超高层建筑结构施工控制.doc

1、超高层建筑结构施工控制施工控制的重要意义 与其它工程一样，超高层建筑设计蓝图要变成工程现实都有一个必经环节 - - - 施工。因此，严格地说，超高层建筑工程的最终状态不但受设计控制，还受施工影响，施工过程在超高层建筑工程的最终状态中留下一定痕迹。施工过程因工程而异，复杂程度繁简各异，持续时间长短不一，施工对超高层建筑工程的最终状态的影响也就程度不同。工程越复杂，施工环节越多，施工对超高层建筑工程的最终状态的影响越强烈。如果对施工过程不严加控制，施工对超高层建筑工程产生的不利影响，轻则导致建筑功能不能正常发挥，重则给超高层建筑工程带来损伤，留下安全隐患，甚至引发重大灾害事故。 但是长期以来超高层

2、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。所以，超高层建筑工程建设对施工控制技术的需求不甚迫切，相关研究非常薄弱，系统性的研究成果比较少，只有个别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1，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。美国罗伯逊（LeslieE.Robertson）设计事务所在西班牙马德里的欧洲之门施工过程中，应用预应力法施工控制技术成功解决了双斜塔

3、的垂直度控制难题。范庆国等人在建设上海金茂大厦的过程中，采用了标高预补偿、两阶段安装等多种方法解决了结构标高控制、核心筒与外框架变形协调和外伸桁架内力控制等施工控制问题。 近年来，人的活动空间不断扩大与土地等不可再生资源的矛盾日益突出，发展超高层建筑对缓解这一矛盾具有积极意义，因此超高层建筑已经进入新一轮发展高潮，广州新电视塔等一大批超高层建筑正在或即将兴建。超高层建筑发展呈现以下显著特点：一是高度不断增加，2003 年落成的中国台北 101 大厦高度突破 500m，达 508 m，2010 年竣工的阿联酋的哈利法塔大厦高 度突破 800m，达到 828 m，规划的建筑高度已经突破千米大关；二

4、是体型奇特，为了追求强烈的建筑效果，造型更加新颖奇特，如西班牙马德里的欧洲之门地上 25 层，高 95 m ，相向倾斜 15，中国苏州东方之门地上 77（71）层，高 278 m ，顶部 9 层相连形成拱门，中国北京中央电视台新台址大厦更是将这一理念推向极至，地上 52 层，高 234 m，由两座双向 6倾斜塔楼和连接两座斜塔顶部的15 层高悬臂结构承载，构成由两个巨大的“”字交叉缠绕的城市巨型雕塑；三是结构复杂，为了实现建筑意图，结构日趋复杂，结构体系巨型化趋势非常明显。除巨型框架结构体系应用日益广泛外，斜交网格结构体系也开始成为超高层建筑抗侧向荷载结构体系，应用越来越多，广州新电视塔和广州

5、国际金融中心都采用了斜交网格结构体系作为抗侧向荷载结构体系。 超高层建筑高度的不断增加、造型的多样化和结构的复杂化给工程技术人员提出了严峻挑战。必须积极借鉴控制论思想和方法，优化施工工艺流程，控制超高层建筑结构施工过程，保障超高层建筑施工安全，提高超高层建筑结构可靠性。 2.1 施工控制原理超高层建筑施工控制是控制论在高层建筑施工中的应用，是建筑工程施工工艺与工程控制论相结合的产物。2.1 控制论原理 自从 1948年诺伯特维纳发表了著名的 控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学一书以来，控制论的思想和方法已经渗透到了几乎有的自然科学和社会科学领域。控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科学

6、，是具有方法论意义的科学理论，它的理论、观点，可以成为研究各门科学问题的科学方法，也可以为超高层建筑施工控制提供理论指导。（1）基本概念 控制论的基本概念包括系统、控制、信息、输入、输出、反馈和状态等。系统是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。控制是施控者选择适当的手段作用于受控者，以引起受控者的行为发生预期变化的一种策略性的主动行为。信息是贯穿于一切控制过程（传递、变换和处理）的本质因素。输入是环境对系统的激励，输出是系统对输入激励的响应。把系统受上一步控制作用而产生的效果（输出）作为决定对系统下一步如何控制（输入）的依据，这种行为或策略称为反馈。状态是系统组织和功能的总和。（2）

