多高层建筑施工技术难点及管理模式探讨

由于超高层建筑结构的特殊性，建筑中的梁、柱不可避免地会存在。在结构设计中，特别是在超高层住宅单元的设计中，很难考虑异形柱的使用。

结构设计方面，根据建筑功能要求、不同建筑高度和拟建场地抗震设防烈度经济合理、安全可靠的设计原则，相应的结构体系一般分为六大类:框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系、框架-筒体结构体系、筒中筒结构体系和束管结构体系。

自20世纪90年代以来，除了上述结构体系被广泛应用外，多筒结构、带加强层的框筒结构、连体结构、巨型结构、悬臂结构、错层结构等也逐渐被工程采用。

进入20世纪90年代后，由于我国钢产量的增加，钢结构和钢-混凝土混合结构逐渐被采用。例如，金茂大厦和王迪大厦都是钢-混凝土混合结构。此外，钢骨混凝土结构和钢管混凝土结构也被广泛应用于高层建筑中。高层建筑结构用混凝土的强度等级不断提高，从C30到C60及更高。预应力混凝土结构广泛应用于高层建筑的梁板结构中。钢材的强度等级也在不断提高。

在高层和超高层建筑的结构设计中，除钢筋混凝土结构(规范RC)外，还采用了型钢混凝土结构(规范SRC)、钢管混凝土结构(规范CFS)和全钢结构(规范S或SS)。

建筑高度100m，柱网8.4m，抗震设防烈度6度。采用框架-剪力墙或框架-核心筒结构体系更经济合理。这种结构体系的剪力墙或筒体是良好的抗侧力构件，往往承受风荷载和地震荷载引起的大部分水平侧向力，整体刚度大，侧向位移小，满足玻璃幕墙的外装饰要求。

超高层建筑的楼板和屋顶具有很大的平面刚度，是竖向钢柱和剪力墙或筒体的平面抗侧力构件，同时使钢柱和竖向构件(剪力墙或筒体)起到变形协调的作用。

钢结构的楼板和屋顶一般采用轧制压型钢板和现浇钢筋混凝土(简称钢承混凝土)，厚度一般不小于150 mm..目前，在设计钢支撑混凝土楼板和屋顶时，没有考虑钢支撑混凝土楼板和屋顶与钢梁之间的相互作用。主要是因为不太了解板底为波浪形的计算原理或者认为计算复杂，所以按平板计算，不安全，增加了钢梁的用钢量。

如果钢梁与钢承混凝土楼板* * *共同作用，简称MST组合梁，只要计算正确，配筋合理，螺栓可靠，楼板和屋面的钢梁用钢量可节省20%左右，且不需要验算钢梁的稳定性。

难点2-垂直交通设计

对于超高层建筑，核心筒的设计需要兼顾采光、节能、易维护、减少公共共用、统一不同业态的核心筒，这是建筑设计的难点之一。

高层建筑与其他建筑最大的区别在于，它有一个“核心”，竖向交通和管道设备集中在这里，在结构体系中起着重要的作用。而这个“核”在形态构成中也起着重要的作用，决定了高层建筑的空间构成模式。

随着高层建筑建设的发展、高度的增加和技术的进步，在高层建筑的设计过程中，逐渐演变出了中央核心筒的“核心”空间构成模式。

1.内芯型:中心芯管布局

在建筑处理上，为了争取尽可能宽敞的使用空间，希望将电梯、楼梯、设备用房、卫生间、茶炉等服务用房集中在平面中央，使功能空间占据最佳采光位置，争取良好的视线和便利的交通。在结构方面，随着筒体结构概念的出现和高度的增加，也希望用刚度更强的筒体来承受剪切和扭转。

在建筑的中心部分，有意识地利用功能相对固定的服务建筑的围护结构，形成一个中心核心筒，筒在几何中心，也可以使建筑的质心、刚度、形心重合，更有利于结构受力和抗震。

经过长期实践，这种“内核”空间构成模式以其结构合理、使用方便、成本相对低廉的优势，迅速成为高层建筑中最受欢迎的空间布局形式。

虽然中央核心筒布局周围的房间需要人工采光和机械通风，总会给人带来一些不适，但“核心”布局形式及其变体在数量上占有绝对优势，大多数著名的超高层写字楼也采用这种形式。但作为超高层住宅，这种核心布局存在诸多不便。

2.外芯类型:双面外芯管布局

随着时代的发展、技术的进步、人们对建筑需求的变化以及设计侧重点的不同，以中央核心筒为主流的高层建筑“核心”空间构成模式开始受到挑战。

第一次变化主要是由于造型的需要和建筑设计理念的变化，如70年代左右出现的“双核”构图模式。双边外核心筒的布置不仅有利于人员疏散，而且对高层建筑的外观也有很大的改变。贝聿铭的新加坡“华侨银行中心”和日本的“IBM本舍大厦”是当今流行的双边核设计方法的代表。

