施工技术张希黔：引领我国超高层建筑高质量发展的创新施工技术

【作者简介】 张希黔 ，中国建筑集团有限公司施工技术专业委员会主任委员、《施工技术》荣誉编委。 

1921年中国共产党的诞生，掀开了中国历史的新篇章。百年来，中国共产党带领全国人民谱写了中华民族自强不息、顽强奋进新的壮丽史诗。在党旗飘扬下，中国建设者们奋力拼搏，开创了我国建设事业一个又一个新的高峰。

超高层建筑的数量、高度在一定程度上代表了一个国家的经济与技术实力。自1976年高115m的广州白云宾馆建成以来,超高层建筑在我国迅速发展，超高层建筑数量、建筑高度纪录不断刷新。截至2018年底，我国已建有200m及以上的超高层建筑678座，占世界总量的46.6%，是第2名美国（198座）的3倍多，中国是世界上超高层建筑数量最多、分布最广的国家，是名副其实的超高层建筑大国。

超高层建筑在带来高效的土地利用效率、丰富的使用功能、震撼的视觉效果的同时，其巨大的荷载、复杂的结构和超大的工程量等特点都为超高层建筑施工带来了巨大挑战。在党中央、国务院的坚强领导下，以“中国建筑”为代表的我国建筑企业，不怕困难，自强不息，锐意进取，研发应用了一大批处于国际领先水平的超高层建筑施工创新技术。这些技术在实现工程项目“又好又快”建造的同时，提高了企业、行业的核心竞争力，使得中国建筑业走出国门，走向世界，“中国建造”已经成为我国在世界上的一张亮丽名片。

在中国共产党成立100周年之际，本文期望通过对近年来我国超高层建筑典型创新施工技术的总结，助力这些创新技术的进一步推广应用，加速我国建筑业转型升级，推动我国超高层建筑高质量发展。

万丈高楼平地起，拥有一个高质量的基础，是超高层建筑正常发挥作用的前提。超高层建筑的基础往往具有基坑深度大、作业环境复杂和工期要求紧等特点，且施工难度导致施工安全无法得到有效保证。因此，探寻合适的新技术、新方法，实现超高层建筑基坑安全、高效施工已经成为工程师们关注的热点。

1.1逆作法深基坑施工技术——上海环球金融中心工程

上海环球金融中心坐落于上海(见图1),其地下室外墙周长为614.1m, 基坑平面不规则,接近矩形,总面积达22468 ㎡ 。

图1 上海环球金融中心   

项目采用传统逆作法无法达到预期目标，其立柱数量多，且土方暗挖工作量大导致出土难度大，这都对整体工期造成了一定影响。故综合考虑采用中心岛顺作(自成体系)、裙楼逆作工艺作为项目施工方案。塔楼采用支护体系单独施工，待主体结构施工至地表，裙楼采用逆作法施工。

1.2 紧邻长江超大超深基坑施工技术——武汉绿地中心工程

武汉绿地中心位于武昌区(见图2),与汉口外滩一江之隔。基坑面积约为3.6h ㎡ ,周长约850m, 其形状近似为1个304m×121m的长方形，土方开挖深度约为23.75～31.35m; 地下建筑面积庞大，约为17h ㎡ ,地下空间也超过100h ㎡ ,因此可以称之为超大超深基坑工程。该场地周边地质条件复杂，属于江南岸 I 级阶地地貌，地处临江多元地貌，伴随高水头承压水，很大程度上增加了施工难度。

图2 武汉绿地中心工程

针对本工程承压水埋深大、水头高、水量大的特点，遵循“疏堵结合”的地下水治理原则，结合地下连续墙隔水、多井点降水系统与水位实时监测反馈系统。

1.3 地震区域非对称土压力深基坑施工技术——天津高银117大厦工程

天津高银117大厦工程(见图3),地下室结构共3层，基坑边坡顶部平面尺寸为394m×315m, 开挖面积约12.41万㎡。该工程地质环境为滨海地区复杂软土层，其地下水位高、厚度大、易产生流砂、基坑突涌等现象。

图3 天津高银117大厦    

根据基坑周边场地环境及基坑超大、超深的特点，提出了新的设计思路——非对称受力超大圆环支撑体系,攻克188m超大直径圆环非对称受力支撑体系施工问题，形成了超深地下连续墙、土方开挖、内支撑、“两桩合一”支撑立柱、超大深基坑双层地下水降水等施工关键技术。

