400米以上超高層建筑施工技術基本經(jīng)驗和面臨的新課題

1、400米以上超高層建筑施工技術基本經(jīng)驗和面臨的新課題,張希黔 教授、博導,2015年6月 東南大學,中國建筑總公司,高層及超高層建筑的定義： 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程規(guī)定10層及10 層以上的居住建筑及高度超過24米的公共建筑為高層建筑。 國際上一般把高度超過30層或100m以上的高樓稱之為超高層建筑。 1972年8月在美國賓夕法尼亞洲的伯利恒市召開的國際高層建筑會議上，專門討論并提出高層建筑的分類和定義。其中超高層建筑定義為40層以上（高度100米以上）。 根據(jù)我國民用建筑設計通則定義建筑高度大于100m的民用建筑為超高層建筑。,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,1.1上海環(huán)球金融中心,上

2、海環(huán)球金融中心 塔樓地上101層，地面以上高度為492m，地下3層，總建筑面積381600m2。 主體結構采用由巨型柱、巨型斜撐以及帶狀桁架構成的三維巨型框架結構、鋼筋混凝土核心筒結構和構成核心筒和巨型結構柱之間相互作用的伸臂鋼桁架組成的三重結構體系。,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,1.2廣州珠江新城西塔,廣州珠江新城西塔 建筑高度432m。 主塔樓為鋼筋混凝土核心筒和鋼結構外框筒組成的筒中筒結構,中央電視臺新臺址主樓建筑建筑面積47.3萬平方米，地下三層，地上五十二層，高237m，鋼結構用鋼量達14萬噸。塔樓外框筒由水平邊梁和雙向傾斜柱、支撐形成三角形單元模塊，外框筒與屋頂連接成整體，形

3、成主樓的主要抗側力結構體系。兩座塔樓各自整體雙向傾斜6，內部核心筒及內柱豎直。懸臂結構共14層，從塔樓37層至頂層外伸，懸臂底面為水平，標高162.200m，頂面與塔樓屋頂位于同一個傾斜面內。塔樓1懸臂外伸67.165m，塔樓2懸臂外伸75.165m。,央視主樓效果圖,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,1.3中央電視臺新臺址主樓,深圳京基100大廈,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,1.4深圳京基100大廈,深圳京基100大廈位于深圳市羅湖區(qū)紅寶路南側，地下 4層，地上100 層，建筑總高度 441. 8m，總建筑面積約24萬平方米，是目前中國大陸第三高樓。框架-核心筒結構。,東塔夜景效果圖,

4、1.5廣州珠江新城東塔,廣州珠江新城東塔，總建筑面積507681平方米，建筑物總高度為530米。 塔樓結構形式為帶加強層的鋼管混凝土巨柱框架筒體結構。,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,1.6武漢綠地中心,武漢綠地中心高606米，共124層，總建筑面積30萬平方米。,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,1.7天津117大廈,天津117大廈 地下3層，地上117層，總設計高度570米以上，規(guī)劃建筑面積183萬平方米，預計投資270多億元人民幣。,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,1.8深圳平安國際金融中心大廈,深圳平安國際金融中心大廈 總建筑面積378600平方米，高度為塔頂646米，屋面588米

5、，共115層。,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,1.9武漢中心,王家墩中央商務區(qū)“武漢中心”， 設計高度428米，共88層。,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,1.10重慶瑞安嘉陵帆影,二期塔樓99層，三期塔樓34層，裙樓6層，建筑高度468米，總建筑面積500710平方米。,三期塔樓：34層，總高度174.8米。,二期塔樓：99層，總高度468米。,裙樓：6層，總高度40.33米。,1.已建和在建典型超高層建筑簡介,超高層建筑施工的基本經(jīng)驗： 一、受力特征：與高度H的關系 （1）垂直受力與高度H成正比 （2）彎矩與高度H2成正比（鋼板剪力墻問題） （3）變形與高度H4成正比（阻尼器問題）,

