超高层建筑地下结构考虑施工过程的关键设计.pdf

第 3 3卷第 l O期 Vo 1 - 3 3 No ． 1 0 建筑施工 B UI L D I N G C 0 N S T R UC T I O N 超 高层 建筑 地 下结 构 考 虑 施 工 过 程 的关 键 设 计 Ke y De s i g n o f Un de r g r o u nd S t r uc t ur e o f Su pe r Ta l l Bui l di ng Ac c o r di ng t o Co ns t r u c t i O n Pr o c e s s 口 钱 磊 沈 金 浙江大学建筑设计研究院 杭州 3 1 0 0 2 7 【 摘 要】 超高层建筑目前进入到了一个高速发展时期，但随着建筑形体的变化和高 度不断的突破，建造技术开始面临更大 的挑战。而其中的某些问题． 仅仅依靠施工技术本身难以解决，如果设计与施工紧密配合 ，在设计阶段即考虑施工过程可能面 临的问题，则更有助于问题的解决，也就更有助于设计形式合理、建造可行的超高层建筑。 【 关键词 】超高层建筑 设计与施工 围护体系 厚底板 微膨胀剂 【 中图分类号】 T U 7 4 ／ 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 1 1 0 0 9 0 9 0 3 超高层建筑历经 i 0 0多年的发展， 已成为人类文明的重 要组成部分， 也是人类改造自然的重要表现。随着土地资源 的稀缺和满足标志性与功能性的需要 ， 超高层建筑在最近几 十年里得到了突飞猛进的发展。代表建筑有 1 9 3 1 年建成的 美国纽约帝国大厦 3 8 1 m， 1 0 2层】 ， 1 9 7 2年建成的美国纽约 世界贸易中心 4 1 7 m和 4 1 5 m， 1 1 0层 ， 1 9 9 8年建成的马来 西亚吉隆坡石油大厦 4 5 2 m ， 8 8层 、中国上海金茂大厦 4 2 0 ． 5 m ， 8 8层 和 2 0 0 4年建成的中国台北的环球金融中心 5 0 8 m， 1 0 1 层 ，而最新如 4 9 2 m的上海环球金融中心和 6 1 0 m的广州新电视塔也已建成使用 图 1 。 图 1上 海环球金 融中心、 上 海中心及 广州新电视塔 不难发现， 超高层建筑不仅可以展现一个国家的科技发 展成就， 也可以极大地促进相关领域科技的发展。 因此， 超高 层建筑已经进入新一轮发展高潮。在我国更是如此， 上海中 心 6 3 2 m 、 大连绿地中心 5 1 8 m 、 广州东塔 5 8 0 m 等一 大批超高层建筑正在或即将兴建。 但是新的问题和规战也随 【 作者简介】 钱 磊 1 9 7 4 一 ， 男， 硕士， 工程师。联系地址 浙江 省杭州市浙大路 3 8号 3 1 0 0 2 7 。 【 收稿日期】 2 0 1 1 - 0 8 1 2 之产生， 单独依靠设计或者施工都很难解决这些问题， 很多 时候需要设计和施工同步考虑。 这样的问题在超高层建筑地 下结构和围护设计中显得尤为突出， 以下针对其中的主要问 题进行讨论和 研究。 1 围护设计所需要考虑的关键问题 超高层建筑通常体量较大且以商用为主， 地下室作为设 备安放、 商业用途和停车的主要场所， 面积通常很大。 在有限 用地面积条件下，向地下深处寻求空间是一种必然的选 择 ， 因此， 其地下结构通常层数较多， 基坑也较深。在软土和 较差的土层条件下， 围护结构采用多道内支撑形式成为最常 见的情况。 超高层建筑由于结构高度高、 体量大， 施工周期较长。 在 最短的合理时间内完成结构施工， 对建设方和承建方都会带 来良好的经济效益。而主楼是整个工期的关键所在。如果基 坑内的支撑与主楼结构， 特别是竖向结构重叠， 必然造成主 楼施工速度的降低 ， 因此在围护设计阶段 ， 将内支撑与主楼 结构 一般指核心简部分， 这部分通常都是竖向剪力墙结构 避开 ， 就可以突出主楼结构施工， 从而极大地加快结构的施 工进度。 图 2 金茂 大厦基坑 支护 平面图 及基坑支护 第 1 O期 钱 磊、 沈 金 超高层建筑地下结构考虑施工过程的关键设计 1 0 ， 2 0 1 1 上海金茂大厦为地下 3层、地上 8 8层结构 ，总高度 4 2 0 ． 5 m ， 占地面积 2 3 0 0 0 m ， 基坑面积近 2 0 0 0 0 m 2 ， 主楼 开挖深度 1 9 ． 6 5 m，裙房开挖深度 1 5 ． 1 m 。为了在施工中突 出主楼施工的主线， 在基坑围护结构设计时， 有意识地将支 撑结构避让主楼结构， 形成局部作业大空间。