1.4 城市中心区禁止桩锚杆深基坑施工技术——佛山市中医院医疗综合大楼工程

佛山市中医院医疗综合大楼工程(见图4)是原建设部“十五”重点实施技术示范工程，同样也是世界级中医院医疗综合大楼。

图4 佛山市中医院医疗综合大楼工程 

工程研发应用悬臂双排桩深基坑支护体系,采用水泥土拱加固双排桩间土，提高支护体系抗侧移能力。与此同时，采用无粘结预应力钢绞线创新性地代替了原有的桩锚体系。

1.5 紧邻地铁超大超深基坑施工技术——深圳市星河中心工程

深圳市星河中心工程(见图5)基坑与地铁1号线、4号线距离均在10m以内。该项目基坑属于小变形量的特大型超深基坑变形控制，对基坑变形控制要求高且控制技术复杂，如何控制这类基坑变形，已成为目前我国工程界在基坑方面的重点研究方向。

图5 深圳市星河中心工程

该工程提出了双侧紧邻运营地铁特大型超深基坑多工况变形控制的计算机模拟方法，利用FLAC3D软件进行数值分析，优化设计方案，有效指导施工，并成功应用于该项目基坑工程。

在严格控制基坑变形的原则下，制定了“缓慢卸荷、平稳过渡”的内支撑拆除技术路线，提出了“特大型超深基坑钢筋混凝土内支撑拆除的‘切割+静爆’施工技术”,以确保钢筋混凝土内支撑拆除时振动微、噪声小、对周边环境影响小，为类似基坑工程提供参考。

目前，中国超高层建筑数量居世界之首，超高层建筑成为城市亮点的同时，也推动了我国超高层建筑施工技术提升。超高层建筑的发展趋势是高度更高、结构更复杂、施工进度要求更快等。超高层建筑主体施工技术也朝着超高层建筑施工模板体系、超高层垂直运输体系、超高层钢结构施工技术、超高层钢结构装配式建筑施工技术的方向发展。

2.1 超高层建筑模板体系

2.1.1 超高层模板体系发展

以中建三局建造的工程为例，300m以上的在施或竣工建筑约有50个，其中绝大多数采用的是框架核心筒剪力墙结构。相对内部核心剪力墙而言，在主体结构施工中，外围钢框架施工速度更快。虽然钢框架往往落后核心筒数层才开始施工，但混凝土施工进度会影响钢结构施工进度。因此，高层、超高层建筑竖向混凝土结构施工技术的一个重要课题就是在保证结构质量与施工安全的前提下提高施工速度。

20世纪40年代初期我国从苏联引进滑模施工技术(见图6),可以大幅提升核心筒施工机械化程度。其典型应用工程为武汉国际贸易中心(见图7)、中央广播电视塔等。

图6 液压滑升模板系统组成

图7 武汉国际贸易中心

20世纪80年代末，爬模技术开始在国内应用，并在近些年有了长足的进步与发展。爬模的优点主要有布置灵活、机械化程度高、适应性强，应用范围广。

随着建筑市场竞争的加剧，建筑企业不断地寻求更加高效的施工技术，进而缩短工期、降低施工成本。因此，专注于超高层核心筒结构施工的具有施工速度快、承载力大、安全性好、集成度高等诸多优点的“低位顶模”和“集成平台”也就应运而生了。

2.2 超高层建筑垂直运输体系

2.2.1 竖向通道塔

随着超高层建筑的兴起和发展，对架设施工电梯支撑系统高度和稳定性的需求也在增加。以往的支撑形式较为单一，大多都由导轨架及附墙杆组成，施工电梯标准节结形式固定。且主体结构与导轨之间的构造连接不强，整体稳定性较差。加之没有形成规范的施工电梯支撑体系，现有的施工电梯性能已不能满足超高层建筑的发展需要。因此，有必要研发一种新型的施工电梯支撑体系。

同时，现有垂直运输系统运载能力的限制和平立面布置困难的问题，已成为阻碍超高层建筑进一步向“高”发展的主要瓶颈。为满足超高层建筑的运输需要，一般施工电梯都分散布置于结构外立面或电梯井道内，影响后期幕墙封闭及正式电梯施工，进而导致工期延后。除此之外，由于布置了多道竖向施工电梯，与其匹配的水平作业面也大大增加，从而占用了大量的施工空间，而且这种分布式的布置形式，不利于物料运输管理和人员施工管理，对施工组织管理能力提出了很高的要求。