6、H,廣州東塔鋼板剪力墻,（3）變形與高度H4成正比（阻尼器問題）,二、深基坑施工,深基坑與周邊環(huán)境,超高層與裙樓沉降差處理,逆作法,大體積砼裂縫控制,1,2,3,4,（1） 理論發(fā)展與關鍵技術 建筑物上部結構的施工和地下基礎結構施工平行立體作業(yè)，可縮短工期。建筑物上部結構的施工和地下基礎結構施工平行立體作業(yè)，可縮短工期。 （二墻合一，圍護結構變形量小，對鄰近建筑的影響小。 地下室施工少受風雨影響，有利于土方開挖。 地下室施工少受風雨影響，有利于土方開挖。 逆作結構的自身荷載由立柱直接承擔并傳遞至地基，降低了基坑內地基回彈量。 地下室梁柱等節(jié)點混凝土澆筑是其施工難點。,逆作法,上海環(huán)球金融中心位

7、于上海陸家嘴金融貿(mào)易開發(fā)區(qū)，該大廈為集商貿(mào)、展廳、辦公、酒店、觀光、公共設施為一體的綜合性多功能超高層建筑。該項目地下三層，地上裙樓6層，塔樓101層，高492m。地下室基坑平面呈不規(guī)則四邊形，長約200m，寬108120m，基坑周長614.1m，面積約22468m2，大面積開挖深度17.8519.85m。裙樓地下室外墻采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻。,上海環(huán)球金融中心基坑工程,塔樓基坑土方開挖,為滿足該工程合同工期，同時有效保護基坑周邊環(huán)境，工程采取塔樓順作，裙樓逆作的施工工藝：采用地下連續(xù)墻臨時圍堰將塔裙樓隔開，塔樓先期施工，順作施工至1FL后，裙樓開始由1FL往下逆作法施工，分層分段拆除臨時

8、圍堰，對接塔樓。為不影響塔樓材料運輸及為塔樓提供重型鋼結構構件轉運場地，在塔樓邊1FL+1.5m高處設置面積約2500m2重型材料堆場。,1）基坑工程整體施工部署,（2）逆作法施工實施過程,臨時圍堰、坑內土體加固、深坑土體加固施工完成后在坑內均勻布置40口深井疏干井，沿頂圈梁在坑外均勻布置14口降壓水井，在基坑內側周邊均勻布置4個取土平臺。塔樓基坑土方開挖采用島式分層開挖?；娱_挖遵循“對稱、均衡、分層”，最大限度保證圓形圍護結構均勻受力。提前20天進行土體預降水，挖土至-10.5m時啟動承壓水井，土方開挖至大面積底板底，及時封閉加強墊層，局部深坑分兩層開挖土方，施工完成后進行底板施工。底板分

9、三層澆筑，每層澆筑高度44.5m，水平向不留設施工縫和后澆帶。底板完成后，地下結構采取常規(guī)模板滿堂腳手架支撐體系順作施工至1FL。,2）塔樓順作施工,（2）逆作法施工實施過程,塔樓底板完成后插入裙樓基坑圍護工程，塔樓完成1FL，裙樓分四區(qū)及車道區(qū)由上往下逆作施工，分層分段爆破拆除臨時圍堰，對接主樓。施工順序為一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)、車道區(qū)依次跳倉對稱施工。每區(qū)先進行土方開挖，再施工對應的水平結構，依次交叉向下施工至底板，再從下向上依次順作施工豎向結構。,3）裙樓逆作法施工,裙樓基坑施工分區(qū)平面示意圖,（2）逆作法施工實施過程,每區(qū)設34個取土口，土方采取分層盆式開挖，開挖深度同層高，坑邊留土護

10、壁。 底板先施工中心島區(qū)，在底板上向圍護結構設置拋撐，再進行環(huán)島區(qū)土方開挖及底板施工。水平結構施工完畢由下向上順作施工豎向結構，封閉出土口，完成裙樓地下結構。,3）裙樓逆作法施工,基坑豎向施工分層工況圖,（2）逆作法施工實施過程,上海環(huán)球金融中心工程塔裙樓高差達95層，地下結構不留沉降縫，設計通過每層塔裙樓之間留設后澆帶來協(xié)調兩者之間的沉降差異。后澆帶寬23m，沿塔樓環(huán)形布置，后澆帶中間布置對撐鋼梁的柔性傳力帶，既能確保裙樓基坑水平支撐力有效傳遞至主樓，又能有效協(xié)調塔裙樓之間的沉降差異，避免底板產(chǎn)生沉降裂縫。設計要求，根據(jù)塔裙樓沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，塔裙樓沉降趨于穩(wěn)定，方可封閉后澆帶，且塔樓至少施

