复杂造型钢结构塔冠结构设计与研究

复杂造型钢结构塔冠结构设计与研究

严东，王良友

中国建筑第二工程局有限公司，重庆400000

摘要：随着城市高层建筑的不断增加，为展现其更美观的建筑造型，大体量的复杂钢结构塔冠不断增多，这对塔冠施工技术要求更高，如施工前期未做好充分的方案设计和技术措施分析，很难保证施工过程的质量、安全和工期控制。且高层建筑大多位于城市核心区，建筑密集，人口密集，经济繁荣，现场施工对周围的环境产生影响，塔冠施工整个过程对周围产生的所有影响都应控制在合理范围，所以，高层建筑钢结构塔冠施工技术的提升是至关重要。

关键词：框架-核心筒结构;塔冠结构;管桁架;抗震性能化设计

前言：某塔楼为A级高度的钢筋混凝土框架-核心筒结构，大屋面建筑总高度为143.1m，大屋面之上为造型较为复杂的塔冠结构。塔冠高36.40m，造型顶标高为179.50m。根据建筑造型要求，塔冠结构只能沿着建筑物轮廓四周布置，塔楼中部钢筋混凝土核心筒只能升至标高151.600m处，标高151.600m以上塔冠结构无法设置有效侧向支撑与中部钢筋混凝土核心筒相连。主要介绍了塔冠结构体系以及为实现复杂建筑造型结构构件的布置及关键节点的处理办法，塔冠结构设计时相关荷载的取值方法，针对塔冠位置高、建筑造型新颖、构件连接复杂等特点进行的一系列分析与研究。

1.高层大体量钢结构塔冠施工技术要点

1.1BIM技术

在塔冠钢结构施工前期的深化设计阶段，运用Tekla、Revit等建模软件按照设计施工蓝图进行深化设计，较短时间内直观呈现出虚拟实体模型，是准备阶段的重要环节。在施工过程中使用BIM技术，并通过相应的技术软件对施工现场进行高效模拟，能够保障钢结构部件的质量，通过这种仿真模拟，就能快速找到钢结构部件在生产制造过程中所出现的问题，充分降低企业成本。运用BIM软件深化建模，可以发现施工图存在的问题，如碰撞、构件错位、构件号不明确等，其次也可以提前发现一些施工上存在的困难和局限，如空间小、构件密集不利焊接操作和质量控制，技术人员可及时整理反馈至设计单位，按规范标准和施工经验提出优化建议，设计单位进行复核并回复，不会造成额外工期和成本的增加，为现场施工顺利进行奠定基础。大体量塔冠钢构件安装需对构件分节、分段组装，结合塔冠BIM模型和施工需求，技术人员对构件安装工序模拟和优化分节、分段，再将构件尺寸、重量准确提取，满足加工、运输和安装要求，对于部分超限构件即可提前在模型中优化调整。BIM模型辅助优化塔冠施工方案，清晰体现施工重难点，辅助技术人员制定针对性解决措施，通过塔冠BIM模型为整个塔冠及屋面工程施工进行方案设计和比选，为实施编排施工大计划，工序穿插、人员、机械及材料投入提前摸排，实现施工过程精细化管理。通过BIM技术建模实现问题前置化解，结合施工需求对构件合理分节，运用Tekla深化设计软件对构件深化，在工厂进行钢构件精确下料和加工制作，按现场安装顺序进行分区、分批加工制作，构件上贴二维码和喷涂构件编号，加工过程质量检查精准复核，有助于构件运输及卸车有序堆放和材料清点，半成品构件有序运往现场，现场实际安装构件不错位、不错吊，对整个施工过程的效率和质量控制至关重要。安装人员提前熟悉塔冠BIM模型，快速了解塔冠构件工况和布局，辅助构件安装准确定位，同步提升塔冠钢构件安装的精准性和施工效率。