3.多核型:分布多个外核。

第二次改革，装备专业率先对芯筒提出了革命性的建议。他们认为，随着施工设备越来越多，越来越复杂，如果将机房和管道井与岩心筒分开，可能更有利于管理和维护。20世纪80年代以后，智能建筑的普及和电信设施的日益增多，导致计算机和电信设备在高层建筑中大量应用。即使在许多建筑完工后，线路系统也经常被修改，新设备也被添加进来。在智能办公楼中，每层设置三根以上的光缆、电脑网管、配电箱、中继设备较为合理。就这样，为了满足机电设备频繁变动的需要，“核心”开始分散，分隔出几个机房和管道井，方便局部变动。

对于结构的特殊性，加强建筑周围的刚度也会有效抵抗地震对高层建筑的破坏，所以如果竖向交通和设备用房分散在周围，无疑对结构的抗震是有利的。同时，这种分散的多个外核的空间构成模式也适用于新兴的巨型框架结构，使得这种结构体系中的巨型支撑柱具备了使用功能。最典型的例子是葛覃谦三设计的日本“东京都厅”。

从建筑设计的角度来看，核心的移动，垂直交通，服务用房和散落在建筑周围的管井，对于高层建筑的空间构成模式和立面造型的改变也是革命性的。既满足了其他专业的需求，又方便了疏散，创造了更多的使用空间，解放了高层建筑的底层。这种空间构成模式的灵活性和先进性很快被欧洲建筑师发现，他们高度赞扬技术性能，并创造性地应用于作品中。罗杰斯设计的伦敦劳埃德大厦、88号伍德街写字楼、福斯特设计的香港上海汇丰银行都是分布式核心筒的代表作，无论是内部空间构成还是外部立面，都与中央核心筒的高层建筑有很大不同。

此外，在小规模的高层建筑中，近年来也出现了核心与主要使用空间分离的现象。垂直运输、服务建筑和设备管道都是独立的，并与主建筑分开。主要使用空间较为完整，四面朝外，核心与主要使用空间之间有回廊相连。从结构上看，核心相对刚性，主体相对柔性，两部分分别工作，既合理又相对经济。当然，连接部分的设计是这类高层建筑设计的关键，但这种设计方法给建筑外观带来的变化引起了建筑师的注意，并在欧洲和日本迅速流行起来。德国汉诺威建筑博览会的管理办公楼，Esserwe公司的办公楼，以及东京东北南大经大厦和大阪凯恩斯总部的办公楼。

核心与主要使用空间的分散分离，还可以使楼梯间、卫生间等直接自然采光通风，既节约了能源，又省去了消防所需的加压送风设备，更符合低能耗、可循环利用的现代设计原则。因此，近年来强调生态节能的高层建筑往往采用这种布局方式。这座高层建筑由马来西亚建筑师杨景文设计，不仅有楼梯、厕所等。都是露在外面的，还特意用电梯管壁遮挡阳光，可谓是“一种去中心化外核空间的生态设计模式”。“吉隆坡广场大厦”及其新设计的“新加坡展览大厦”都体现了这一设计特色。另一位欧洲建筑师赫尔佐格设计了上述德国汉诺威建筑博览会的管理办公楼，其生态理念赢得了公众的赞誉。

困难3-电梯

在超高层建筑中，快速、高效、稳定的垂直服务是难点之一。

电梯作为一种垂直交通工具，其数量配置、控制方式及相关参数的选择不仅会直接影响建筑物的一次性投资(一般电梯投资约占建筑物总投资的10%)，还会影响建筑物的使用安全和服务质量。在一栋建筑中，合理选择电梯的数量、容量、运行速度和控制方式是非常重要的。大楼里的电梯一旦选定、安装、使用，几乎就是一个永久的事实，以后很难甚至不可能再增加或改装。因此，在设计之初就应充分重视电梯的配置。

现代超高层建筑大多在60层以上，楼内人口流动大。垂直交通主要依靠电梯。超高层建筑有效设计电梯的关键是利用各种局部电梯进行服务，组织局部区域的电梯系统。进入这些局部区域由地面始发站和局部区域内的航空候机大厅之间的快速穿梭电梯提供服务，乘客到达航空候机大厅后将换乘区间电梯。为了以最快的速度将乘客运送到目的地，一般将建筑物的每30 ~ 35层视为一个局部区域。

由于超高层建筑采用多电梯系统，应采用微机电梯控制系统，通过计算机控制系统及时处理大量信息，判断各站台的呼梯信息和各电梯的位置、方向、开闭状态以及轿厢内的呼梯，以提高超高层建筑的运输能力、服务质量和经济效益。