11、工至50F。 該工程裙樓施工至底板時，塔樓施工至32層，塔樓最大沉降25.31mm。各層后澆帶開始封閉時，塔樓施工至68層，最大沉降38.55mm，此時裙樓最大沉降3mm。塔樓施工至100層時，塔樓最大沉降98.34mm，裙樓最大沉降36mm。與理論計算相比，塔樓沉降值較接近，裙樓差距較大，裙樓未出現(xiàn)反拱現(xiàn)象。 后澆帶削弱了承擔水平力作用的各層樓板整體剛度，加大了圍護體的變形總量，使得該工程相對于其他逆作法工程的變形稍大。,超高層與裙樓沉降差處理,塔樓、裙樓同步立體交叉施工，施工區(qū)域的協(xié)調、施工場地、運輸通道協(xié)調是關鍵。該工程在塔樓周邊1FL+1.5m標高處特設計了由施工主干道跨越裙樓，通向塔

12、樓的臨時重車道、重型材料堆場，面積2500m2，將裙樓施工對塔樓影響降至最低。同時裙樓逆作首層樓面為塔樓施工提供大量的材料堆場、施工通道，保證了塔裙樓施工順利實施。 塔裙樓立體交叉施工對高空安全墜落、物體打擊、爆破震動等施工安全帶來很大隱患。 裙樓與塔樓對接，在裙樓首層施工時完全暴露在塔樓下方，且塔樓已施工較高，只有做好塔樓臨邊安全防護措施，才能保證裙樓施工安全。 為加快施工速度，塔裙樓之間臨時圍堰及圍檁采取爆破方式拆除，圍堰緊靠塔樓，要保證塔樓永久結構不能受任何損傷，該工程采取密孔少藥量，減小沖擊力及振動波；加強防護棚，在圍堰爆破對塔樓影響區(qū)域內覆蓋模板、麻袋等方式對塔樓永久結構進行保護。

13、值得注意的是，逆作法樓面堆載要均衡、要限載。荷載既要在臨時鋼柱承載范圍內，又不能引起鋼柱發(fā)生不均勻沉降，以免拉裂樓板。同時要等樓板強度達85方可堆載。,塔裙樓立體交叉施工,楔形鎖口接頭,底板與地下墻間埋設注漿管,采用大直徑圓形圍護體系，利用圓拱效應，充分發(fā)揮混凝土材料的抗壓性能，對基坑變形控制相當出色。100m直徑的圓形圍堰，僅靠三道圍檁，無任何內支撐，土體開挖深度17.85m，電梯井深坑達25.85m，基坑最大變形僅30.1mm。成功保障了周邊建筑物、地下管線及圍護結構的正常運行。 地下連續(xù)墻楔形鎖口接頭，外側劈裂注漿加強止水，大大提高地下墻間整體剛度、傳力性能及止水性能。 該工程底板與地下

14、墻接頭處除采用常規(guī)止水措施外，還采用預埋注漿管加強兩者之間的止水。若發(fā)現(xiàn)底板與地下墻之間有滲水，僅需要在相應的注漿管接頭處進行壓力注漿，充分填實之間的滲水毛細孔縫隙，止水效果雙保險。,大體積砼裂縫控制,大體積混凝土溫度裂縫控制關鍵技術 （1）原材料優(yōu)選 （2）配合比優(yōu)化 （3）約束條件的優(yōu)化 （4）混凝土入模溫度優(yōu)化 （5）混凝土澆筑方案優(yōu)化 （6）混凝土養(yǎng)護和二次滾壓 （7）構造鋼筋的設置 （8）溫度監(jiān)測及反饋,通過仿真技術分析研究，提出了超厚底板混凝土裂縫控制技術，實現(xiàn)了基礎底板超長（100m）、超厚(最厚4.5m)、C40超大體積混凝土42小時一次連續(xù)成功澆筑28900m3，體現(xiàn)了現(xiàn)代混

