结构塔桅。目前顶部塔桅的施工方法主要有三种,一是采用塔吊散装, 二是采用整体提升, 三是采用直升飞机吊装。第一二种方法依赖于顶部的施工作业面和结构形式,第三种则风险很大。因此在顶部施工作业面有限, 且塔桅高度高、重量重的情况下, 其施工必然面临很大的困难。针对这种情况, 我们研制成功了自主知识产权的攀升吊技术( 已取得专利) 。

攀升吊用于高耸结构安装, 具有自我循环的特点。即将专用装置附着于建筑结构本身来安装塔桅结构, 其原理是利用建筑结构作为反力点提升本发明装置, 再附着固定该装置安装塔桅结构。因此, 从理论上说, 可以施工至设计所达到的任何高度( 图6) 。本装置结构设计合理, 在垂直提升结构的过程中, 因动力系统与被安装结构物对爬升吊产生的弯矩大小相等, 因此在该过程中具有弯矩平衡的特点, 无附加偏心弯矩作用于桅杆, 因此不需要采取其它的辅助措施固定。我们即利用攀升吊成功地安装了世茂广场大厦310 m顶上86m高的桅杆天线。

2.3 绿色施工技术

在施工场地狭小的闹市区, 进行超高层建筑的建造, 特别是边营业、边建造状况下的续建, 带来了许多以安全防护为重点的环境保护新问题和超常规垂直运输、交通组织以及营造购物环境舒适度等一系列绿色施工技术难题。

2.3.1 安全防护技术

超高层建筑续建工程中, 如果建筑部分已投入商业运营, 通常商场内购物、休闲、餐饮、娱乐设施齐全, 顾客会络绎不绝, 且由于地处闹市区, 周边道路也通常是交通要道, 人流、车流量极高, 所以, 安全防护的重点是防止发生超高层施工过程中的高空坠落对地面物品、人流和车流产生危害。针对此项问题, 具体技术方案是: 通过安全防护分析, 确定需要实施防护的区域、需求和防护内容; 确立不同阶段施工防护的特点和重点; 考虑施工防护体系对行人、顾客和交通的影响, 同时综合防护体系本身的强度要求、防火要求、维护方式、综合利用等因素。在此基础上再确定多层次设施构成防护体系, 明确各层次防护设施的作用。如在上海港汇广场施工中, 针对该工程地处徐家汇繁华商圈、裙房先行营业的特点, 确立了三层次的防护体系, 其构成是:

①施工操作层的全封闭围护

②对重点“受落点”的防护体系

③分段布置在主楼四周外挑的钢质隔离架

这三层防护体系和防护体外观质量在工程的续建过程中, 不仅起到了良好的视觉效果, 也保证了工程的顺利进行,使已开业的商场客流如常, 未受任何影响, 取得了良好的社会和经济效益。

2.3.2 环境保护技术

建筑施工尤其是超高层建筑的续建施工会对周围环境产生噪声、光的污染。在闹市区商业街的特殊环境条件下, 由于受地域条件限制, 对浇捣混凝土等作业可能产生较大污染的施工过程需要安排在夜间进行, 但相邻的建筑如高档住宅等又对声、光污染的敏感性很强。因此, 防止施工过程中的声、光对环境的影响、强化废弃物的合理处置是超高层建筑续建施工中又一大难题。针对这种特殊条件下施工的噪音、光、施工污水、生活污水等污染源, 其解决方案还是采用专门的措施, 防止施工对环境的影响。如对混凝土浇捣等可能产生较大噪音的施工项目, 通过设置隔离棚, 将泵车产生的噪音隔离; 在临近居民区的地方设置施工层隔音壁, 来隔离噪音; 设立特殊的施工污水汇集系统, 将施工污水集中处理后排放; 采用“立体场布”

的思路, 将场地设置在已建好的建筑结构上, 设置空中材料周转场地, 建立立体的材料堆放、接力运输的体系。为适应“立体场布”的需求, 在垂直运输机械布置上, 我们采取“高空接力安装技术”、特殊基础加固技术、电梯接力和超长扶墙等专门措施, 解决续建工程带来的特殊难题。如上海港汇广场建设中, 针对地面没有施工场地的特点, 将生活设施设在裙房顶, 并相应设立了生活污水的排放系统。在底层人货电梯的部位设置固体废弃物的堆放平台, 通过平台将固体废弃物直接装车清运, 避免了中间污染。

2.3.3 混凝土回收利用技术

由于在混凝土输送方面经常会遇到“如何穿越人行道和在营业中的楼层布置混凝土泵送以及结束时泵管中余下混凝土的处理”等问题, 对此, 我们设计了门架式泵管支架和配套的回收利用截止阀, 解决了特殊的泵管布置和管中余料的回收问题。在地面上, 通过交通组织, 使人行道的一部分临时改成非机动车道, 而将非机动车道利用来布置泵车, 地面泵管利用门架式泵管架跨越人行道, 这样可避免对交通产生影响; 另外通过专门泵管支架系统的保护, 可解决复杂路径泵管的布设问题; 同时, 设置专门的混凝土截止阀来解决泵管内混凝土的回收处理问题; 设立空中泵管清洗池和专门的沉淀设施, 可解决泵管清洗问题( 图7) 。

3 结语

上述成果在上海港汇广场、长峰商城、世茂国际广场、港汇广场等在特殊环境下建造超高层建筑的工程项目中成功应用, 屡试不爽, 取得了良好的经济效益和社会效益。上海港汇广场还实现了施工期间营业额同比增长20% 的良好业绩; 长峰商城和世茂国际广场也都实现了部分提前开业的目标, 为业主创造了良好的经济效益。上述项目施工期间在环境保护、”生命线”工程保护等方面都达到了预期的目标, 创造了良好的社会效益。特别是这些研究成果将为未来的超高层建筑狭地施工积累了宝贵的经验, 其作用无可限量。当然,随着超高层建筑的发展, 必然还会遇到越来越多的技术难题, 这都需要广大工程技术人员携起手来, 坚持技术创新, 共同攻克难关, 再攀新的高峰。                                 《建筑施工》