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超高层建筑不但越来越多，而且越来越高，作为世界最大建筑地产综合企业集团，也是我国目前绝大多数省份最高建筑的总承包商，中国建筑股份有限公司已经问鼎千米级建筑，通过《中国建筑千米级摩天大楼建造技术研究》课题的研发，掀开了千米级摩天大楼的“面纱”。我们一起来看看中国建筑股份有限公司总工程师毛志兵，对千米级摩天大楼关键建造技术的详细介绍。 千米级课题研发内容
经过长达2年多的策划与准备，最终确定《中国建筑千米级摩天大楼建造技术研究》课题的主要研究内容和研究方法，2012年6月，课题正式启动。项目采用开放的研发模式，利用产、学、研相结合的方法，以企业需求为主，展开课题研发。 课题研究主要围绕建筑、结构、机电、材料与节能和施工等5个方面，共分5个课题、6个施工子课题进行研究。5个课题主要进行千米级摩天大楼建筑设计研究、结构设计研究、机电设备设计研究、 材料与节能技术研究、施工关键技术研究。6个千米级摩天大楼施工关键技术，重点进行施工工作平台及模架体系研究、垂直运输及混凝土泵送技术研究、钢结构施工技术研究、机电设备安装、深基坑施工技术研究和装饰技术研究等。 2015年6月课题研发结束，课题研发完成了全部既定研究内容，取得了丰硕的研究成果和多项核心技术。 主要完成了千米级摩天大楼建筑、结构和机电概念设计方案，完成了千米级摩天大楼施工组织设计；形成核心技术10项，申请发明专利14项，其中获得授权5项，获得实用新型专利16项；形成工法17项，其中省部级工法11项；撰写标准6项，其中国家标准2项；获得软件著作权5项；科技奖项2项；国内外核心期刊刊出论文44篇，其中EI收录11篇；培养创新团队5个，博士研究生1名，骨干研发人员多名。目前，千米课题正在进行最后的收尾和总结工作，部分研究成果已在工程项目中进行应用。 千米级摩天大楼关键研发成果
施工工作平台及模架体系研究
目前研究主要是两个方面，一是以深圳平安金融中心为代表的液压爬模体系，二是以中建三局为代表的第一、二、三代顶模体系。特别是基于中国尊和武汉绿地为代表的“智能化超高层建筑施工集成平台”，实现了模架与包括大型塔机在内的各类施工装备、设施的集成，同时引入智能监控系统，使超高层施工工效进一步提升30%，显著提高了超高层施工的机械化、智能化及绿色施工水平，达到“国际领先水平”。 该集成平台由支承系统、动力系统、钢框架系统、模板系统、挂架系统及监控系统组成，通过承力件、上下支撑架、顶升油缸等实现平台整体顶升。承载力高，通过特殊的混凝土微凸传力承力构造及巨型空间框架结构设计，平台可承受上千吨荷载、抵抗14级大风作用。 集成度高，平台集成了大型塔吊、施工电梯、布料机、模板、堆场等施工用设备设施，同时为多工序同时施工提供了作业空间，较传统方法施工效率提升了30%。适应性强，设置了自适应支承系统、角部开合机构、伸缩机构等可变机构，可解决各种复杂结构变化下的平台使用问题。 目前研究工作均取得成功，并成功进行了项目应用，主要应用于中国尊和武汉绿地两个超高层项目。 施工垂直运输研究
主要研究了多吊机迴转平台技术和超高层单塔多笼循环运行施工电梯。 1）多吊机迴转平台技术。目前超高层大型塔吊运行普遍存在塔吊爬升与模架顶升相互影响、塔吊爬升占用时间长、塔吊爬升措施投入大等问题。如天津117核心筒和塔吊顶升施工节奏遵循“2、3、3、6”天的节奏，最后的6天就是等待塔吊顶升时间，导致整个核心筒施工进度受影响。基于此，为降低塔机与模架安装、爬升过程中的相互干扰，进一步提高工效，在基于凸点顶模技术研发基础上，我们提出了多吊机迴转平台技术。 多吊机迴转平台由支撑及顶升系统、迴转运行平台系统、驱动系统和顶部大小级配的吊机四大部分组成。通过微凸支点系统及销齿传动装置实现平台整体顶升与迴转，类似旋转餐桌。迴转平台布置不同级别的大型塔吊，通过迴转，每台塔机可绕平台中心实现360°全方位覆盖，可减少塔机特别是超大吨位塔机的投入。迴转平台还可发挥不同型号塔机的特性。比如大吨位塔吊，专门用于大型构件及打包件集中从地面运输到平台堆场，充分发挥大型塔吊的吊运能力。 2）超高层单塔多笼循环运行施工电梯。目前超高层施工电梯主要采用两种方案，一是配置多部施工电梯，但空间占用大，相应部位的外墙及相关工序的施工需待电梯拆除后进行，使施工现场工序管理复杂，对工期影响较大。