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大型工程建设的风险管理能促进决策的科学化、合理化，为工程建设提供安全的生产环境，避免因大型工程技术风险引发的安全质量事故，提高经济效益。《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》明确要求“建立大型工程技术风险控制机制”，上海市建设工程安全质量监督总站、上海建科工程咨询有限公司等单位受住建部工程质量安全监管司委托，编制了《大型工程技术风险控制要点》，明确了大型工程的含义、风险控制方法、工程各阶段风险控制要点等重要内容，指导我国大型工程建设技术风险的控制，有效减少风险事故的发生，保障工程建设和城市运行安全。本刊对该要点的解 读进行系列报道，帮助工程参建各方深入理解要点内容，并更好地执行。继解读（二）“城市轨道交通技术风险控制要点解读”后【点击链接可查阅全文】，该篇将对“超高层技术风险控制要点解读”进行详细解读，敬请关注。 由于超高层建筑高度高、荷载大、体系复杂以及施工周期长、施工工艺复杂，特别是施工过程中尚未形成完整稳定的结构体系，台风等极端情况会给建筑结构本身和大型施工设备带来安全隐患。因此，在设计与施工中若考虑不周、措施不当、控制不利等，必然存在诸多技术风险；由此引发的事故势必造成巨大的生命财产损失和严重的不良社会影响。因此，针对超高层的设计与施工必须加强对技术风险的分析和识别，梳理关键技术风险，并制定相应控制措施，才能有效控制风险，避免事故发生。 超高层建筑具有不同于一般结构的特点（风荷载与地震作用为结构设计主要考虑因素、大截面构件多）和特有的施工技术（整体提升式施工装备、多专业交叉施工），本文重点针对超高层建筑在设计和施工阶段可能出现的技术风险进行以下识别和分析。 1 设计阶段技术风险控制要点解读 1.1 基坑设计阶段技术风险 高层建筑上部荷载大，往往采用多层地下室与桩筏基础作为结构基础形式，导致高层建筑基坑规模大、深度深，设计和施工阶段基坑坍塌风险大。深基坑设计方案不当的原因主要表现在以下几个方面：深基坑设计方案选择不适于基坑规模；支护结构设计中土体的物理力学参数选择不当、深基坑支护周边环境工况荷载取值不当导致计算模型或计算结果错误；忽略长边空间效应和时间效应影响，对基坑开挖过程中最不利工况考虑不足；对地下水造成的附加水土压力估计不足和地下水对锚杆结构的不良影响，造成支撑结构设计失误或锚固结构设计失误；基坑开挖过程中对基坑监测数据的分析和预判不准确，达到报警值时未采取有效补救措施。 为确保施工安全，防止塌方事故发生，建筑基坑支护设计与施工应综合考虑工程地质与水文地质条件、基坑类型、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境对基坑侧壁位移的要求，基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，考虑施工过程的影响，进行土方分层开挖、分层设置支撑、逐层换撑拆撑的全过程分析。尽可能使实际施工的各个阶段，与计算设定的各个工况一致；基坑设计时要考虑软土流变特性的时间效应和空间效应，考虑特殊土在温度、荷载、形变、地下水等作用下的特殊性质；实行基坑动态设计和信息化施工，监测数据包括内力、变形、土压力、孔隙水压力、潜水及承压水水头标高等；反分析得到计算模型参数；预测下一工况支护结构内力和变形；必要时，修改设计措施、调整挖土方案；从设计理念和设计方法来看，要彻底转变传统的设计理念，建立变形控制的新的工程设计方法，开展支护结构的试验研究，探索新型支护结构的计算方法。 