崔晓强(上海建工南方公司总工程师)

  高层建筑结构施工控制技术是随着超高层建筑施工技术领域中技术难度最高,研究基础最薄弱的一项内容,但在超高层建筑施工中的作用和地位却越来越重要,其对结构的功能使用,甚至对结构的质量和安全具有决定性的影响。

  超高层建筑的历史轨迹

  要说明建筑结构施工控制技术,需要从超高层建筑的历史说起。超高层建筑历经100多年的发展,是人类文明进步史的重要组成部分,也是人类不断征服自然、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的需要,超高层建筑在最近几十年时间里得到了突飞猛进的发展。作为其中的标志性工程,代表建筑有1931年建成的美国纽约帝国大厦(高381m,102层),1972年建成的美国纽约世界贸易中心(417m和415m,110层),1998年建成的马来西亚吉隆坡石油大厦(452m,88层)和中国上海金茂大厦(420.5m,88层),2004年建成的中国台北的环球金融中心(508m,101层)。

  不难发现,超高层建筑具有显著的经济效益和社会效益,更是一个地区甚至一个国家的标志性建筑。它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。韩国已经宣布将建设一座130层、高达580米的国际商务中心大厦。美国世界贸易中心重建计划的高度达541米。中国上海2008年底,已经开工建设628m的上海中心。而且,在全国范围内,超过460m的超高层建筑至少还有3座已经完成初步设计,即将进行建设。世界范围内,阿联酋正在建造705m的迪拜大厦,沙特甚至宣布即将建造1001m的超级摩天大楼。可见超高层建筑的兴建在世界范围内是多么激烈,各国企业家和科学家都希望占领该领域竞争制高点。

  美国和日本的超高层建筑的建设施工技术研究最为系统、深入。他们在超高层建筑施工工艺方面取得了丰硕成果,通过最新的计算机技术、自动控制技术和施工技术的交叉整合,引领了世界超高层建筑的施工技术。

  我国超高层建筑研究及工程应用起步比较晚,但是发展非常迅速。目前世界已建成的十大超高层建筑中,中国占有7座,表明我国是世界超高层建筑建造大国。正是在这些工程中研究和积累,我国在超高层建筑施工领域开拓和发展了多项新技术,如混凝土超高程泵送技术、整体提升钢平台模板体系、钢结构高空吊装技术等,有些已经达到国际领先水平。虽然如此,我国在超高层建筑施工领域与美国、日本等国家相比还有比较大的差距,特别是在信息化和自动化施工方面。而这些方面的成果和技术往往属于技术秘密不公开,因此我们必须加强这方面的自主研究,才能紧随和超越世界先进水平,同时提升我国在超高层建筑施工领域的核心竞争力。

  与此同时,现代超高层建筑已经从单一的追求高度,发展到形体和形式的多样化。如形体上越来越多地表现出倾斜、扭转、高空悬臂等特征,这对施工技术提出了更多的挑战。因为这些特征的出现,使得结构施工过程面临几大突出的问题,即如何控制施工精度、如何控制残余应力和变形以及如何控制结构施工过程中未成型结构的安全等。

  探索破解施工中的瓶颈

  鉴于超高层建筑的上述新特点,因而对结构施工技术提出更高的需求。很显然,由于超高层建筑高度和形体的量变,引起了施工过程环节变化的质变。工程越复杂、施工环节越多,施工对超高层建筑的影响就越强烈。这些突出的问题,目前的研究成果比较贫乏和单一。这些越来越突出的问题已经成为制约超高层建筑结构建造的关键瓶颈之一。这也是我此次上海市科委启明星跟踪计划课题希望探讨和要解决的问题。笔者以为,破解上述问题的出路和方法仍在于施工控制技术。

  在长期的工程实践中,工程技术人员逐渐认识到施工对结构状态有着极为显著的影响,必须在准确评价施工对结构状态影响的基础上,以现代工程控制理论为指导,加强施工过程控制,通过优化施工工艺来改善结构状态,确保结构在施工期安全性和使用功能。在工程建设中,系统应用工程控制理论来解决施工控制问题的,当属桥梁工程。这是与桥梁工程的大规模发展密不可分的,桥梁工程较建筑工程更早进入巨型工程发展阶段,桥梁工程建设对施工控制的需求更为迫切。