7、 基本结构 无论结构多么复杂，一个控制系统必然包含被控对象和控制装置两大部分，六种基本元件，如图 2 所示：1） 测量元件：检测被控制的物理量，获得控制所需反馈。2） 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。3） 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的输入值进行比较，求出它们之间的偏差。4） 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。5） 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。6） 校正元件，也叫补偿元件：使结构或参数便于调整，以改善系统的性能。（3）基本方式依据控制原理，控制有三种基本方式：开环控制、闭环控制和复合控制。1）

8、 开环控制 开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统。开环控制具有系统结构简单，稳定性高的优点。但是，由于系统输出不能影响系统控制，因此开环控制不具备自动修正能力，控制精度比较低。作为最基本的控制方式，开环控制在土木工程施工控制中得到广泛应用，如通过预起拱控制大跨度结构的完成状态满足设计和使用对平整度的要求。2） 闭环控制 闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环、参与控制的控制方式。若由于干扰的存在，使得系统实际输出偏离期望输出，系统自身便利用负反馈产生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系统输出量恢复到期望值上，

9、这正是反馈工作原理。闭环控制具有较强的抗干扰能力，控制精度较高，但是由于系统结构复杂，因此稳定性较差。近年来随着信息技术的广泛应用和结构分析手段的进步，闭环控制在土木工程施工控制中的应用日益广泛，如桥梁施工控制多采用闭环控制，超高层建筑施工控制也主要采用闭环控制。3） 复合控制 复合控制是开环控制方式与闭环控制方式的某种组合。开环控制和闭环控制各有优缺点，因此可以将两种控制方式组合使用，形成复合控制，实现优势互补，在确保控制精度的同时，提高控制系统稳定性。复合控制系统比较复杂，在土木工程中应用还比较少，目前仅在桥梁工程施工控制中进行了尝试，取得一定成果。2.2 施工控制原理（1）施工控制特点

10、超高层建筑工程施工控制具有自身鲜明特点：复杂性、不可逆性和人为性。超高层建筑工程施工控制的复杂性主要表现在三个方面：一是系统复杂，超高层建筑工程结构复杂，对其施工过程进行控制的系统也就非常繁复，不但包含复杂的结构本身，还包含可控性比较差的人的活动。正因为超高层建筑工程施工控制系统的复杂性，因此目前还难以象自动控制系统一样用严密的数学模型对其进行描述；二是目标多样，超高层建筑工程施工控制系统是一个多目标控制系统，既有形态、又有内力和稳定性，这些目标大部分情况下是相容的，有时是相互排斥的，这给施工控制带来很大困难；三是干扰因素多，超高层建筑施工环节多，施工环境不断变化，影响施工过程的因素比较多，既

11、有人为的，如施工工艺和方法，还有自然的，如温度变化、风和地震等。超高层建筑工程施工控制的不可逆性表现在施工控制是面向未来的，对既成事实一般是难以通过施工控制技术调整的。超高层建筑工程施工控制的不可逆性是由施工过程在时间上的单向性所决定的。超高层建筑工程施工控制的这一特点就对施工控制提出了非常高的要求，施工控制必须高效准确，具有非常强的预见性，否则造成的损失是无可挽回的，严重的还会引发灾难性的事故，不可不慎重对待。超高层建筑工程施工控制的人为性主要表现在施工控制系统的各个环节都需要人参与，人在施工控制过程中发挥了不可替代的作用。在整个施工控制过程中，从输入、控制和执行到输出和反馈，都离不开人的参

12、与。从这个意义上说，超高层建筑工程施工控制系统是人工控制系统，必须根据超高层建筑施工控制系统的这一特点来制定控制技术路线，而不能完全套用自动控制的理论和方法。（2）施工控制原理目前工程控制三种控制方法与系统各有优缺点，其中开环控制属经典工程控制方法，非常成熟，在建筑结构工程施工控制中有成功应用经验。由于不存在反馈系统，开环控制不能根据施工过程情况调整控制措施，因此仅适合结构简单的工程，控制精度比较低。闭环控制属现代工程控制方法，在桥梁工程施工控制中应用广泛，理论研究和工程经验都比较丰富。由于包含反馈系统，能够根据结构状态监测结果不断调整控制措施，因此适合结构复杂的工程，控制精度比较高。复合控制