高层建筑基坑开挖深度深，容易产生坑底承压水突涌风险，设计主要风险因素有：未进行抗渗流或抗管涌稳定性验算；没有考虑处理承压水措施；未考虑在地下水及在施工扰动作用下，深基坑坑底土层性能的弱化作用。 对深基坑坑底突涌的风险控制，设计阶段要考虑和采取以下措施：设计时必须进行抗渗流或抗管涌稳定性验算；对可能出现承压水突涌的基坑，设计应采取竖向止水帷幕隔绝法和坑底加固法等处理方法，具备条件时应尽可能切断坑内外承压水层的水力联系，隔断承压含水层，进行分析计算给出承压井布置范围、数量。 深基坑坑底隆起风险与基坑边坡坍塌有关联，主要原因有：忽略坑底隆起稳定性验算；竖向围护结构插入深度不足；基坑坍塌导致的连锁灾害。 坑底隆起风险是深基坑围护设计需考虑的重要方面，设计阶段必须进行抗坑底隆起稳定性验算；在施工时设计应关注坑底隆起（回弹）量的监测。 1.2 超长及超大截面混凝土结构裂缝风险构裂缝风险 由于超高层结构上部荷载大，抗风与抗震要求高，其承重与抗侧力体系混凝土构件，特别是转换层、加强层等构件多呈长、大截面的显著特点。由于结构方案或构造设计不当，或是未提出合理的抗裂技术要求是设计阶段产生这一风险的主要原因。 在设计方面，合理选择结构形式，降低结构约束程度，结构平面形状应尽量考虑刚度均匀对称，对外挑、内收等不规则结构，要求设计上作特殊处理。降低结构约束程度可减少结构内部不必要的超静定次数与冗余度，避免在产生弹性变形时发生应力集中，产生裂缝；而结构平面形状不规则会使结构扭转变形不规则、凹凸不规则，外挑、内收不规则结构会造成结构竖向刚度突变，产生相对薄弱层，在风荷载或地震荷载作用下产生过大变形，造成薄弱层结构构件产生裂缝。 对于大体积混凝土构件设计应考虑设置温度后浇带、膨胀带或采用膨胀混凝土、纤维混凝土等抗裂措施，避免由于水泥水化热反应造成大体积混凝土构件内部升温过高、内外温差过大，产生温度裂缝；在应力集中部位进行构造配筋，可明显减小混凝土开裂风险，增强结构抗裂能力；进行超大面积和超长结构温度应力的有限元分析，可验证结构构件抗裂措施是否有效。 1.3 结构大面积漏水风险 造成结构大面积漏水的风险，在设计方面的主要原因是设计不当，主要包括建筑连接部位节点设计构造不当以及结构设计裂缝控制不严。因此，针对结构水平与竖向构件连接的阴阳角处防水不易处理，易造成漏水，应谨慎选择防水材料、构造，形成多道防水防线；屋面雨水口设计数量，除满足规范要求外，在容易积水的敏感部位，设计时应估计特大暴雨的影响。 结构面排水设计应做到避免产生长时间大量积水，在易积水敏感部位，应做特殊防排水设计；除外防水措施外，结构自防水也是结构防水的重要方面，结构自身裂缝，尤其是大面积贯通裂缝，会加大结构漏水风险。 2 施工阶段技术风险控制要点解读 2.1 深基坑坍塌与坑底突涌风险 施工阶段深基坑坍塌的主要风险因素有：深基坑开挖未按照设计工况开挖，一次开挖面积过大，对基坑开挖存在的空间效应和时间效应考虑不周，基坑开挖土体扰动过大，变形控制不力，造成基坑围护结构变形过大；基坑围护结构施工质量差，开挖过程中围护结构开裂、支撑断裂破坏，或止水帷幕因施工缺陷未封闭，导致围护结构侧壁渗漏管涌；深基坑施工阶段地下水处理方法不当，未按照设计要求进行降水作业；基坑坑边荷载超限，基坑开挖土方堆置不合理，坑边超载过大；未按照设计要求布设基坑监测点，或对基坑监测数据的分析和预判不准确，基坑监测数据出现连续报警或突变值未被重视；开挖至基底后坑底暴露时间太长，强降雨冲刷，长时间浸泡，造成坑底土体扰动隆起，被动土压力减小。 