难点4——供电的安全性和稳定性

作为超高层建筑，供电系统设计必须特别注意安全，其次是供电可靠性。配电系统设计时，应考虑多回路供电和备用发电机组配置。由于超高建筑的高度，配电室可设置在塔楼的中层，以减少低压配电的损耗。备用柴油发电机设在地下室，供电电压为10 kV，然后通过变压器降为低压配电，保证配电至塔顶。

在超高层建筑的配电系统中，供电距离、电缆长度和电缆尺寸的合理调整以及安装时的施工工艺也是难题之一。由于超高层建筑面积大，层数多，自然会出现远距离供电的问题，所以备用电源可以考虑用高压发电机发电，从而解决这个问题。

此外，还需要特别注意的是，超高层建筑遇到强风时，可能会左右摇摆。由于超高层建筑会有一定程度的摆动，所以在上升干线的设计中可以将电缆接入铜母线槽进行配电，以减少超高层建筑在摆动时对铜母线槽连接组件位置的牵拉压力，减少故障和维修的机会，相对增加干线系统的寿命。

建成后还必须考虑到业主的方便，电气设备的空间布置要有调整的余地。作为超高层建筑，楼层多，自然有很多机电设备。为了让业主获得更大的使用空间，在线缆和轴的布置上，尽量减少换轴和缩轴占用的空间，为业主提供更大的使用空间。

难点5-防火

灭火难点:超高层建筑由于其特殊的结构和功能要求，内部火灾荷载大，火势蔓延快，疏散救援困难，存在较大的重大火灾隐患。例如，2009年2月，中央电视台新址附属文化中心发生火灾，造成人员伤亡和财产损失。

消防设计要点:防火-消防-耐火

防火:建筑工程使用防火材料、防火构件和防火附件，装修工程使用不燃阻燃建筑材料，易燃易爆场所加强通风，设置防爆电，使用不燃地面。

消防:一是将火灾控制在初期，包括安装火灾自动报警和自动灭火系统，做到早发现、早扑救；二是将火势控制在小范围内，在建筑平面和垂直方向划分防火分区和防烟分区，建筑之间留有适当的消防安全距离，切断火势蔓延路径，减少受灾面积，便于实施救援。

耐火性，加强建筑结构构件的耐火稳定性，使其在火灾中不会失效。

难点6-测量

超高层建筑，一般由超高层塔楼和多层地下室组成，很难测量。如果施工测量有误，损失将非常严重，难以弥补和修复。因此，工程测量是超高层建筑的重点和难点。

难度7-侧风的影响

高层和超高层建筑要承受侧向风。一般来说，在正常风压下，离地高度为10m，如果风速为5m/s，则在90m的高空风速可达15m/s。如果高达300-400m，风力会更强，即风速达到30 m/s以上时，摩天大楼的晃动会非常剧烈。对于建筑的这种晃动，首先要考虑其对电梯的影响，电梯被视为超高层建筑的“生命线”。电梯在高速运行时，如果建筑物的晃动超过一定的大小，电梯的钢丝绳在松紧时会因受力不均而损坏，会造成危险。

难度8-堆叠效应

冬季气温较低时，较低楼层(尤其是一楼大堂)和地下室的冷空气冲入电梯井，通过烟囱效应形成强大气流，使电梯无法关门。而且会把一些气味从下往上带，比如厨房的味道，油烟的味道。此时，如果底层或地下室有电焊作业或气体泄漏，火源可能会随着气流带到顶层，极其危险。同时，由于电梯轿厢与井道壁的间隙很小，电梯运行时，气流的摩擦会产生啸声，这种现象在金茂大厦也有出现。目前这是一个国际难题，还没有找到很好的解决方案。

难点9-管理和维护

一些超高层建筑出现了停电、跑水等事故。从管理的角度来说，除了做好预防事故的预案，做好备份系统，一旦发生事故，如何救援，有一个了解全局和系统所有细节的人是非常重要的。上海金茂大厦管理层曾经觉得很遗憾，大厦14000多个阀门没人掌握。清洁玻璃也成为管理这些庞然大物的一个问题。金茂大厦幕墙10.18万平方米。据说两个擦窗工连续工作，一年可以把玻璃全部擦一次。而且由于建筑形状参差不齐，挑檐很多，有的地方有3米多，清洗玻璃相当困难。

难度10-施工难度

1.超高层基础采用深基础。由于建筑物高大笨重，支撑高层建筑的地基必须达到足够的强度，所以常采用深基础，持力层嵌在风化岩层中。

2.超高层地下室深、多层、面积大。一是要满足建筑功能要求，如人防面积、停车位数量等；二是解决施工过程中结构的抗浮问题。

3.超高层结构多为混合结构。如钢筋混凝土、钢管混凝土、钢筋混凝土结构或全钢节点。它们的共同特点是:施工简单，工期短，结构性能好，大大节省建筑材料。目前，它们已成为超高层建筑最实用的主要结构形式。