为解决上述问题，中建三局提出了通道塔新型支撑体系。通道塔通过集中布置室外施工电梯，简化了施工电梯的布置形式，有效提高了管理效率和运输效率。通道塔符合施工电梯支撑体系轻量化、集中化、工业化的发展趋势，具有广阔的发展及应用前景。

2.3 钢结构施工创新技术

在我国城市化大趋势下，建筑数量和建造技术都得到了井喷式的发展,其中超高层建筑脱颖而出，在城市建筑中占有的比例逐渐上升。超高层建筑的出现有效解决了城市用地不足的情况，有效缓解城市人口压力，也满足了人们对于建造更高、更大的宏伟建筑的愿望，象征了现代社会经济的繁荣。超高层建筑在向天空进军之时，必然需要钢结构的强力支撑。

超高层建筑中，通常会使用钢柱、钢梁、钢板剪力墙、环带桁架、伸臂桁架等钢结构构件。随着建筑高度的不断攀升，钢结构构件逐渐呈现巨型化和复杂化的趋势，钢结构的施工难度和面临的问题也随之不断增加。

2.3.1 多腔体巨型钢柱施工关键技术

随着超高层建筑高度的不断攀升，巨型钢结构逐渐得到了应用。巨型钢结构优点在于可最大限度利用材料的物理力学性能，且具有超强的抗侧刚度、更好的稳定性和更高的效能。

2.3.2 超长、超厚单层钢板剪力墙制造与安装技术

超高层建筑一般采用单层钢板剪力墙形式，具有增加结构延性、减小结构自重等特点，能够提高结构抗侧刚度，有利于超高层建筑的位移控制。单层钢板剪力墙一般具有超长、超厚等特点，其制造、运输、安装相较于常规构件具有较大难度。对此，开展钢板剪力墙深化设计、制造及现场连接，确保超长、超厚钢板剪力墙的制造和安装质量。

2.3.3 现场自动焊接机器人施工技术

随着建筑高度的不断攀升和人工成本的日益增加，超高层建筑钢结构的焊接将向自动化、智能化发展，现场钢结构自动焊接机器人将是未来的发展趋势。针对现场钢结构的对接形式和施工特点，开展自动焊接机器人适用性、自动化和轻量化设计研究，通过试验确定合适的现场钢结构自动焊接工艺参数，并在超高层项目上加以应用，提高现场钢结构焊接施工自动化水平。

2.3.4 结构变形控制关键技术

施工过程中的变形差异，将带来外框-核心筒之间的竖向偏差，不利于建筑的施工质量和结构安全。对施工期间的超高层结构变形情况进行施工模拟，得出钢框架与混凝土核心筒在施工过程中的变形规律和特点，并结合实际工程项目施工情况，提出结构标高控制施工措施与结构竖向变形差控制措施，以最大限度地控制钢框架与混凝土核心筒的不均匀变形,确保超高层建筑安装精度，保障施工安全和结构稳定。

2.3.5 远程无线实时检测技术

超高层建筑施工过程中，需对结构进行施工全过程现场实时监测，确保结构施工精度和安全性。随着建筑高度的增加，采用远程无线实时监测技术，以更及时便捷地对超高层建筑施工过程进行实时监测。

2.4 超高层装配式建筑施工技术

全预制装配式超高层建筑作为建筑工业化的主要推手，是指对结构和构件进行科学化的后台设计，再通过先进的工业水平形成制造、运输、安装全链路的一种集中的、高水平的、高效率的生产方式。目前，我国超高层装配式建筑的建造技术已基本满足建造要求，但尚存在建造环节信息割裂、生产质量精细化控制不足、施工技术创新较弱，且未形成完整的建造技术体系等问题，导致装配式建筑的自身优势未能充分发挥，极大限制了进一步推广。为此，重庆大学、重庆建工集团、美好建筑装配科技有限公司等单位，创新研发了系列技术，很好地解决了上述问题。