在基坑工程施工中首先应保证围护结构施工质量，保障支护结构具备足够的强度和刚度；在土方开挖前遵循时空效应原理，控制好局部与整体的变形，制订安全可行的基坑开挖施工方案，并严格执行先撑后挖、分层分块对称平衡开挖原则，合理安排施工进度，及时组织施工；遵循信息化施工原则，加强过程动态调整，按规范要求布设监测点，并在施工过程做好对各类监测点的保护，确保监测数据连续性与精确性，落实专人负责定期做好监测数据的收集、整理、分析与总结，及时启动监测数据出现连续报警与突变值的应急预案；做好施工现场管理工作，加强施工组织管理，控制基坑周边荷载大小与作用范围，避免局部超载、控制附加应力，严禁基坑超挖，随挖随支撑，开挖至设计坑底标高以后，及时验收，及时浇筑混凝土垫层；开挖过程中控制地下水影响，制订有针对性的浅层与深层地下水综合治理措施，按照设计要求进行降水作业，执行按需降水原则，做好坑内外排水系统的衔接，施工期间应做好防汛抢险及防台风抗洪措施。 广州市某高层建筑基坑工程，基坑周长约 340 m，原设计地下室 4 层，基坑开挖深度为 17 m，锚索夹片破坏基坑坍塌造成 3 人死亡，5 人受伤。对坍塌原因 进行分析，主要包含以下几点。①超挖：原设计 4 层基坑 17 m，后开挖成 5 层基坑（20.3 m），挖孔桩成吊脚桩；②超时：基坑支护结构服务年限 1 年，实际从开挖及出事已有近 3 年；③超载：坡顶土方车、吊车、堆载超载；④设计原因：岩面埋深较浅，但岩层倾斜，设计单位仍采用理正软件对原基坑设计方案进行复核、设计，而忽视现场开挖过程中岩面从南向北倾斜，倾斜角约为 25°的实际情况；另外，施工过程中发现岩面倾斜，南部位移较大后，曾对部分区域进行预应力锚索加固，加固范围只是南部西侧的 20～30 m，加固范围太少。 施工过程中承压水突涌的风险因素主要有：止水帷幕存在不封闭施工缺陷，未隔断承压水层或未形成承压水有效绕流，基底未作封底加固处理或加固质量差；降压井设置数量、深度不足，未按照设计要求及时开启承压井或损坏失效，承压水位观测不力；在地下水作用下或施工扰动作用下底层土体软化或液化。相应控制要点有：保证止水帷幕深度和质量满足设计要求；基坑内局部深坑部位应采用水泥土搅拌桩或旋喷桩加固，并保证其施工质量；通过计算确定减压降水井布置数量与滤头埋置深度，并通过抽水试验加以验证；坑内承压水位观测井应单独设置，并连续观测、记录水头标高；在开挖过程中应采取保护措施，确保减压降水井的完好性；按预定开挖深度及时开启减压降水井，并确保双电源供电系统的有效性。 2.2 核心筒模架系统垮塌与坠落风险 超高层建筑核心筒结构的施工主要采用液压自动爬升模板工程技术、整体提升钢平台模板工程技术，这两种模板工程系统装备多是将模板、支撑、脚手架以及作业平台按一体化、标准化、模块化与工具式设计、制作、安装，并利用主体结构爬升进行高空施工作业。这些模架系统在实际工程应用中最主要的风险是整体或是局部的垮塌与坠落。造成这一风险的因素与控制要点主要有以下几方面。 液压爬升模板系统与整体提升式钢平台搭设均属于超过一定规模风险性较大的专业工程，相关设计制作、安装拆除、施工作业应编制专项方案，专项方案应 通过专家论证。 在方案设计时，应针对施工过程中可能出现的各个工况，进行结构与构件强度、刚度、稳定性的验算，并对承载螺栓、支承杆和导轨主要受力部件分别按施工、爬升和停工 3 种工况进行强度、刚度及稳定性计算。 