二是采用通道塔，施工措施费用高。如何解决目前超高层施工电梯问题，参考地铁轨道交通方式，提出了单塔多笼循环运行施工电梯课题。 单塔多笼循环运行施工电梯（简称“循环电梯”），可解决千米级建筑施工电梯垂直运输难题。通过自主设计研发的旋转装置，循环电梯梯笼可旋转180°变换轨道实现循环运行，并可根据需要在单个轨道上投入数十个梯笼，并分段设置旋转节实现高低区分段运行，一部电梯的投入可实现数部电梯的运力。 主要研究工作为：一是旋转换轨机构设计。包括机械结构、驱动装置以及电控系统三大块。机械结构能在承受竖向荷载的同时进行连续旋转180°，旋转架体不承受上部传递的竖向力，具备多道防线的冗余度设计等。驱动机构由回转驱动+减速机+伺服电机构成，旋转电控系统主要由高精度角度传感器、旋转控制柜及梯笼操作箱等硬件和相对应的软件组成。二是采用无电缆方式，即滑触线形式分段供电，解决超高层施工中电缆折断及电压降的问题。旋转节断开处，采用双向锥形接头，便于在旋转节位置，取电器顺利通过母线槽，并采用电气滑环保证供电不间断。 三是群控调度系统。设置地面主站（大脑）、监控子站（动作），由无线网络负责两者的通信（神经），实现地面对各梯笼的群调。设计了一套智能呼叫系统，可以随着高度的增加即插即用，方便施工，可以输入乘梯人方向和目的地楼层信息的键盘，还带有可以显示距离呼叫楼层的最近的梯笼等。四是防撞安全系统。为确保不会撞车，梯笼上下都安装测距仪（如激光或雷达测距仪）测距，当距离达到限值（比如10米）后自动报警，切断电源，自动紧急制动。 五是整体运行体系设计。利用地下室空间作为梯笼检修及储藏空间；在中部楼层设置旋转节，提高运输效能；设置竖向传力附着，分段分摊竖向力。 目前完成了前期试验工作，循环电梯已经完成样机1万次循环试验，正在推进武汉绿地中心项目的应用。 超高层混凝土泵送研究
目前超高层混凝土泵送，随着泵送高度的增加，泵送难度也将成倍增加。设备厂家一味追求输送泵的高压，将带来诸如混凝土在高压作用下性能劣化、管路爆裂概率增高等不利影响。 通过研究得知混凝土超高泵送过程中，混凝土自重和摩擦力是主要的阻力来源，在重力一定的情况下，减小泵管内壁与混凝土间的摩擦力，将大幅减小混凝土的泵送难度。针对这一需求，我们提出了混凝土输送管路减阻技术研究。 围绕泵管内壁减阻的技术路线，主要进行润滑剂材料性能以及润滑剂注入装置的设计研究。初步设想是在现有泵管体系中，每隔一定长度，设置润滑剂注入装置，该装置在泵管外侧设置储存装置，采用液压加压方式，将润滑液沿泵管四周均匀喷入管内，以期减小混凝土与泵管内壁的摩擦阻力，提高泵送性能。 目前，已试验完成装置生产加工和模拟试验，正在结合试验效果进行改进，下一步将选择项目进行试应用。 钢结构施工技术研究
钢结构方面主要围绕超高层建筑施工测量技术、超高层建筑施工过程动态仿真、超高层建筑施工过程监测、焊接机器人、BIM技术以及超高层钢结构伸缩式跨障碍自爬升操作平台等方面展开研究。目前，结合国内超高层的应用，成果丰硕。
设备安装技术研究
主要围绕超高层机电管线综合排布、机电设备垂直运输、竖井管线施工、机电设备减振降噪、超高层空调水系统承压技术、超高层防雷施工技术、智能照明控制、楼宇自控系统安装调试、综合调试技术、阻尼器安装调试技术、超高速电梯安装调试等方面展开研究。 超深基坑施工技术研究 主要围绕超深基坑工程案例收集与分析、超深基坑支护结构施工关键技术、超深基坑地下水控制关键技术、超深基坑土方开挖关键技术、深基坑施工信息化及变形控制关键技术等方面展开研究，形成了满足千米建筑的地下空间成套技术。 装饰施工技术研究
主要围绕千米建筑幕墙和绿色环保的装饰技术展开研发，形成了基于幕墙设计的BIM技术、幕墙测量放线及变形监控、幕墙板块运输及现场堆放、单元板块吊装方案、幕墙清洗维护等方面的技术；形成了基于装配式的集成隔断、集成灯带、 整体卫生间、装配式GRG复杂造型吊顶安装、装配式金属板吊顶等装配式技术。 其他方面的技术研究进展
