超限高层型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构工程管理实践研究—以上海市桃浦智创城604地块英雄商办项目为例

许晓亮

上海融隆置业有限公司 上海 200331

摘 要：型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构作为一种受力形式较好的结构类型，广泛地应用在各种高层建筑中。本文主要讲述了型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构的特点，并以上海市桃浦智创城 604 地块英雄商办项目中的超限高层结构为例，从结构体系选型、精细化构件设计、分项施工组织顺序、节点连接区域质量与现场作业安全管控等角度，介绍了超限高层型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构工程管理重点。

关键词：超限高层、型钢混凝土、框架-核心筒、工程管理

引言

随着我国城市化进程的快速推进和工程建设水平的提高，为充分利用土地资源，高层、超高层建筑在我国大量涌现。框架-核心筒结构体系作为高层结构中应用最为广泛的结构形式之一[1]，对设计和施工技术提出了更高的要求。

1 高层型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构特点

1.1 受力特点

在型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构形式中，大部分的水平荷载由核心筒来承受，因此内部核心筒将作为主要的抗侧力构件而存在。外部框架主要承受竖向荷载，同时也承担部分水平荷载，是重要的承重构件[2]。框架-核心筒混合结构具有自身重量降低、构件截面尺寸缩小与施工速度提升等优势。值得注意的是，混合结构中不同类型构件的协同问题仍是要关注的重点。例如外部框架梁与核心筒的连接节点、框架与内筒之间的水平剪力分配、层间位移等[3]。

1.2 施工特点

1.2.1 施工顺序

在型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构建造过程中，内部筒体、外框梁柱、外框楼板在空间上是各自独立实施的。核心筒一般超前外框施工4-8层[4]，外框架柱和外框架梁的安装进度一般也领先于外框架楼板数层（如图1所示）。这种内部筒体与外部框架在空间上相互分离，互不影响的施工特点，有效提高了工程建设效率。

图1 高层型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构施工顺序示意

1.2.2 混凝土工程

高性能混凝土在高层混合结构中的使用，可以有效提高建筑的经济效益。对于应用在此类混合结构中的商品混凝土，要求也更为严格。高层型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构的钢筋较为密集，混凝土浇筑振捣较为困难，混凝土的易密性、流动性与可泵送性等性能要求较高，特殊部位亦可使用自密实混凝土。

1.2.3 钢结构安装

钢结构的安装通常包括外框架钢梁、外框架型钢混凝土柱中型钢、外框架楼面压型钢板、核心筒内钢骨梁与钢骨柱的安装。实际钢结构安装施工中，普遍存在二次施工的情况。即先对柱间支撑、水平连接件等构件进行临时固定，待变形或沉降稳定后，进行最终固定。减少施工过程上述构件附加内力的出现。

1.2.4 施工期间时变特性

由于混合结构各部分建造较为独立，过程中的边界约束条件和荷载情况将随着施工工况的推进不断变化。其次混凝土的收缩徐变需要较长时间来趋于稳定，期间结构应力和变形也会随之不断变化。另外施工期间环境气温、湿度的波动同样会影响结构的内力与变形。混合结构在施工期间将体现出较为显著的时变特性。

2 桃浦智创城 604 地块英雄商办项目介绍

2.1 项目概况

桃浦智创城 604 地块英雄商办项目（新建建筑）位于上海市普陀区，为国家级战略合作项目中以（上海）创新园重要载体。项目紧邻轨道交通11号线。用地面积约1.2万㎡，总建筑面积约 11万 ㎡（地上建筑面积 7万 ㎡；地下建筑面积 4万 ㎡）。项目含两幢高层塔楼（T1 、T2）和三幢多层商业楼 （T3 、T4、23号楼），三层地下车库。项目总平面示意图及效果图如图2所示。

图2 项目总平面示意图及建筑效果图

2.2 高层建筑结构形式

T1 塔楼高度约126米，地上 29 层；T2 塔楼高度约 82 米，地上 18 层。T1、T2上部均采用型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构的形式。楼面采用压型钢板组合楼板，外框柱为型钢混凝土柱，外框梁为钢梁。抗震设防类别均为丙类。建筑安全等级均为二级。T1楼单层钢柱最大吊重约1.2t，钢梁最大吊重约2.3t。 T2楼单层钢柱最大吊重约1.2t，钢梁最大吊重约3.5t。T1塔楼钢构件分析如表1所示。

两幢高层办公楼采用立方体退台的建筑造型,结构不均匀受力、扭转偏心很大，高区特别细薄，鞭梢效应严重。两栋塔楼为平面及竖向均不规则的超限高层建筑， 2F结构平面楼板有效宽度小于典型宽度的50%、且存在穿层柱与平面凹进。收进部位由于柱偏位1600mm，存在梁托柱转换（T1塔楼有6处、T2塔楼有3处），均属于特别复杂的高位转换，如图3所示。不规则的结构形式给设计和施工带来的难度明显增大，提高了对施工精度的要求。