15、凝土施工新水平。該技術獲國家級工法。(為當時國內單次澆筑方量之冠),底板超長（100m）、超厚(最厚4.5m)、C40超大體積混凝土42小時一次連續(xù)成功澆筑28900m3,上海環(huán)球金融中心工程,CCTV新址,CCTV新址,地鐵振動對地下永久結構施工期及運營期影響研究,深圳星河發(fā)展中心,深基坑與周邊環(huán)境,地鐵交通荷載研究 地鐵振動在土體介質中的傳播規(guī)律研究 地鐵振動對地下結構影響問題研究（實測及分析） 地鐵振動舒適度問題的研究（實測及分析）,振動對周邊環(huán)境影響實測,三、主體結構施工 （1）施工部署及施工順序是否合理,三、主體結構施工 （2）主要施工設備選擇 中央電視臺及深圳證券工程M1280D塔

16、吊、上海環(huán)球金融中心工程M900D及M440D塔吊、廣州西塔工程M900D塔吊、京基100大廈工程M900D塔吊、沈陽恒隆工程ZSL2700塔吊、太原湖濱工程ZSL1000塔吊，形成了超高層建筑施工中的大噸位動臂式塔吊的施工技術集成。,塔式起重機施工技術 塔式起重機的選型 塔式起重機的爬升 塔式起重機的撤除 在風作用下塔吊的安全施工研究,混凝土泵送技術 混凝土輸送泵 混凝土泵管 混凝土布料機,高性能混凝土的“三高三低三自” 三高：高可泵性、高強度、高耐久性 三低：低收縮、低成本、低水化熱 三自：自密實、自養(yǎng)護、自流平,通過反復試驗研究,研制出JGJC多組份復合高性能混凝土，有效解決了混凝土大流

17、動性與抗離析穩(wěn)定性之間的矛盾。 （1）上海環(huán)球金融中心創(chuàng)造了將C40結構混凝土一次泵送至492m高度的國內紀錄； （2）廣州西塔工程創(chuàng)造了將C80高強混凝土一次泵送到400m高度的國內更高記錄； （3）深圳京基工程創(chuàng)造了將C120高強混凝土一次泵送到417m高度的世界記錄；,（3）砼核心筒的爬模,核心筒上平臺爬模系統(tǒng),核心筒下平臺爬模系統(tǒng),（4）鋼結構施工,鋼結構吊裝,鋼結構現(xiàn)場焊接,鋼結構工程少量塔樓外框筒鋼柱因超重，按設計不能再分節(jié)，必須對節(jié)點進行分離吊裝，在節(jié)點分離部位形成長達14.88m的超長斜立向焊縫，見左圖。 在最大節(jié)點部位焊縫金屬填充量為1100公斤（兩條對稱焊縫），需要52名合

18、格焊工連續(xù)焊接約70小時才能完成。根據(jù)規(guī)范要求在焊接完48小時后用超聲波對焊縫進行夾渣、氣孔、裂紋等內部缺陷探傷檢測，15天后用超聲波進行延遲裂紋檢測，以確保焊接質量。,鋼結構施工過程中的垂直度控制、豎向變形控制、內力控制、異種材質焊接控制是超高層復雜巨型鋼結構安裝的技術難題。我們從分析材料的時變特性出發(fā)展開研究。,垂直度控制,豎向變形控制,內力控制,異種材質焊接控制,鋼結構安裝 四大控制難題,超高層鋼結構安裝關鍵技術,環(huán)帶桁架,超高層鋼結構安裝關鍵技術,依據(jù)環(huán)帶桁架的安裝及焊接順序，基于ABAQUS平臺進行焊縫收縮的理論預測，首次提出巨型鋼柱“反向預調”的垂直度控制技術，即事先將巨型鋼柱反向

