任仰宾
山东科睿特建筑设计有限公司 山东济南25000
摘要：在绿色建筑、碳中和以及低碳城市建设的背景下，装配建筑取得了飞速的发展。在高层建筑中钢结构装配式施工由于其效率优势、经济优势和绿色优势，越来越成为一种重要的施工技术。因此文章结合最新的技术成果，对于高层建筑钢结构装配式施工的几种关键技术和结构优化进行了探讨。
关键词：高层建筑；钢结构；装配式建筑；施工技术
高层装配式钢结构建筑具有抗震性能好、施工速度快、制作简单、绿色环保等优势。因此2016年以来国务院连续下达文件进行推广。具体来说，相比于混凝土木结构和纯木结构，钢结构更具有独特的优势。尽管其造价是混凝土的1.4到2倍左右，但是其空间利用率和施工效率更高，环境污染更小，重量更轻。和木结构相比，钢结构强度大，施工周期更短，机械化程度更高。尤其是装配式建筑，钢结构预制件更容易实现在流水线上作业。由于其截面小，在施工中可以使用大开间的平面设计，设计性更强，开放性更好。装配式的钢结构强度大，通过灵活设计能够提高其抗震性。而且施工过程绿色环保，钢材还能够回收利用，环保性较好。因此在高层装配式钢结构中，要深入分析其性能，采用关键技术，进行结构优化，在减少用钢量的同时，提升其结构性。
1 高层建筑装配式钢结构概述
装配式钢结构好比高层建筑的骨架，承载各种能力，在高层建筑中，为了提升结构的稳定性，钢结构是不可或缺的。目前高层钢结构体系主要包括如下几种：（1）钢框架结构体系。该体系的特点是梁柱相互支撑，通过刚性节点连接，扩大了梁的跨度，加强了对双向侧向刚度。其利用空间大，但横向刚度小，在地震等符合下容易发生侧移，其典型代表就是艾菲尔特塔，使用金属钢框架1.5 万个，钻孔超过700万个，但铆钉就使用了250万个，因此一度是世界上最高的建筑。（2）钢框架-支撑体系。主要有三种结构，一是中心支撑框架。该结构的特点是支撑的节点与梁、柱的轴心线相交汇于一点，其抗推刚度及水平承载力更好。二是偏心支撑框架，其特点是支撑斜杆与各杆件的轴线交点偏心连接，当受到巨大应力时，会发生塑性变形进而吸收能量。三是消能支撑框架，是当前应用最为广泛的框架，通过消能构件实现损耗能力的目的。
2 高层建筑钢结构装配式施工的几种关键性技术
2.1 BIM技术的应用
在装配式建筑中，BIM技术应用更为广泛，工厂使用BIM建模的设计进行预制件生产。BIM还能模拟和指导，现场施工和安装，尤其是对通过三维建模对钢结构的节点进行优化设计，避免了预制件的尺寸和设计缺陷带来施工问题。BIM技术的应用不仅可以显著提高装配式钢构件的安装效率，同时还能够有效改变传统图纸设计模式，结合装配式建筑的发展，深刻地改变建筑行业。在未来，装配式建筑发展到一定阶段，设计师可以直接通过三维软件设计高层建筑的钢结构框架，并且进行节点调整，使结构更加稳定。
2.2 分段吊装技术的应用
在施工之前，应严格按照设计要求进行优化，当配件长宽高都超出要求时，可采用分段技术进行处理。吊装过程要严格依照规范和流程操作，提高安全性。吊装过程要利用BIM技术详细分析各个参数指标，确保性能能够达到最优。在大型高层建筑中，钢结构一般都采用整体预制和分段吊装的方式。BIM三维建模的过程非常重要，不但要充分反映各段龙骨的位置关系，同时还要反映出各段分格钢材的尺寸，提高构件的模拟精度。根据模型进行钢材的切割、下料，吊装过程中使用全站仪进行监测，保证各点坐标、标高数据精准。地面拼装焊接完成之后，根据BIM模型找出重心点和重心轴线，确定吊点、起重索具、作业半径。
一般采用分段吊装，吊装前进行试吊，确保安全可靠后先进行中间第一段钢架的吊装，然后从中间向两边吊装，结构均衡性更好。
2.3 外围墙的施工技术应用
外墙板和节点连接件是工厂化生产，在施工过程中对上限位点与下托点全面连接，一般采用全熔透焊方式。施工人员根据图纸和BIM三维模型对节点位置进行分析，根据钢结构安装的角度进行调整。由于预制外墙板的重量较大，因此在安装中要进行吊车移动化操作。当预制构件调整到位之后，按照要求进行固定和焊接处理。为了提高钢结构系统的可靠性，要做好预制构件与柱上埋件的连接。
2.4 梁、柱安装技术的应用
该技术是钢结构框架安装的关键，在施工前，要使用BIM软件进行碰撞检查，检视各个细节，在此基础上进行优化。在施工中，现场人员要仔细检查施工的材料的质量，做好施工准备工作。考虑到期安装程序繁琐，钢梁不易定位，需要多次微调才能准确定位。同时在连接梁柱时，轻微位移对焊缝影响很大。因此，为了避免错位等现象发生，在安装时可采用抗剪连接的方法，采用可拆卸支撑件进行手动调节，实现梁柱紧密连接。
3 高层建筑装配式钢结构的施工优化
3.1 施工优化原则
钢结构施工优化要向着更高、更广、更轻方向发展的同时，提升其结构稳定性，既要抗震性良好，又要用材经济。施工中可以采用减震消能技术和结构优化设计配合的方法来进行结构优化。在消能器安装方面，要根据钢结构的特点合理选择安装的位置，比如在钢结构节点、剪力墙和楼层空间等位置。结构优化上，可以使用抗震性良好的结构设计，比如采用无屈曲波纹钢板的剪力墙，一旦发生地震，剪力墙及时发生了较大的弹性，其刚度仍可以保证。现场施工中注意不要占用大量对方空间，这样能够提升工业化生产和安装效率。采用标准化生产方式，提升模块化和定型化水平，减少异形板的使用，尽量避免现场裁剪。同时在设计过程中，还以减少凸凹方向的变化，提升结构稳定性。
3.2 施工优化措施
在选材上，选择高强钢柱以提升结构强度，为了最大限度节约钢材，选择蜂窝梁，这样还能够在梁中穿越管线。外墙板要适应较大的变形要求，其结构要有良好的收缩能力。研究表明，柱间距以 6.0m左右时结构稳定，用材经济。同时在施工中发现，采用大柱网总用钢量小于小柱网用量，仅为其90%左右，其间距较为合理。尽管其层间位移角略大，但也满足性能目标。在施工中，还可以通过添加约束板等方式，进行优化。也可以通过采用一定比例的支撑替换率降低造价，确保结构稳定性，在高层建筑中，37%的支撑替换率为宜。竖向承重构件采用钢支撑，水平承重采用钢筋板，楼梯采用钢楼梯，整体钢结构率化，在80%到90%之间。在结构优化中，可以借鉴传统木结构的设计和施工经验，不断对传统构件进行优化设计，比如采用钢网格盒式束筒结构体系提高其结构性，满足抗震性能目标。
结语
钢结构是高层建筑尤其是超高层的必须结构，不仅是保证建筑结构和质量的关键，也能够结语40%以上的混凝土用量，大量减少建筑污染，推动绿色建造。因此，在未来建筑施工中，要大量推广装配式钢结构，不断研发关键技术，优化结构设计。
参考文献
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