这样一方面方 便土方开挖作业， 另一方面为主楼结构连续施Ti ,J 造了良好 条件 ， 对加快主楼施工起积极作用。 具体做法为 为了降低成 本， 主楼与裙房的 3 道支撑形成整体， 在第三道支撑以下， 主 楼与裙房之间设置钻孑 L 灌注桩临时围护， 主楼区域设置第四 道支撑[ ” 图- 2 。该方案既突出了主楼 ， 又控制临时围护成 本 ， 是一个科学合理、 经济实用的方案。 而图 3 所示的某超高层结构 ，同样是地下 3层结构 ， 施 工方设置了3道内支撑 ，但由于主楼区域完全被支撑覆盖， 所以主楼在地下部分的施工工期， 较之金茂大厦多出了近 3 个月 。 2 主楼厚底板设计 和施工 超高层建筑由于结构高度高，上部结构的荷载通常很 大， 因此基础设计是超高层建筑设计的一个关键方面， 应根 据地质条件和上部结构荷载， 来选取合理的形式。但不论何 种形式， 厚底板都是组成基础的重要部分。 目前超高层建筑采用的桩基础 ，主要分为桩 承台基 础 底板 ， 桩 梁板式筏基 ， 桩 平板式筏基等。 但这几种形 式对业主而言 ， 很多时候设计方案差别不大， 基础本身的经 济性也相差无几， 但对施工进度的影响就非常显著。 当然 ， 施 工期变长 ， 实际上就影响了项 目投资的回收时间。 图4所示的是一个超高层结构的基础图纸 上半侧是主 楼区， 下半侧是裙楼区 。 该建筑物高 2 6 0 II I ， 地下 3层。 设计 的初步方案是采用桩 承台基础 抗水板的方式， 承台深度 为 2 m～3 m 。但从图中不难发现， 由于承台的净距在 5 m～ 6 m左右 ， 因此在承台土方开挖过程中， 使得承台之间的土 方变成了一个个不稳定的孤岛， 如果要保证安全 ， 需要全断 面开挖， 这样功效和经济性都大大降低。 如何解决这个问题如前所述 ， 如果将基础形式设计为 桩筏板基础， 在满足基础承载 力的同时， 并没有增加基础 混凝土和钢筋的用量 ， 而施工的方便性大大增加， 投入的措 施费用则大幅度减少 ， 工期也得到了有效地缩短。 图 3 某超 高层 结构 围护和主楼 关 系 图 4 某超 高层基础设 计 3 混凝土微膨胀剂设计与施工 9 1 O 超高层建筑地下结构中通常会涉及到厚底板 ， 超大面积 楼板。由于超厚和超长的原因， 结构裂缝是一个非常难于控 制的施工难题。 很多设计人员都在设计阶段通过采用微膨胀 剂的做法来解决这个施工难题 ， 但效果并不太理想。主要原 因有 1 在我国， 微膨胀剂的膨胀源均为硫铝酸钙 钙矾石 ， 即以 U E A微膨胀剂为主体。相关研究表明， 新生成的细粒二 水石膏要比生产水泥磨细时加入的石膏对水泥的反应快得 多。 因此钙矾石是早强剂， 它过早地激活水泥的活性， 使混凝 土提前发热，导致混凝土在运输过程中坍落度过大地损失。 虽然 U E A配方在不断地改进， 如掺加缓凝剂或塑化剂以求解 决问题， 但这样的方法不仅耗费工时， 也增加了经济成本。 另 外 ， 钙矾石 3 C a 0 A L 2 0 3 3 C a S 0 4 3 2 H 2 O 中有大量结晶水存在， 令混凝土结构不太稳定， 风险大大增加。 2 外掺膨胀剂令搅拌时间延长 3 0 S ～6 0 S ， 但因现场 操作和监管难度较高 ， 使得构件预应力不均匀， 效果大打折 扣 。 3 由于结构构件中不同部位的配筋情况存在很大差 异 ， 因而结构构件在降温过程中， 也会造成混凝土内应力不 均的现象。 实际上 ， 其根本原因是 膨胀剂的膨胀与混凝土的收缩 不是同步进行的， 膨胀补偿初期的过剩结果可能会对混凝土 结构有一定的破坏作用， 因为事实上微膨胀剂的实际膨胀值 可能更大。因此， 采用微膨胀剂作为一种手段来解决施工过 程中的混凝土开裂问题时， 一定要慎重。 4 高强混凝土的设计与施工 目前， 超高层建筑中， 墙柱承受的荷载非常大， 如果采用 普通混凝土 ， 墙柱的截面往往大到建筑难以接受的程度时才 能经得住荷载。采用高强混凝土则可以有效控制墙柱轴压 比、 减小截面尺寸。 但是高强混凝土具有脆性 ， 而且会随着强 度等级的提高而增加， 尤其是在抗震设计中， 必须考虑到这 方面的不利因素。 根据现有的试验研究和工程经验 ， 建筑抗 震设计规范 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 作出规定 高强混凝土的强度 等级 ， 抗震墙不宜超过 C 6 0 ； 其它构件， 9度时不宜超过 C 6 0 ； 8度 时不 宜超过 C 7 0 。 正因如此 ， 在超高层建筑中， 特别是竖向构件中已采用 了高标号混凝土， 但构件截面依然很大。 