19、預調到計算值，焊接收縮后回歸到設計位置。,超高層鋼結構安裝關鍵技術,有效解決了焊接對巨型鋼柱垂直度影響的技術難題。最終大樓垂直度偏差僅為32.8mm ，經(jīng)查新，在國內外均無相關報道。,最終大樓垂直度偏差僅為32.8mm,超高層鋼結構安裝關鍵技術,巨柱反向預調安裝實況,理論分析計算,模擬計算,超高層鋼結構安裝關鍵技術,為了解決豎向變形導致的結構實際標高與樓層設計標高差不一致的技術難題，我們通過數(shù)值模擬、計算分析、現(xiàn)場監(jiān)測研究，首次提出“超高巨型鋼柱豎向變形的主動補償控制關鍵技術”。補償豎向變形導致的長度損失，實現(xiàn)475m高巨型鋼柱設計標高的精確控制。,SRC柱豎向變形示意,SRC柱安裝及標高測量

20、實況,超高層鋼結構安裝關鍵技術,伸臂桁架附加內力形成機理,伸臂桁架斜腹桿臨時連接 (內力釋放點),超高層鋼結構安裝關鍵技術,提出“伸臂桁架被動適應安裝技術”，有效解決了內筒外框變形差造成巨型鋼結構附加內力難以控制的技術難題。,斜腹采用高強螺栓臨時固定,變形趨于穩(wěn)定后焊接連接,超高層鋼結構安裝關鍵技術,未焊過渡段鑄鋼件,已焊過渡段鑄鋼件,超高層鋼結構安裝關鍵技術,這一焊接技術的轉變，解決了超高空現(xiàn)場條件下鋼結構異種材質的焊接技術難題，保證了本工程170萬延米焊縫一次探傷合格率達98.6%。,超高層鋼結構安裝關鍵技術,1995年建成的武漢國際貿(mào)易中心大廈是一座地下2層、地上55層的超高層建筑，高2

21、11.8m，總建筑面積超過13萬m。大廈為鋼筋混凝土筒中筒結構，內筒和四角均為剪力墻結構，外筒為框架，水平結構為無粘結預應力密肋梁樓板，梁寬200mm，梁高550650mm，間距800850mm，每層密肋梁數(shù)量為144根。內筒及角部板厚100mm，密肋板70mm，內筒剪力墻厚650mm300mm，框架梁、柱寬1350mm550mm?；炷翉姸鹊燃墸?1層以下為 C55，1223層為C50，2435層為C45，36層以上為C40。采用墻、柱、梁整體液壓滑模施工技術。,（5）整體滑模施工技術武漢國際貿(mào)易中心大廈,武漢國際貿(mào)易中心,1）工程概況,武漢國際貿(mào)易中心大廈的滑模面積屬于當時全國第一，一次滑

22、模面積2300，采用6噸位千斤頂、F483.5鋼管支承桿在結構體內外混合布置等滑模措施均為國內首創(chuàng)，且體外采用工具式鋼管支承桿，滑模施工技術達到了國際先進水平。整體液壓滑模從0.000開始起滑，采用“滑二澆一”的方法進行，即先滑N層墻、柱、梁，后滑N1層樓板，然后N層剩余部分與N十1層連續(xù)滑模，施工縫設在每層密肋梁下200mm。,武漢國際貿(mào)易中心,2）滑模施工工藝 剪力墻和框架柱以上、密肋梁下200mm高度范圍內（標準層為樓面以上2.75m處）按一般滑模方法進行，以145170mm/h的滑升速度將混凝土澆至密肋梁下200mm處； 框架柱與剪力墻同步滑升，當混凝土澆至框架梁底標高處，解除框架柱、

23、梁插板與滑升模板的連接；,滑模平臺,密肋梁滑模平臺布置,當模板上口滑至框架梁底下800mm處時（標準層為樓面以上1.2m處），開始支框架梁底模板，隨著滑模上升，綁扎框架梁的底部鋼筋、箍筋、腰筋，直至完成； 當模板上口滑至框架梁底標高以上300mm時，澆筑框架梁混凝土，澆至密肋梁下200mm止； 采用空滑措施，在4h內將模板滑升200mm，使模板脫開混凝土，模板上口提升至密肋梁底標高處；,豎向結構滑模施工 混凝土澆筑,樓層結構滑模施工 混凝土澆筑,在N層墻、柱滑模的同時，進行N一1層的支模、扎筋、澆筑混凝土并養(yǎng)護等工作； 當墻及框架梁的混凝土澆至施工縫標高時，在提升架橫梁下提前綁扎密肋梁鋼筋，在