表1 T1楼钢结构分析

图3 T1东南视图与T2东南视图

3 超限高层型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构

工程管理实践

3.1 合理进行结构体系选型

本项目需满足上海市预制率40%的要求。对于高层塔楼,采用钢管混凝土柱的方案一开始被认为是满足预制率唯一的选项。实际上钢管混凝土柱对造价和后期使用是较为不利的，特别是钢管混凝土中混凝土的浇筑质量难以把控。通过对预制率的条文精读与结构精细化设计后,经过方案比选（见表2），最终优化方案为型钢混凝土柱。不但预制率能满足规范的要求，柱含钢率也由10%降低至4%，节省工程造价约771万；无需包裹防火涂料，防火涂料约占钢结构费用15%，节省工程造价约220万；无防火涂料外裹，二次装修更为方便，柱子实际占用面积更小；且两种形式施工速度差别不大。通过结构体系选型优化，共节约工程造价约991万。

另外，本项目塔楼扁长，采用核心筒偏置的建筑布置，结构不规则超限严重（如图4）。通过精细化的设计方式，本项目没有额外增大用钢量。据统计，T1塔楼地上结构型钢用钢量约为68kg/sqm,T2 塔楼约62kg/sqm，在相似高度的塔楼中属于中等偏低水平。这对于一个复杂超限项目来说是较为经济的。图5为近年来国内超高层项目的用钢量点图，可以看出本项目两幢塔楼的用钢量处于较低水平。

表2 塔楼方案用钢量比较

图4 塔楼平面布置示意图

图5 近年来国内超高层项目的用钢量点图

3.2 精细化构件设计满足建筑美学与使用功能

T2 塔楼局部跨度达到 14m，如果采用常规的钢梁，梁高需要达到800mm，净高只能达到2750mm。通过优化采用变截面梁、组合梁等设计方式，压低梁高的同时满足机电管线的要求，使得标准层及屋顶花园的下方楼层都能达到3.0m的净高,满足5A级写字楼的租赁要求（如图6）。

图6 楼面钢梁优化

3.3 有效控制高层结构施工测量定位及变形

塔楼最高高度达126m，较高的建筑高度容易形成测量累积误差，对测量定位及控制网的竖向传递精度要求较高。同时施工过程中钢结构的变形也受风荷载、气温等环境因素明显影响，因此变形控制难度较大。对于依附在主体建筑上的起重机，其对结构的变形影响亦需要加以合理控制。

为保障测量精度，本项目安排专职测量工程师。测量过程中，基于分级布网、逐级控制的原则,确保观测条件充分,并对观测结果进行细致平差处理。此外，钢结构材料进入施工现场后,重新对测量控制网进行复核,并在施工过程中持续复核,从而避免累计误差。测量平面控制网采用高精度激光垂准仪(1/20万)向上传递,每隔100米高度采用GPS静态校核。高程控制网采用高精度全站仪(LEICA TCA2003)向上引测,每隔100米高度采用GPS静态校核。早上日出前后为测量时间段。由于高层建筑竖向压缩变形不可避免，为保证安装完成后的楼层高度及建筑总高度达到设计值，先对所有施工工况进行计算分析,根据计算结果制定竖向标高补偿方案。同时，根据施工工况，对塔吊等设备对主体结构的变形和内力影响进行计算分析，根据计算结果，制定有效控制措施。

3.4 切实保证高层现场高空焊接质量

本工程钢结构现场高空焊接工作量较大，高空焊接的质量是影响工期、质量和安全的重要因素。

人员安排上,选择具有丰富的高层钢结构焊接经验的焊工承担本工程的现场焊接工作。在钢结构深化设计时,优化节点连接形式和焊缝接口形式,从设计角度着手控制焊接质量。为应对不利气候的影响,焊接工位的操作平台设置防雨防风。钢柱基本按二层一节分段,有效减少焊接量大的钢柱高空对接焊接。加强对低温焊接及厚板焊接的质量保障措施，充分考虑施工期间的天气因素，有针对性的制定低温焊接等专项施工方案，切实保障节点连接的安全性。

3.5 充分进行钢结构与混凝土施工协调与配合

型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构的难点在于钢材与混凝土衔接部分。型钢混凝土柱、型钢梁与混凝土工程交叉作业的施工组织为现场控制的核心。

1）提前策划。本项目钢结构用钢量约7000吨，相对体量较大，且上部结构均采用钢结构施工，因此钢结构的施工速度决定了项目关键线路的施工进度。因此对钢结构部分进度把控尤为重要。提前与钢结构单位沟通，明确了各单体用钢量及构件数量，T1塔楼约3850吨，构件数量约2500件，T2塔楼约1930吨，构件数量约1050件。通过策划提前规划构件进场计划、单层工序施工进度等，确保关键线路的推进。