核心筒水平结构滞后施工时，施工单位应与设计单位共同确定施工程序及施工过程中保持结构稳定的安全技术措施，其须由专业安装制作单位进行装备的设计制作、安装拆除。 在安装前应进行原材料及产品制作质量检验，架体、提升架、支承杆、吊架、纵向连系梁等构件所用钢材应符合现行国家标准的有关规定。锥形承载接头、承载螺栓、挂钩连接座、导轨、防坠爬升器等主要受力部件，所采用钢材的规格和材质应符合设计文件要求；装备在出厂前应进行场内试拼，验证加工精度，应进行至少 2 个机位的爬升装置安装试验、爬升性能试验和承载试验，并提供试验报告；装备在安装完成后，应由第三方建设机械检测单位进行使用前的性能指标和安装质量检测。 附着支座预埋件与结构混凝土的连接、牛腿支座与预埋件的连接均应具有足够的强度，采用钢结构的连接时应满足现行 GB 50017－2003《钢结构设计规范》对于螺栓和焊接连接的要求；预埋件与混凝土结构的连接应满足现行 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》的要求。 作业平台上的施工荷载严禁超过设计荷载，堆载应均布，避免不对称荷载对结构产生局部应力集中。 装备提升系统应做到装备各支座同步提升，避免过大的支座位移差异造成装备结构在强迫位移荷载作用下产生应力集中，造成局部构件屈服或节点连接破 坏；因此提升式装备必须按照专业设计单位的要求正确设置防坠、防倾装置，并应设置位移和重力传感器，在施工过程中监控防坠、防倾装置的有效性，在提升设备发生异常情况时可及时生效防坠系统，以保证装备提升过程中的结构安全。 提升设备的每次提升进程不宜超过 100 mm，在提升过程中密切监测，及时发现异常情况，同步爬升控制时，每段相邻机位间的升差值宜在 1/200 以内，整体升差值宜在 50 mm 以内。 爬升装备的施工荷载均通过支座传递至混凝土结构，新浇筑的混凝土结构强度应达到设计强度后装备再进行爬升，避免支座处混凝土结构失效，危及提升装 备结构安全。装备筒架支撑系统、钢梁爬升系统竖向支撑限位装置搁置于混凝土支撑牛腿、钢结构支撑牛腿时，支撑部位混凝土结构实体抗压强度应满足设计要求，且应≥ 20 MPa；整体钢平台装备钢柱爬升系统支撑于混凝土结构时，混凝土结构实体抗压强度应满足设计要求，且应≥ 15 MPa。 装备提升过程中必须要保证提升通道上无异物障碍物，避免对爬升设备造成破坏，装备上无钩挂异物，防止高空坠物，爬升前必须拆除模板上的全部对拉螺 栓及妨碍爬升的障碍物；清除架体上剩余材料，翻起所有安全盖板，解除相邻分段架体之间、架体与构筑物之间的连接，确认防坠爬升器处于爬升工作状态；确认下层挂钩连接座、锥体螺母或承载螺栓已拆除；检查液压设备均处于正常工作状态，承载体受力处的混凝土强度满足架体爬升要求，确认架体防倾调节支腿已退出，挂钩锁定销已拔出；架体爬升前要组织安全检查；在装备 提升过程中，不应有塔吊在装备附近进行吊装作业，避免偶然碰撞对处于提升过程欠约束的装备造成冲击荷载，使爬升约束装置失效。 2.3 心筒外挂内爬塔吊机体失稳倾翻及坠落风险 超高层结构施工采用外挂内爬式塔吊施工方式，由于塔吊设备自重以及吊装构件重量大，且需要利用已完核心结构外挂，悬挂系统设计与爬升工艺复杂，高空作业受风荷载影响大。因此，内爬外挂塔吊系统设计、制作、安装以及塔机爬升作业过程控制不当，极易会发生塔吊的机体失稳倾翻、坠落事故。 