24、N一1層的密肋梁上支撐N層密肋梁底模，梁的鋼筋放入底模上，并將全部模板滑升到梁底標高以上200mm； 開始第二次澆筑混凝上，先澆墻、柱及框架梁400mm高度的混凝土，再澆一部分密肋梁的混凝土（200mm），當模板上口滑升至樓板底標高時，進行密肋梁第二層混凝土（約280mm）及墻和框架梁剩余部分的澆筑； 從第二層澆筑后4h起，密肋梁（包括梁高范圍內的墻及框架梁）澆筑時間控制在24h內，滑升速度平均55mm/h。 在梁滑模的同時，綁扎上一層模板高度范圍內的墻、柱鋼筋，當梁的混凝土澆筑完成后，接著繼續(xù)上一層的澆筑和滑模。,1）理論發(fā)展與關鍵技術,利用GPS技術在建筑物外設立了臨時觀測基準點（GPS外

25、控點），以GPS外控點作為施工定位基準點，形成施工定位外控網(wǎng)，從而以外控網(wǎng)對軸線的控制取代了傳統(tǒng)的以內控點進行施工定位的作業(yè)模式。GPS外控基準網(wǎng)的作業(yè)模式具有精度高、對施工干擾小、使用方便、可操作性強等優(yōu)點。利用GPS外控基準網(wǎng)可以一次測定到位，防止誤差的傳遞和積累，對任意施工層面均可控制，其平面定位精度為5mm，高程精度為5mm。觀測基準點相互不通視，變換觀測基準點均不影響觀測精度；選擇樓層施工控制網(wǎng)基點的約束較少，各點之間可以不通視，點數(shù)和點位也可以根據(jù)實際要求變化，均不影響定位精度。,（6）高層建筑GPS測控技術-重慶大學主教學樓工程,重慶大學主教學樓是集辦公、教學、科研于一體的現(xiàn)代化

26、綜合性大樓，建筑造型優(yōu)美，結構復雜，智能化程度高。位于重慶大學校園A區(qū)中部，地理位置較為顯要，它的建設成功將為重慶大學的科研、教學及為西部建設培養(yǎng)高級專門人才發(fā)揮重要作用。本工程總建筑面積約為70032 m2，占地面積12000 m2；主樓地下3層、地上27層，高+121.30m；裙樓分為兩個部分，地下兩層，地上分別五層、六層，高分別為+20.30m、+23.50m。,重慶大學主教學樓,2）高層建筑GPS測控技術實施過程,重慶大學主教學樓GPS檢測內控點圖,GPS監(jiān)測軸線控制坐標系的建立,GPS外控網(wǎng)的確立,重慶大學主教學樓GPS外控點分布略圖,2）高層建筑GPS測控技術實施過程,施測儀器,2

27、）高層建筑GPS測控技術實施過程,現(xiàn)場施測,現(xiàn)場施測,建筑物垂直度控制結果,GPS動態(tài)監(jiān)測點位分布示意圖,環(huán)境激勵下動態(tài)特性GPS監(jiān)測的測試,監(jiān)測點（GPS1）相對于基準點（GPS3）的三維時程曲線,環(huán)境激勵下動態(tài)特性GPS監(jiān)測的測試,實施效果,基于GPS技術建立的GPS外控基準網(wǎng)，其GPS外控點相互獨立，可一次測定到位，防止了誤差的傳遞和積累，測定精度高。對任意施工層面均可控制，其平面定位精度為11mm，高程精度為8mm。 基于GPS定位控制技術，其數(shù)據(jù)測定和分析均使用計算機處理，測定速度快，避免了人為誤差的產(chǎn)生。 基于GPS定位控制技術，獲得的高層建筑物振動頻率（周期）能準確反映建筑物的環(huán)