2）重视钢结构深化设计与混凝土施工方案编制。本项目在钢结构深化设计前，为确保施工质量，组织钢结构与混凝土施工单位紧密配合，共同确定混凝土的浇注方案，明确钢筋穿孔位置、大小、高度，并详细规划混凝土管道铺设路径。这些关键信息同步在钢结构深化图纸中得到了充分体现。有效规避了钢结构施工现场进行不必要的开孔和焊接工作。同时根据前期配合，对不同节点进行设计，在满足开孔穿筋等的情况下充分保证结构构件受力，并在适当的情况下对钢结构进行补强。所有影响到钢结构和混凝土施工的信息都提前反映在深化设计图纸与钢筋混凝土施工方案上。

3）严格把控现场施工质量。现场施工严格按照深化设计与施工方案的要求实施。过程中，通过Tekla建模软件，优化钢柱截面，进行预拼装，减少后期返工，加快施工进度。同时严格把控型钢混凝土柱的混凝土浇筑质量，在主次梁交接处、梁柱节点以及型钢凹角处等关键部位，由于存在相互交叉的栓钉、纵向钢筋、箍筋和钢梁等构件，使得混凝土的浇筑和振捣工作变得较为困难。因此，在施工过程中，对这些部位给予特别关注，并采取有效措施确保了混凝土的密实性，从而保障型钢混凝土柱的整体质量和稳定性。

3.6 落实优化外框型钢混凝土柱与外框钢梁节点的连接

型钢混凝土柱与框架梁的节点配筋复杂构造，加大柱内型钢的开孔难度，模板支设与钢筋连接困难。型钢混凝土柱与框架梁的节点区域施工是本工程关键技术问题。

（1）标准层梁柱节点连接

对于梁柱节点区连接的问题，本项目提出了两种做法，如图7。一种柱内侧箍筋通过上下端与钢梁翼缘点焊固定，柱外围箍筋则采用套筒与加劲板与外框梁连接。另一种柱内侧箍筋仍然通过上下端与钢梁翼缘点焊固定，柱外围箍筋则通过搭筋板（兼做混凝土柱外侧模板）的形式与外框梁连接。这两种做法均保障了节点区钢筋的有效连接和模板的敷设问题。

图7 外框梁柱节点钢筋布置示意图

（2） 首层梁柱节点连接

本项目雨篷钢梁与型钢混凝土柱的连接为刚接，深化设计初期采用钢梁端部坡口焊，一级焊缝的形式与型钢混凝土柱连接，此做法需要在靠近柱子混凝土的位置进行剖口一级焊缝，难以避免对柱及埋件的混凝土部分的高温破坏。经过优化（如图8所示），将现场焊接点外移，离开型钢混凝土柱外表面，充分保障了节点部分及混凝土部分的安全性。

图8 优化后的雨棚钢梁与型钢混凝土柱的连接示意图

3.7 强化立体交叉作业安全管控

因项目工期紧张，在塔楼施工过程中需分段验收，分段进入机电及安装阶段。因上部结构中大部分为钢结构构件，需采用塔吊进行吊运，因此上下交叉施工作业多，难度大，对项目安全要求较高，需投入更大的安全监管力量。

本采用智慧工地建造平台多项高新技术。应用天网系统，在塔吊顶部安装高清摄像头，基于塔吊的安装高度可360度俯视全项目，通过APP客户端可以调整球机摄影方向，便于管理人员、集团人员随时查看项目情况，降低安全风险的出现。实施大型机械智能监控系统，通过物联网技术实时监测大型设备运行环境及各项数据，实时直观呈现，便于管理人员第一时间掌握，提高设备的运行的安全性、高效性，降低了现场机械事故的发生。利用场界智能语音播报技术，对于固定地点自动检测人员活动，当人员进入设定后的危险区域后通过高音喇叭不间断的发出语音报警，降低施工现场的事故发生率。

4 结论与建议

高层型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构在建造过程中，需要充分考虑钢材与混凝土材料的不同特性。综上所述，本项目在方案初期合理地进行结构体系选型，进行精细化的构件设计，充分协调各分项工程的施工组织顺序，切实保障钢结构与和混凝土连接区域的节点质量，同时强化现场交叉作业安全管控，将型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构的优势充分发挥了出来。

参考文献：

[1]吴丕.不规则超高层钢框架-混凝土核心筒混合结构施工仿真分析与监测[D].华南理工大学[2024-02-25].DOI:CNKI:CDMD:2.1018.873682.

[2]包世华,张铜生.高层建筑结构设计和计算(上册)——土木工程教材精选[M].清华大学出版社,2005.

[3]白国良,李红星,张淑云.混合结构体系在超高层建筑中的应用及问题[J].建筑结构, 2006, 36(8):5.DOI:CNKI:SUN:JCJG.0.2006-08-017.

[4] 黄小坤.《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)修订[J].建筑结构, 2011, 41(11):7.DOI:CNKI:SUN:JCJG.0.2011-11-002.

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