1.2工厂及地面大构件拼装技术

塔冠钢构件满足建筑造型需求，具有钢构件大、安装高度较高，施工难度和风险较高，构件布置不规则等特点。对此，如何减少塔冠钢构件现场高空作业的拼接量、加快安装效率、提高施工质量和安全性是当前施工技术必须重视和思考的问题。结合项目实际，采用构件预拼装技术，将部分零散构件焊接为大构件，整体吊装至屋面塔冠安装，主要分为工厂拼装和施工现场地面拼装。首先，工厂大构件拼装技术在工厂进行，其加工条件、机械设备和制作等均比施工现场完善，钢构件预拼、组拼需要严格的控制钢构件的尺寸、角度及焊缝质量，精准度控制要求严格，需吊车、胎架及制作工人的紧密配合才可实施，满足工厂制作能力、运输及现场安装的条件下，大构件拼装优先选择在工厂进行，一定程度减少零散构件的现场组拼焊接。其次，现场地面大构件拼装技术，较大构件运输会超限限制，非特殊工程或重要不可分节点不宜进行超限运输，超限运输经济成本高，运输过程管理难。对此，在满足机械吊装性能和安装条件下，地面大构件拼装技术宜选用，在施工现场规划一块作业面，地面焊接操作胎架，运用塔吊或汽车吊等机械控制构件角度及移动作业，地面进行部分特殊构件的拼装和焊接，经构件尺寸复核和无损检测无误后整体吊装至塔冠安装，减少垂直运输吊次数量和屋面塔冠安装焊接量。综合运用工厂和地面大构件拼装技术，将部分零散构件提前进行合理组合焊接，减少钢构件的安装吊次，减少现场高空焊接的工作量，降低高空焊接作业造成的环境污染和对市民生活及工作的影响，塔冠钢构件施工质量、安全及工期管理更为受控，综合效益提升显著。

1.3钢构件串吊技术

钢结构塔冠具有造型复杂、构件数量多及布置不规则等特点，受安装和运输等因素限制，很大部分构件还是不能在工厂或现场地面组拼，如斜支撑、弧形梁、较长构件、组合极为不规则构件等，还需单个构件吊运至塔冠安装焊接，那么现场施工会遇到构件垂直运输占用时间长的问题。高层建筑钢构件垂直运输主要通过塔吊完成，如一栋建筑高度为250m，塔吊一个吊次上下所用时间长达50min，不含起吊和放勾时间，相比常规建筑运输速度较慢，在有限的机械设备条件下如何提高垂直运输效率是关键。对此，结合塔吊的吊重性能可采用钢构件串吊技术，将3至6根钢构件用钢丝绳卡口与钢构件的吊耳连接，由下往上排列一次起吊，多个构件同时吊运屋面塔冠安装，垂直运输效率大大提高。串吊技术的运用，机械性能及吊装利用率最大化，降低了施工能耗损失，强化施工现场绿色施工和精细化管理。

2.工程概况

某项目由3幢3层商业和1幢超高层办公塔楼(T2塔楼)组成，总建筑面积为16.20万m2，地上建筑面积为7.37万m2，地下室建筑面积为8.83万m2。其中，超高层T2塔楼地下共2层，地下2层和地下1层层高分别为3.9、5.7m，主要功能为商业及停车;地上共33层，首层层高为6.0m，避难层(12、22层)层高为5.0m，其余标准层层高为4.2m，建筑大屋面高度为143.1m，主要建筑功能为办公。超高层T2塔楼主体为钢筋混凝土框架-核心筒结构。T2塔楼大屋面之上为高36.40m且较为新颖的塔冠造型，塔冠结构体系采用空间管桁架结构，支撑管桁架的大格构柱竖杆分支锚固于钢筋混凝土柱内，钢筋混凝土柱锚固于屋面梁上。塔冠结构设计使用年限50年，结构安全等级二级，抗震设防类别标准设防类建筑，抗震设防烈度6度，建筑场地类别Ⅲ类，场地特征周期0.35s，水平地震影响系数最大值0.0412，塔冠独立模型设计阻尼比0.02。50年一遇风荷载0.35kPa，地面粗糙度类别C类。结构最大升温及降温温差为30℃，结构合拢温度20℃。塔冠结构分析设计是T2塔楼整个项目的设计难点之一，相对于传统结构有如下设计难点:1)选择合适的结构体系在实现建筑功能的同时达到既美观又经济;2)结构关键柱脚节点的构造;3)如何确定地震作用下塔冠结构的鞭梢效应动力放大系数;4)重要复杂杆件的受压稳定性分析;5)结构关键节点有限元分析。

3.塔冠结构体系

塔楼主体结构采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系;塔冠结构造型较为奇特，为减轻结构自重，采用钢管桁架结构体系，管桁架结构根据建筑造型的需要沿着建筑物周边一定范围内布置。塔冠结构可分为左右“两瓣”造型，由13根竖向格构柱及6道水平空间桁架组成，塔冠结构高36.40m。根据建筑造型的需要，结构中部钢筋混凝土核心筒只能升至塔冠结构底部之上8.50m处，底部8.50m高度范围内管桁架通过2层不同标高的水平梁与中部混凝土核心筒连为一个整体。标高8.50～36.40m范围内受建筑造型影响不再设置侧向支撑与主体结构连接。

4.结束语：

随着城市建设高层建筑的不断耸立，施工技术提升和发展势在必行，该研究成果具有较大的推广应用价值，对类似工程建设提供较好的参考价值。有效地节约了工期、节省了成本、提高了工作效率。

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