1）磁力缓降安全逃生装置及试验研究。近年来，各地地标式超高层建筑陆续出现，越来越多的超高层正在建设中，特别是核心筒模架平台的广泛应用，大量施工人员集中在高空施工，遇紧急情况，施工人员如何安全逃生是一大难题。现有的逃生方式及工具相对单一，结构相对复杂，逃生效率较低，可靠性差，且受外界因素制约较多。 借鉴楞次定律原理，提出磁力缓降安全逃生装置的研发课题。即利用磁力设计缓降逃生装置，使其在短时间内安全、可靠地疏散涉险人员，为超高层建筑在施工过程中遇紧急情况安全逃生设施的建造提供一条新思路。 目前，正在依据前期计算和试验进行载人装置和竖向圆管及相关节点的优化设计，并充分考虑载人装置和导轨的结合与分离等，并开展足尺及现场验证试验。下一步将结合试验情况不断改进完善，使之便于现场实施。 2）基于钢筋工程的BIM技术研究。目前钢结构设计、加工、配送以及现场安装已经实现了利用BIM技术的全过程数字化、工业化的应用。通过调研，我们发现大量工程特别是大型复杂结构工程，用于加工的钢筋翻样料表，仍然主要依赖专业的钢筋翻样人员采用传统方式手工绘制、计算、统计而成，作业效率低，差错率较高，且不易复核。特别是超高层钢筋工程用量巨大，借鉴钢结构BIM应用的成功经验，我们希望在钢筋工程中应用BIM技术，以推动实现钢筋数字化制造，提升钢筋工业化水平。仅此一点，将产生巨大的经济效益。 目前，主要测试了Tekla Structures及Bentley ProStructures软件，两款软件在本地化方面均存在较多的不足之处，并开展功能的二次开发工作。同时选择项目作为试点，进行钢筋翻样及加工的BIM全流程实现研究。 超高层建筑的未来发展模式和关键技术
中国进入超高层建筑领域较晚，1990年开始国家经济大发展之后，中国兴建了首座300以上建筑，从1990至2000年短短的10年内竣工6座300米以上建筑，2010年至今出现了14座300米以上建筑。目前全球在建的100座超高层建筑中，中国就贡献了64座，这从另外一个侧面反映了中国超高层建筑建造技术的突破和创新发展迅猛。 在短短25年的建造过程中已经形成了诸如：深基坑施工、地下结构正作施工、核心筒施工、400米以下普通商品混凝土泵送、钢结构外伸桁架安装、普通超高层钢结构焊接等成熟的建造技术。但超高层建筑中的施工垂直运输、500米以上塔吊设备的安装与选用、千米混凝土超高泵送、高空钢结构安装、高空模架体系的安装、高空施工平台安全性、高空建筑垃圾的清理和遇险后人员高空逃生等，是长期困扰施工技术人员的难题。另外我国超高层建筑设计一直由国外建筑师为主导，如何解决超高层建筑设计中垂直交通、消防安全问题，结构设计中抗风计算与分析、抗震分析、结构性能分析的手段和方法问题，以及机电设计中热压和风压特性、空调负荷特性等问题，均是今后超高层建筑设计人员亟待加强的方面。 随着社会与经济的发展，中国大陆人口红利逐渐消失，目前建筑项目中劳务人员平均年龄40.3岁，在建筑一线30岁以下劳务人员尤其短缺，这就迫使建筑行业要进行技术转型与升级，逐渐淘汰劳动密集型的技术和工艺。未来建筑业尤其是超高层建筑会借助工业4.0时代的到来，利用互联网技术的发展，更多采用互联网+建造的模式，实现建筑的数字建造，给业主提供从规划、设计、施工到运维全产业链的服务方式。 超高层建筑是融合多项功能的综合体建筑，它犹如一个空中城市，因此业主更需要一个全产业链服务的建造商。目前一般超高层建筑的总投资都在10亿元人民币以上，对于业主来说也需要与实力强大的总承包企业合作，来保证项目的顺利建成。因此未来随着国内设计水平的提高，超高层建筑会更多地采用设计施工一体化的方式进行，这会给能够整合设计、施工优势资源的企业带来更多机会。 未来超高层建筑中会更多地采用诸如风力发电、光伏幕墙、被动耗能设计等绿色节能技术；采用诸如新型装配式桁架组合楼板技术、装配式SI机电管线技术、钢结构机器人焊接和装配式内装技术等新型建筑工业化技术，以减少劳务成本；采用综合智能机电设备系统解决使用的舒适性、便利性、安全性问题；采用数字建造技术利用互联网解决材料采购、构件加工与运输、现场管理等问题；大量使用新型建筑材料，以满足节能和结构性能的要求；采用新型多功能施工装备，综合解决超高层建造过程中的设备保障问题；采用新型高效施工工艺，解决超高层施工中的关键难点，满足精度要求。 来源丨《施工技术资讯》2015年第9期，节选自《做超高层建筑的集大成者》，转载务请注明出处。 |
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