同时， 为了解决延性 和轴压比问题， 竖向构件 如剪力墙 ， 多采用劲性骨架， 这些 大截 面劲性骨架 的采 用， 不仅给钢结构的施工提 出了新的挑 战， 而且造成了竖向构件中的钢筋绑扎与混凝土浇注难度大 大增加。 采用更加高标号的混凝土于是成为一项比较迫切的 任务。 近十几年来， 混凝土技术， 特别是高性能高强混凝土技 术取得了突破性的进展， C 1 0 0以上的混凝土也取得了成功 ， 因此， 结合研究成果， 做好更～步的试验和示范工作， 推动高 强、 高性能混凝土的应用， 并对规范进行补充和修订， 有着积 第 3 3卷 第 l O期 Vo 1 - 3 3 No ． 1 0 建筑施1 - B U I L D I N G C 0 N S T R U C T 1 0 N 超 高层 建 筑 土 建 施 工 关 键 技 术 的研 究 和应 用 Re s e a r c h a nd Appl i c a t i o n o f Ke y Ci v i l Co ns t r uc t i O n Te c hno l o g y f o r Su pe r Ta l l Bu i l di ng 口 张家明 上海市静安 区建设和 管理服 务 中心 2 0 0 0 4 0 【 摘 要】 上海某超高层建筑因地下结构施工工艺复杂、基础底板混凝土质量控制要求高等难点给工程施工造成了很大的困 难 。为此 ，工程 中采用 了深基 坑顺、逆作施工 、大体积 、混凝土裂缝控 制和钢管柱 内高抛 免振 自密实混凝 土质 量控 制等关键施 工技 术，圆满地 解决 了上述难题 ，保 证 了工程质量及周边环境的安全 。 【 关键词】 超高层建筑 地下结构施工 质量控制 高抛免振 自密实混凝土 【 中图分类号】 T U 9 7 4 ／ 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 1 1 0 0 9 1 I - 0 4 1 工程概况 1 ． 1 工程简介 某超高层建筑是一幢集大型商业、 高档办公楼及五星级 酒店于一体的综合性大楼 ，位于上海中心城区繁华商业地 带， 地块面积 2 6 8 0 0 m ， 地下 4层， 塔楼地上 6 0层， 建筑高 度 2 3 5 m ， 裙房 4层， 总建筑面积 1 8 6 2 0 0 Il l ， 其中地下部分 建筑面积 6 6 5 0 0 m ， 地上部分建筑面积 1 1 9 7 0 0 m 。建筑立 面见图 1 。该工程地下室大底板采用筏形基础， 塔楼主体结 构部分为型钢混凝土框架与钢筋混凝土核心筒结构体系。 基 坑主楼挖深 1 9 m， 裙房挖深 1 7 m， 电梯井挖深 2 3 ． 7 m 。 1 ． 2基础围护形式 本工程场地受IB城改造搬迁进度的影响， 大基坑施工划 分 4个区域， 即采用塔楼区域顺作 ， 周边裙房分为 3个独立 【 作者简介 】 张家明 1 9 6 3 一 ， 男， 本科 ， 高级工程师。联 系地 址 上海 市昌平路 6 9 0号 2 0 0 0 4 0 。 【 收稿日期】 2 0 1 1 - 0 9 0 5 图 1 建筑立面 的逆作施工区域。基坑外围采用厚 8 0 0 m m “ 二墙合一” 的地 下连续墙结构形式 ，其既作为基坑施工阶段的围护结构 ， 又 兼作结构使用阶段的地下室外墙。 顺、 逆作之间、 不同逆作分 区之间均采用 西1 1 0 0 m m钻孔灌注桩加水泥土搅拌桩做临 极和紧迫的意义。 5 小结 通过上述研究和讨论不难发现， 超高层建筑地下结构施 工过程中的很多难题 ， 需要从设计的源头来解决问题， 否则 仅仅依靠改进施工技术很难解决。因此 ， 设计和施工的紧密 结合 ， 在设计阶段即充分考虑施工阶段地问题 ， 是对设计人 员的必然要求。希望以上一些关键问题的对策， 会对结构工 程师在结构设计中起到有益的参考和指导作用。 参考文献 ⋯ 1张冠 林， 石礼 文． 金 茂 大厦一 设计 、 管理 、 施 工【 M】 ． 北京 中 国建 筑 工业 出版社． 2 0 0 3 ． [ 2 ]高立人 ， 方鄂华 ， 钱稼 茹． 高层建 筑概 念设计 【 M】 ． 中国计 划 出版社， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 徐培福 ． 复杂 高层 建筑 结构设计 【 M】 ． 中国建筑工 业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 赵 西安． 钢 筋混凝 土 高层建 筑结 构设 计 【M】 ． 中国建 筑工 业 出版 社 ． 1 9 9 5 ． 【 5 ] 张同波． 建筑工程中影响施工的部分设计问题的研究与思考【7 】 ．施 工技术． 2 0 1 1 1 ． 91 1