悬挂系统（外挂架）结构整体与构件连接节点均应由专业单位进行设计，应根据结构形式、塔吊回转半径、自重与吊装重量情况等多种因素进行设计，并合理选择下撑杆形式，上拉杆形式、上拉杆和下撑杆结合形式及局部加强技术。设计时应对结构和节点进行不同荷载工况下的计算分析，保证结构体系的强度、刚度、稳定性，必要时应进行有限元建模分析，对受力较大的构件、节点进行加强设计，保证结构在不同施工工况下的结构安全性。 外挂架的各构件之间均应采用易于拆卸的高强度销轴进行单轴固定，以适应施工过程中不断的拆卸与安装，同时要对节点作受力性能分析，以验证受力计算的可靠性。 塔机支座预埋件应根据现行 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》进行设计，在核心筒剪力墙钢筋绑扎过程中按照埋件定位图将塔吊附墙埋件埋入指定位置，复核埋件的平面位置及标高后将埋件与剪力墙钢筋点焊固定牢靠，埋件埋设的过程务必按图施工，避免用错埋件及埋件方向装反的情况发生；考虑新浇筑混凝土强度增长的差异性，取低一级强度等级进行验算；预埋件的施工精度和质量应满足专业设计单位的设计要求。应进行不同荷载工况下核心筒结构的受力和变形计算分析，选取最不利荷载组合工况，确定混凝土强度要求和加固措施要求。 架体制作所用材料和部件应由材料和部件供应商提供合格的质量证明文件，其品种、规格、质量指标应符合国家产品标准和设计文件要求；架体在出厂前应进行场内试拼，验证加工精度；架体安装应严格按照横梁→次梁→斜拉杆→水平支撑的顺序，保证架体安装精度和安装过程中的体系稳定；架体在安装完成后，应由第三方建设机械检测单位进行使用前的性能指标和安装质量检测，塔机安装完成后，经空载调试，确认无误后即可按照塔机试吊步骤逐步完成空载、额定载荷、动载和超载试验，经检测合格后报当地技术监督和安监部门，经验收合格后投入使用。 爬升作业应确保三套悬挂系统交替工作。爬升前应将塔吊上及与塔吊相连的构件、杂物清理干净，非塔吊用电缆梳理并迁移离开塔吊，确保塔吊为独立体系，不与相邻其他结构或构件碰撞；在提升过程中必须保持塔吊的垂直度满足规范要求，避免提升不同步引起塔吊倾斜，造成部分构件应力集中；每次提升前后均应进行塔吊垂直度、连接件连接情况的校核检查；不良天气情况下禁止进行塔吊提升作业，过大风荷载会造成塔吊的倾覆；塔吊作业时严禁起吊超过支座系统设计荷载要求的重物，否则会造成塔吊支座失效或塔身结构破坏。 广州市某建筑工地塔吊倒塌事故的直接原因是部分顶升工人违规饮酒后作业，未佩戴安全带；在塔吊右顶升销轴未插到正常工作位置，并处于非正常受力状 态下，顶升人员继续进行塔吊顶升作业，顶升过程中顶升摆量内外腹板销轴孔发生严重的屈曲变形，右顶升爬梯首先从右顶升销轴端部滑落；右顶升销轴和右换步销轴同时失去对内塔身荷载的支承作用，塔身荷载连同冲击荷载全部由左爬梯与左顶升销轴和左换步销轴承担，最终导致内塔身滑落，塔臂发生翻转解体，塔吊倾覆坍塌。 2.4 超高层建筑钢结构桁架垮塌及坠落风险 钢结构桁架安装多采用支架或悬臂散拼安装工艺、整体提升安装工艺。主要施工特点是构件重量大、整体性要求高、厚板焊接难度大，特别是高空作业、临 空作业条件下，施工控制难度大，技术风险大。因此，钢结构桁架深化设计、制作、安装与过程控制不当，极易会发生整体或是局部垮塌、坠落事故。造成这一风险的因素与控制要点主要有以下几个方面。 