13、属最新的工程控制方法，理论研究和工程实践都取得一定成果，但总体上还处于探索阶段。由于超高层建筑的重要性和复杂性，施工控制必须采用成熟的方法，因此以闭环控制方法为主进行结构施工控制。超高层建筑施工控制技术路线如图 5 所示。首先根据设计要求和有关规范确定施工控制总目标。施工控制总目标是保证结构安全和建筑功能正常发挥的基础。然后根据结构特点和施工方案确定结构施工关键工况，工况划分既要保证结构施工过程分析精度，又要适当控制工况数量，以减少结构施工过程分析的工作量。按施工工况运用现代结构分析手段，对结构施工全过程进行分析，全面了解结构施工过程中内力和变形等的演化规律。在此基础上，初步确定施工控制的阶段

14、控制目标及结构理想状态，作为施工控制可操作性的依据。同时采取有效技术措施控制施工过程，并对结构状态 （内力、变形等）进行实时监测，获得结构实际状态。按施工工况将结构实际状态与结构理想状态进行对比，并根据结构实际状态与结构理想状态的差异程度，修正施工方法、施工流程、计算参数和计算模型，重新进行结构施工过程分析，修订施工控制阶段目标及结构理想状态，优化施工控制技术，如此循环直至施工结束。施工控制目标施工控制总目标施工控制总目标是确保超高层建筑施工和运营安全,以及使用功能达到设计规定要求,即确保施工过程中和运营期间结构状态控制在极限状态之内。根据结构可靠性理论,结构极限状态可分为承载能力极限状态和正

15、常使用极限状态两类。施工控制总目标始终围绕确保结构状态不超过承载能力极限状态和正常使用极限状态。这两种极限状态涉及基本力学变量是内力和变形，因此超高层建筑结构控制总目标可以具体为内力控制和变形控制两个基本方面。把内力和变形作为控制指标，主要因为易于操作，操作性强。 （1）内力控制 承载能力极限状态是结构或结构构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态，具体表现为：、整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；2、结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继续承载；3、结构转变为机动体系；4、结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）。内力是影

16、响结构承载力状态最重要的因素之一，因此必须把承载力控制作为施工控制的重要内容，一般而言，设计对结构承受使用荷载有全面分析和把握，施工控制的重点是通过施工工艺创新和施工流程优化，控制施工产生的附加内力。由于附加内力的直接测量比较困难，因此工程实践中多彩内力总量控制，即通过设定内力限值来控制施工产生的附加内力。奥雅纳（Arup）工程顾问公司在进行中央电视台新台址主楼初步设计时，就围绕确保超高层建筑施工和运营安全，提出了结构内力控制定内力的变化范围。（2） 变形控制正常使用极限状态是结构或结构构件达到使用功能上允许的某一限值状态，具体表现为：1）影响正常使用或外观的变形；2）影响正常使用或耐久性能的

17、局部损坏（包括裂缝）；3）影响正常使用的振动；4）影响正常使用的其他特定状态。施工控制首先要确保结构施工完成后变形受控，建筑功能正常发挥，如电梯井的垂直度满足电梯正常运行需要。另外施工控制还要确保结构施工过程中变形受控，如平面位置、标高、层高及垂直度，以便后续分部分项工程如幕墙、电梯等顺利施工。因此变形控制目标既要满足施工过程中各分部分项工程密切配合（装配）需要，又要满足施工完成后建筑工程正常使用需要。变形控制目标应当根据这两者需要，综合考虑经济社会发展水平合理确定。变形控制目标要适中，控制目标过高将极大增加施工技术难度和建造成本；控制目标过低将严重影响施工顺利进行和建筑工程正常使用，同样会造

18、成经济损失，都是需要注意避免的。变形控制目标应在国家有关结构施工质量验收规范的基础上，根据工程实际情况，由设计和施工等相关各方工程技术人员共同确定。奥雅纳（Arup）工程顾问公司在进行中央电视台新台址主楼初步设计时，变围绕确保施工顺利进行和建筑功能正常发挥，提出了结构整体形态（变形）控制决目标：当结构施工完毕，幕墙及装修工程结束，且活荷载未施加状态时结构整体形态应该达到结构图设计形态。施工控制目标分解控制重在过程，只有过程受控，施工控制目标才能实现。要对超高层建筑施工过程进行控制，就必须将施工控制总目标按照施工关键工况进行分解，成为可以直接指导施工的阶段目标，即通过施工过程住址分析，建立适应施