  因此,早在20世纪80年代在桥梁工程领域就掀起了施工控制理论研究高潮,并取得丰硕成果,为许多特大型桥梁工程的建设提供了科技支撑,形成了系统的研究成果——桥梁施工控制理论。这些为我们开展建筑结构施工控制理研究提供了丰富的可以借鉴的成果。但是,由于桥梁工程和超高层建筑结构存在本质上的不同,必须进行更加深入的和创新性的研究才能解决实际的问题。

  长期以来,由于建筑工程规模相对比较小,或者尽管规模巨大,但形态比较规则,因而施工过程比较简单,结构状态易于控制。因此,建筑工程建设对施工控制理论的需求不甚迫切,建筑工程领域施工控制理论研究非常薄弱。超高层建筑领域对施工控制理论的研究可以说还是比较空白和单一,超高层建筑工程施工控制理论系统性研究成果还没有出现,只有少数工程技术人员或企业结合工程建设的需要开展施工控制技术研究。

  1990年日本竹中工务店在大阪第一生命大楼工程建设中开发了预应力法施工控制技术,解决了大跨度结构施工过程中挠度控制的难题,确保施工过程中相关楼层的平整度始终符合规范要求,为楼层混凝土浇捣创造了良好条件。美国LeslieE.Robertson设计事务所在西班牙马德里的PuertadeEuropa双斜塔工程中,成功应用了预应力法解决了双斜塔的垂直度控制问题,通过理论分析确定施工理想状态,最后采用预应力法调整斜塔垂直度,使其满足设计和使用要求,取得了良好效果。

  结合工程实践力求创新

  笔者通过前期的启明星工作积累了一定的研究基础,从理论上解决了施工控制的一些突出问题,如施工全过程的仿真分析技术,但仍未形成系统的研究成果。一项研究的成功和良好的、合适的研究载体直接相关,特别是对施工技术领域研究而言更是如此。我们选择了正在建设的世界最高的电视塔结构——它既是一个超高层建筑,又是一个电视塔结构——610m的广州新电视塔为研究对象。

  广州新电视塔由454m的主塔体和156m高的1500t重的天线桅杆组成。主塔体由钢结构外框筒和椭圆形的混凝土核芯筒组成,塔体中部形成纤纤细腰。广州新电视塔这种典型的复杂斜交网格高层结构,具备了高、偏、扭等复杂结构特征,代表了未来建筑的潮流。这些结构特征几乎涵盖了超高层建筑未来可能采用的结构形式的特征,因此,其形成的施工控制技术,将有助于探讨和解决超高层建筑施工控制技术的核心问题,推动高层建筑技术的更大进步。

  通过上海市科委创造的研究条件和自身优势,我们对超高层建筑施工控制技术进行了系统的研究,目前已经在一些小系统方面取得了可喜的研究成果。

  1.超高层建筑钢结构施工控制技术方面:结合广州新电视塔高、扭、偏、重、悬等结构特点带来的钢结构吊装、焊接和精度控制等难题,通过集成创新,研发了全方位的温度、应力和变形监测系统,开发了针对性的施工调整技术,确保了施工的精度和质量要求与严格控制残余应力和变形在许可范围之内。

  2.超高层建筑混凝土结构施工控制技术方面:通过信息化的施工控制系统和数据处理系统,仿真和监测超高的混凝土核芯筒结构收缩徐变以及外筒间的差异沉降,做到了标高的精确补偿和控制。

  3.超高层建筑结构施工预测系统和施工调整系统的深入研发和创新研究:基于启明星QMX1469的研究成果,继续开发具有广泛适用性的仿真分析平台,可以更广泛解决超高层建筑领域的施工控制技术难题。这项研究已经取得了更多的突破

  通过综合应用信息化技术、主动控制技术、高级有限元技术和健康监测等技术,系统地控制施工过程,确保结构施工过程的质量和安全,达到设计的初始要求。未来这些成果不仅可以解决实际的问题,而且有助于提高企业的核心竞争力。