4.超高层装饰工程装饰种类丰富，工程量大，技术含量高，要求高。超高层建筑装饰工程的安全功能尤为重要，对风压的抗力和风、水、气的密封性要求很高。

5.该建筑功能复杂，子系统多，安装工作量大，精度高。

6.新技术、新材料、新工艺得到广泛应用。

根据超高层建筑的特点，施工中应采取以下对策:

1.建筑技术必须有新的突破

超高层建筑不仅仅是建筑层数的叠加和建筑的延伸，还必须在建筑技术上有新的元素和突破。

(1)深基础施工技术。根据地质条件，深基础一般采用大直径人工挖孔桩、冲(钻)孔灌注桩、预制混凝土管桩或预制钢管桩，一种或两种同时使用。对于施工总承包，主要考虑的是按照设计桩型施工的技术能力、设备能力、安全和质量控制能力。总承包项目需要考虑成本因素和获得这些能力的难度。

(2)大型基坑土方开挖及支护技术。根据我国目前的政策和建筑本身的需要，超高层建筑必须有超大超深的地下室结构，而这部分工程施工的最大难点在于土方开挖和基坑支护。超高层建筑一般位于城市的主要路段，空间狭小，周边环境复杂而重要。土方开挖方案至少应解决以下问题:

A.入口和挖掘路线的选择

B.土方设备数量和性能的选择以及出入口的布置

C.最终土方开挖和运输的具体措施

基坑支护技术优化及周边建筑物和基坑边坡变形监测。

E.土方开挖与基坑支护的协调，甚至桩基施工。

2.施工组织要有新思路。

超高层建筑的垂直跨度很大，施工组织首先要解决垂直运输效率的问题。用有限的机械设备解决庞大的人员和物资问题，做到有序有效。

(1)大型机械设备的合理配置。需要计算现场的人流量，施工高峰期需要多少人坐电梯到现场，全部运送需要多长时间。结合工期计划，计算分析需要人货电梯运输的原材料、周转材料、成品、半成品的总消耗量和周转率要求，计算工时。在此基础上，合理确定塔吊、人货电梯的规格、型号和数量；选择混凝土泵的性能和数量。实际上，150m以上的建筑应设置一部高速施工电梯和一部普通施工电梯，分别服务于不同的施工区域。应选择一台混凝土泵泵送到位，油泵和电动泵应配备齐全。塔吊的性能和布置既要满足钢筋、模板、钢管等材料的运输，又要考虑钢结构的吊装和安装需要。精心规划，贴近实际，科学统筹大型机械布局。分析现场条件和地理位置，按照运输路径最短、运输能力最大的原则进行大型机械的平面布置。快速提升架和施工电梯应首先考虑楼层内的运输路线；塔吊要考虑安装和拆除的方便性、覆盖面积和附墙的可行性。

(2)要合理分配机械，不能有多余，所以机械的使用必然会有冲突，对机械的使用进行规划是非常必要的。各工种、各工序的现场操作顺序应事先安排好，并强制执行。体现在垂直运输设备的使用安排计划中，每个人、每件事都要知道自己的运输时间和顺序。有计划、有组织地调整设备的使用频率，提高使用效率。

(3)采取技术措施，减少对垂直运输的依赖。钢筋网、机械接头和大模板的使用，可以有效提高现场操作人员的劳动生产率，减少对操作人员和操作设备的需求，从而减轻垂直运输的压力。

3.施工质量要求高

在建筑总高度允许偏差值方面，超高层建筑的质量要求已经不同于普通建筑，特别是在结构安全性能和建筑功能要求方面。超高层建筑承受非常大的风压，对气密性和水密性要求很高。玻璃或幕墙的三维检测报告必不可少。在装饰工程中，外墙贴面砖的施工质量关系到建筑使用的安全，必须引起足够的重视，从技术和工艺上加以解决。外墙防水工程应从材料选择、工艺试验、过程质量监督等方面进行严格控制。

4.文明安全施工管理不同于一般建筑。

超高层文明的安全施工管理与普通建筑施工有很多不同之处。装饰工程与安装工程的立体交叉施工。必须设置安全区和防火区。脚手架的搭设和拆除方案必须经过批准、实施和检查。另外，大型设备要有安全防护措施等等。总之，文明安全施工要横向到边，纵向到底，措施到位，责任到人。

5.楼层内必须设置简易厕所。

超高层建筑施工人员集中，生活区和生产区布置合理，日常检查得到有效控制。