28、境激勵動態(tài)特性，為高層及超高層建筑施工提供了準確的定位數(shù)據(jù)（如施工糾偏、糾扭等），從而提高了建筑施工質量。 通過本項目的研究表明，GPS控制技術能準確監(jiān)測建筑物的環(huán)境激勵動態(tài)特性，對提高建筑工程施工質量及保障結構安全具有重要的現(xiàn)實意義。,建筑虛擬施工技術是將以虛擬現(xiàn)實為基礎的仿真技術應用于建筑施工領域，利用虛擬現(xiàn)實技術建立建筑物的幾何模型和施工過程模型，對施工方案進行實時、交互、逼真地模擬，驗證對比和優(yōu)化，進而采用數(shù)字化手段制定和修改施工方案，并逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的施工方案編制方法。,1） 理論發(fā)展與關鍵技術,（7）虛擬現(xiàn)實技術上海正大商業(yè)廣場,虛擬施工的程序,上海正大商業(yè)廣場,上海正大商業(yè)廣場位于

29、上海浦東陸家嘴，工程總占地面積達3.1萬m2，建筑物東西長約260m，寬約100m，地下三層、地上九層，總建筑高度50m，總建筑面積24.3萬m2；結構主要包括屋面鋼框架、鋼結構天窗、觀光走廊、鋼結構大樓梯和鋼結構天橋五大部分。工程中使用的鋼構件共約3000余件，總噸位約5600噸，主要集中在八層以上，鋼結構施工的特點及難點在于：超長超重構件多（最大跨度38m，最大重量48t），截面類型復雜多樣，且多分布在建筑物腹地和頂部，安裝就位標高也極不統(tǒng)一，運輸通道及吊裝空間狹窄，工期緊。,在硬件方面，采用了SGL（Onyx2）高檔圖形工作站，操作系統(tǒng)為IRIX平臺。在軟件方面，使用了Deneb公司的虛

30、擬現(xiàn)實軟件Envision作為設計、分析和制定施工方案的交互虛擬環(huán)境的平臺，它提供了一個高級的、基于物理的3D環(huán)境，能導入幾乎所有格式的CAD數(shù)據(jù)，精確地代表了與真實系統(tǒng)相關的幾何數(shù)據(jù)和運動特征，從而實現(xiàn)實時的運動學仿真和動力學仿真。3D建模軟件主要有Mechanical Desktop 、 Pro-Engineer、 Solidedge等。編程環(huán)境采用VB、Visual C+、GSL編程環(huán)境。,2） 虛擬施工技術實施過程,系統(tǒng)開發(fā)軟、硬件平臺,鋼筋混凝土框架結構模型 華東建筑設計研究院提供了與本課題相關圖紙3000余份，全部為AutoCAD繪制，其中絕大部分為鋼筋混凝土框架結構圖紙。土建部分

31、建模工作量十分龐大，如果不充分利用現(xiàn)有的二維AutoCAD圖形文件，必須花大量時間去重新生成二維圖。為充分利用好二維AutoCAD圖形文件資源，選擇Mechanical Desktop3.0為建模軟件，它與AutoCAD無縫集成。采用這個方案避免了土建圖形重新生成二維草圖，提高了建模精度。,2） 虛擬施工技術實施過程,建模及靜態(tài)組裝,鋼結構構件、塔吊和桅桿起重機的建模 形狀比較復雜的鋼結構主要采用造型功能十分完備的三維造型軟件Pro-engineer完成，以.slp的格式輸入PRO 文件中，塔吊和桅桿起重機的零件則利用參數(shù)化功能強大的Solidedge，以.wrl的格式輸入VRML，最后在De

32、vice模塊中將零件組裝成機構模型。Envision本身自帶的簡易造型CAD模塊，也可以進行簡單的三維建模和修改，這樣，靈活運用Envision與各三維造型軟件的不同接口，充分發(fā)揮各造型軟件的優(yōu)點和長處，取得了很好的效果。同時，在建模時注意到：各模型的幾何特征要力求簡單，以減少系統(tǒng)計算的工作量，提高運算速度。,2） 虛擬施工技術實施過程,建模及靜態(tài)組裝,將樓面、大樓梯、天橋、鋼結構件、塔吊和桅桿等模型輸入Envision模塊，根據(jù)功能特征，組成多個Device（機構）。在Envision模塊中，Device為可獨立運動的最小單元。通過對Device的定位，組裝好了整個建筑模型 。,2） 虛擬施