19、工全过程控制的目标体系。超高层建筑结构复杂，施工环节多，施工过程仿真分析涉及的力学模型、材料特性和边界条件都是随施工进展而变化的，大大啬了施工过程分析难度：1）结构体系时变。结构施工是结构体系形成和完善的过程，施工过程中，结构体系随时间不断变化，既有构件的增加（结构安装），又有构件的减少（临时结构拆除），还有构件力学性能的变化（后张拉结构施加预应力）。2） 结构材料时变。施工过程中钢结构的材料力学性能是比较稳定的，但是混凝土的材料力学性能则会随时间变化，特别是浇捣刚完成不久，混凝土的强度性能和变形性能变化都比较大。3）边界条件时变。施工过程中结构的边界条件经常会发生变化，如临时支撑的安装和拆除

20、就会引起结构边界条件变化。目前超高层建筑施工过程仿真分析多采用有限元法。有限单元法是用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。结构施工过程仿真分析按照仿真流程分为前进分析和倒退分析，所采用的基本方法是正装分析法和倒装分析法。正装分析法是按照结构实际施工加载顺序来分析结构爱力与变形，得到各关键工况控制目标；而倒装分析法则是从结构施工完成后理想状态出发，按照与实际施工次序相反的顺序，逐步倒退计算而得到各施工阶段的控制参数（控制目标）。倒装分析法适用于形式简单的结构工程，而不能满足超高层建筑工程施工过程仿真分析，这是因为超高层建筑中混凝土的力学性能（

21、如徐变）与加载历程有关，倒装分析法难以真实反映该情况。经过工程技术人员的长期努力，发展了许多功能强大的商业有限元分析软件，如ANSYS、SAP2000等都具有结构施工过程仿真分析功能，能够模拟结构施工过程中结构体系、材料特性和边界条件的时变现象。如采用单元“生死”法模似结构构件装拆过程。其基本思路为：一次性建立结构完整的有限元模型，然后把所有单元“杀死”，再按照施工步骤逐步“激活”，并施加相应施工步的荷载，即可跟踪分析施工过程中结构的内力发展和变形变化的规律。施工控制技术超高层建筑结构施工控制内容主要有：平面位置、绝对标高、转达换桁架（悬臂桁架）挠度、外伸桁架附加内力。平面位置控制为追求建筑效

22、果，有些超高层建筑并非垂直向上建造，而是倾斜向上建造的，如中央电台新址大厦主楼和西班牙马德里欧洲之间。这些超高层建筑在建造过程中，结构因为自重作用而产生竖向和水平缶的变位，斜塔结构受重力作用，完成状态与安装状态的平面位置会发生较大偏差，必须采取措施使结构的完成状态与设计理想状态的平面位置基本吻合，确保后续施工能够顺利进行，建筑功能不受影响。斜塔结构平面位置控制主要有三种方法：加劲法、预偏置法和预应力法。1） 加劲法余塔结构平面位置变化受多种因素影响，其中结构抗侧向荷载的刚度是非常重要的因素，因此可以通过提高结构抗侧向荷载刚度来控制结构在重力作用下的平面位置偏移量（挠度）。该方法属经典方法，简单

23、易行，因此是结构设计中普遍采用的施工控制方法。但是该方法单独运用效果比较差，效率低、成本高，必须与其他施工控制方法结合使用，效果才显著。2） 预偏置法借鉴梁或悬臂梁几何线形控制的经验，在结构安装的过程中，有意识地将构件向变形相反的方向偏置，偏置量等于结构受载后的平面位置变化量，这样就可以保证结构的完成状态与设计理想状态吻合，从而达到平面位置控制的目的。该方法属经典方法，简单易行，效率高、成本低，因此应用非常广泛。该方法的缺点是结构一旦成形，就难以修正几何线形，因此可控性比较差。3） 预应力法预就力法常用于控制梁和悬臂梁的挠度，是一种成熟的施工控制方法， 借鉴大跨度结构采用预应力法控制结构变形的