目前，超高层建筑混凝土施工首选高效、环保、经济的泵送工艺。与普通混凝土相比，超高泵送混凝土存在两大特点：①泵送条件极端，与普通泵送相比，超高泵送高度高(>200m)、管道长(可达千米级)、压力大(可达30MPa, 是普通泵送2～5倍)、脉冲次数多(可达500次),堵管风险极高、工期延误时间长、经济损失大；②硬化环境复杂，混凝土强度等级高、竖向结构养护困难、异型与复杂钢混结构约束强、高空大风低温等材料、施工、结构、环境因素大大增加了开裂风险，进而影响安全使用寿命。以上特点给超高泵送混凝土的研究与工程应用带来了三大难题。

1)可靠评价难  

2)协同调控难  

3)施工应用难  

综上，建立超高泵送混凝土可靠评价方法，开发流变性能、体积稳定性能调控关键材料，开发主动抗裂施工技术，对于支撑超高层建筑应用技术进步具有重要意义。为此中建西部建设股份有限公司联合其他单位开展了复杂耦合环境下现代混凝土超高泵送-超高抗裂性能协同提升关键技术的研究工作。

研究针对超高泵送混凝土施工的特点，围绕“泵送时不堵、硬化后不裂”两个核心目标，从“长时、脉冲高压作用下大流态混凝土流变性能演化机理”“基于环境、结构、材料多因素耦合的超高泵送与抗裂性能协同提升机制”两个关键问题研究入手，通过揭示超高泵送混凝土流变性能时变机制，建立泵送压力精准预测方法，开发评价方法与指标体系、过程精准监测系统，针对流变性能、体积稳定性能调控要求，开发系列性能调控关键材料、组成设计与抗裂施工协同技术。

1)超高泵送混凝土可泵性能评价关键技术

2)长时、脉冲、高压下混凝土流变性能调控关键技术

3)复杂耦合环境下混凝土抗裂性能提升关键技术

4)混凝土超高泵送性能与超高抗裂性能协同提升技术

5)基于主动控温的钢-混组合结构抗裂施工关键技术

该技术在工程项目中获得了成功的应用，在天津高银117大厦创造了泵送高度621m的世界纪录。

4.1 虚拟现实技术的应用

为了在工程项目实施前，提前展示完成效果、验证可行性并指导后续施工，将数字图像和仿真技术以及传感器技术结合，以此达到指导施工、控制质量的目的。

西安迈科商业中心项目(见图8),由办公楼、客房餐馆等组成。主塔楼为钢框架-支撑体系结构，结构整体十分复杂。为解决复杂桁架结构对施工作业造成的巨大挑战，项目对钢连桥的多项施工方案进行全过程模拟分析。

图8 西安迈科商业中心项目 

考虑了施工时受力状态的时变性，需要针对各阶段受力状况进行优化，以满足计算和规范要求。

4.2 GPS及北斗卫星技术的应用

中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统(BDS),深圳平安金融中心首次使用了该系统。项目依据现场情况焊接天线杆，确定相应监测方案,并实时存储数据最终全程、全方位记录测点各项参数。

4.3 云平台+互联网+无线传输等智慧建造技术应用

借助该自动化监测系统能够对复杂构件的应变情况进行实时监测。应变的实测数据随着时间的推进在不断波动变化，测量结果较容易看懂。同时，该自动化监测系统是基于云数据平台的，因此无论项目管理人员身在何处，只要身上带有或者附近有能够连入互联网的设备，就能够在任何时间、地点，登陆平台端查看施工现场的应变监测情况。当然，该自动化监测系统能做的不仅仅是实时监测，根据使用者需求，还能够随时调用历史数据进行分析，包括预警频率分析、历史最大值等，同时，通过接口还能够开发其他智能化服务。该自动化监测系统与传统监测方法相比，不仅能大量减少人力和物力成本投入，还使得工地的整体运作更加智慧化、标准化、科学化。

建党百年以来，在中国共产党的坚强领导下，中国建筑人用自己的勤劳和智慧，不断努力，从科研、实践中探索出一套套新的理论和技术，创造了一个又一个的建筑奇迹，让世界震惊。

相信在下一个一百年中，会涌现出更多人才，前赴后继，投身于我国建筑事业，会有更多领先的超高层建筑创新施工技术被研发与应用，为促进我国建设事业高质量发展、实现中华民族伟大复兴作出一份贡献!

原文刊登于《施工技术》2021年13期“引领我国超高层建筑高质量发展的创新施工技术”