钢结构桁架深化设计应综合结构特点、受力要求、作业条件、设备性能、工序搭接和拟采用的安装工艺等实际情况，进行钢结构安装过程中的工况模拟分析，尤其是安装过程中未形成可承载结构时钢结构的稳定性分析，确定合理的安装顺序与临时加固措施，保证结构在吊装过程中的稳定性，以满足构造、施工工艺、构件运输等有关技术要求；结构设计单位根据结构受力情况对钢结构深化设计的构件分段、节点连接方式进行复核和确认。由于钢结构受温度影响明显，会产生附加温度应力与应变，尤其大跨度钢结构合拢时应进行温度场作用下的结构受力分析，避免产生过大温度内应力。 钢结构桁架的施工应编制专项施工方案，包括施工阶段的结构分析和验算、结构预变形设计、临时支撑结构或是施工措施的设计、施工工艺与工况详图等；专项方案应通过有关专家论证。 钢结构采用整体提升安装方法时，起吊点作为结构临时约束节点应与最终支撑点相对应，避免结构发生重大应力重分布，由于整体结构多为多次超静定结构，内力分布有多个解，内力重分布后的结构内力分布很可能与设计内力分布情况不同。针对于此，应做到不使结构内力分布与设计状态差异过大，不使结构位形与设计状态偏差过大，不使结构出现过大应力集中；其次对起吊加速度进行控制，避免出现冲击荷载，可能会造成部分构件屈服；结构整体吊装过程中应做好临时加固措施，吊点选择应由结构设计单位进行确认。 钢结构在安装过程中未形成可承载结构时，结构体系仍属于可变机构，此时需要采取临时加固措施保证结构稳定性，避免发生局部失稳垮塌，需对临时支撑结构设置进行专门设计，并保证临时支撑结构的施工质量。当承受重载或是跨空和悬挑支撑结构以及其他认为危险性大的重要临时支撑结构应进行预压或监测。 上海市某在建高层建筑伸臂桁架施工时，一名施工人员在用焊机切割更换一根上弦杆时，桁架发生剧烈晃动，侧向倾斜。主要原因是施工人员在切割更换系杆时，没有在事前提供更换方案，对原结构也无任何防护和保护措施，没有设置任何的侧向支撑，由此引起上弦杆平面外失稳而导致桁架侧向倾斜。 2.5 施工期间火灾风险 超高层建筑由于工程体量大、施工工艺复杂、施工分包单位多、交叉作业多、施工作业层（面）临时用电设备多、易燃可燃材料多、堆放杂乱，焊接、切割等动火作业频繁，若疏于管理，则极易引发火灾，并且具有火灾面积蔓延速，人员疏散困难，消防救援设施难以达到失火点高度等一系列消防安全问题。因此，超高层建筑施工对消防安全提出了严峻的挑战，相应的消防安全技术和管理是一大难题。 超高层建筑施工现场多，专业工程搭接施工多，现场材料存放品种繁多，对可燃易燃材料应单独存放，做好防火措施，远离生活办公区。用电设备多、焊接作业点多，且分布零散，对安全防火管理造成很大难度。须严格执行动火证管理制度，检查安全用电措施，场地内与每层楼面结构施工层配置好消防栓与灭火器，施工现场设置消防通道并保证畅通，做好施工区域间防火区域的分块和逃生路线规划工作。 2011 年上海某教师公寓大火，直接原因为施工人员违规在 10 层电梯前室北窗外进行电焊作业，电焊溅落的金属熔融物引燃下方 9 层位置脚手架防护平台上堆积的聚氨酯保温材料碎块、碎屑引发火灾。现场主要管理问题为电焊工无特种作业人员资格证，无动火监管，严重违反操作规程；施工作业现场管理混乱，安全措施不落实；易燃材料随意堆放，导致大火迅速蔓延。 3 结 语 本文主要针对超高层结构施工环节多、技术复杂、难度大，且整个施工过程可能对工程结构本身、第三方和周边环境产生的各种不利影响，在设计与施工两方面从技术角度对存在的技术风险因素和控制要点进行了梳理和解读，为从事工程建设的技术人员提供指导和参考。 |
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