24、经验，在高层或高层建筑中配置后张拉结构体系，在结构施工过程中或完成后，通过后张拉结构体系施加预应力，控制（调整）超高层建筑结构垂直度，这是预应力法的工艺原理。美国罗伯逊设计事务所在西班牙马德里的欧洲之门双斜塔结构施工控制中，就成功应用了预应力法，欧洲之门双斜塔地上25层，高95米，相向倾斜15度，结构垂直度控制是施工控制的一大难点。西班牙马德里欧洲之门双斜塔采用预应力法进行结构平面位置控制的原理。1） 步骤1基础施工：完成沉箱盖施工，安装锚具及竖向后张预应力索（锚锭至地面）2） 步骤2核心筒施工至25层：安装钢结构及压型钢板至地面，浇捣地面层混凝土；尽快将楼层混凝土浇捣至地面层；开始浇捣地下混

25、凝土墙；完成后，全部张拉竖向预应力索并灌浆；部分张拉地面层水平预应力索；如果在地面层安装足够的临时支撑，地面以上钢结构安装可以在地面层混凝土浇捣前进行。3） 步骤3钢结构安装至6层：继续浇捣地下混凝土墙；钢结构校正固定后迅速安装压型钢板至6层。4） 步骤4钢结构安装至13层：首先浇捣6层混凝土，然后浇捣1层混凝土，在13层结构安装完成前安装13层水平后张拉法预应力结构并张拉；继续浇捣地下混凝土墙；13层结构校正固定后立即安装压型钢板。5） 步骤5钢结构安装至20层：浇捣13层混凝土，然后浇捣2层到5层混凝土；完成地下混凝土墙浇捣；全部张拉地面层预应力；20层钢结构校正后固定后立即安装压型钢板。

26、6） 步骤6钢结构安装至25层：浇捣20层混凝土，然后浇捣7层至12层混凝土。7） 步骤7钢结构安装完成：浇捣25层混凝土（推荐）或安装25层临时楼面支撑，然后浇捣14层至19层混凝土。8） 步骤8竖向后张拉预应力第一次张拉：浇捣25层混凝土；浇捣核心筒混凝土至顶；部分张拉竖向后张拉预应力；开始安装幕墙；25层大部分机电设备就位。9） 步骤9完成楼层混凝土浇捣，继续施加预应力：继续安装幕墙；浇捣2124层、屋面及直升机停滞不前机坪混凝土；按照以下顺序部分施加预应力：21层、22层10） 步骤10完成幕墙安装及预应力张拉：继续安装幕墙至完成在幕墙安装过程中根据确保建筑垂直度需要逐步施加预应力；校

27、正电梯轨道；完成内装饰；完成预应力张拉，确保施工完成时建筑的垂直度。标高控制高层建筑由于高度很大,施工过程中和完成以后,一方面结构竖向收缩徐变、压缩等变形非常明显,有时高达数十毫米;另一方面在上部结构巨大荷载作用下,地基基础也会产生很大沉降,有时高达十几厘米。两者共同作用,对结构绝对标高产生明显影响。如果不加控制,就会影响幕墙工程、电梯工程等后续工种的施工。因此必须采取有效措施,控制绝对标高。高层建筑对标高控制方法主要采用预补偿法， 预补偿法原理如下：1、确保施工工艺2、确定工艺状况3、进行施工过程仿真分析4、确定各楼层绝对标高与设计标高差异5、确定各楼层标高预补偿值6、结构施工时按预补偿值得调整结构施工标高7、根据施工监测结果，重复步骤3、4、5、6，直至施工完成，确保结构完成时的绝对标高满足设计。预补偿法简单易行，成本低，在高层建筑中得到普遍使用。金贸大厦就采用了预补偿法来控制绝对标高。金贸大厦地下三层、地上88层，总高度达到420.5m，采用核心筒一外框架结构体系。由于高度巨大，因此竖向变形和沉降非常可观。为了确保结构最终标高，满足设计和使用要求，根据施工工况确定了核心筒和矩形柱的标高预补偿值。取得明显成效。更多还原和使用要求，。