33、工技術實施過程,建筑模型組裝,虛擬模型,建模及靜態(tài)組裝,正大廣場鋼結構吊裝工程虛擬施工是建立在模型量大、仿真運動構件多、動畫渲染效果要求嚴的基礎上,從1）模型的處理2）攝像機和燈光的使用3）材質的使用4）漫游過程路徑的設置 四個方面進行工作，模型瀏覽與漫游的結果是令人滿意的。,2） 虛擬施工技術實施過程,模型瀏覽與漫游,2） 虛擬施工技術實施過程,運動模擬,起吊中間弧形天窗的屋架過程中的動態(tài)模型,特地設立了一個模擬吊裝指揮的構件，它本身沒有動作，主要工作是協(xié)調、指揮，接受單個吊裝動作完成的信號，并且發(fā)出下一個動作開始的信號，這樣使整個程序模塊化，易于調整修改。,2） 虛擬施工技術實施過程,實時

34、干涉檢測,桅桿起重機A與托架梁發(fā)生干涉時的圖像,在吊裝試驗過程中，單依靠視覺判斷是否存在構件干涉是不夠的。因為三維模型顯示在二維屏幕上存在視覺誤差。因此加入了構件的實時干涉檢測功能。當構件之間出現(xiàn)碰撞干涉時，相應的構件將呈警戒色。,3）關鍵技術及創(chuàng)新點,虛擬現(xiàn)實平臺選擇與二次開發(fā) 上海正大鋼結構吊裝虛擬施工以SGI（Onyx2）圖形工作站和相關虛擬外設為硬件平臺，以虛擬現(xiàn)實軟件Envision為方案設計、分析的交互操作環(huán)境，在此基礎上補充開發(fā)相關應用模塊。 由二維設計圖紙快速建模生成精確的三維模型 對于大量相同內容造型、尺寸無需更改的土建結構，采用非參數(shù)化建模方式。從原二維圖形文件中提取輪廓，

35、通過實體拉伸、布爾運算、坐標變換、空間陣列等方法的組合和VB編程，開發(fā)的軟件工具能迅速生成單層或多層建筑模型，較好解決了大量二維設計圖紙快速精確的三維模型重構問題。 對結構較復雜、有變異造型、約束較多的構件，如大樓梯、天橋等，采用參數(shù)化建模方式。從二維圖形文件提取可供參考的外形輪廓特征，通過添加約束、材料特征等手段，迅速生成構件模型，建立可直接調用的參數(shù)化構件庫。,模型簡化 由于模型規(guī)模大，為解決其快速顯示問題，采取了將幾何實體模型轉換為帶有物理屬性的面片方式進行簡化。經(jīng)過多次簡化以面單元構建運動仿真所需的三維模型，并且采用層次細節(jié)技術，提高了仿真的顯示速度。 吊裝仿真與方案優(yōu)化 根據(jù)初步設計

36、的構件吊裝方法和吊裝順序，對每個吊裝過程采用GSL編程實現(xiàn)單個構件的吊裝仿真，實現(xiàn)了對施工全過程的計算機仿真。經(jīng)過對各種施工方法的仿真結果的分析，獲得最佳的施工方案。 系統(tǒng)中加入了構件的實時碰撞檢測功能，在吊裝仿真過程中，當構件或設備之間出現(xiàn)干涉時，相關構件或設備的顏色將發(fā)生變化。同時，系統(tǒng)實現(xiàn)了記錄和回放運動過程的功能，可以對仿真的各種施工方案多次回放、比較研究。 建立了部分虛擬建筑設備庫 建立了部分虛擬建筑設備庫，如塔吊庫、桅桿起重機庫，包括三維模型、系列幾何參數(shù)、承重參數(shù)、物理屬性等，能為不同規(guī)格的設備實現(xiàn)集成模型。,創(chuàng)新點： 實現(xiàn)了較大規(guī)模模型的快速顯示 上海正大的模型規(guī)模大，通過將幾

37、何實體模型轉換為帶有物理屬性的面片，經(jīng)過多次簡化以115,800個面單元構建了運動仿真所需的三維模型。并且采用層次細節(jié)技術，提高了仿真的顯示速度，解決了課題涉及的較大規(guī)模模型的快速顯示問題。 實現(xiàn)了反運動學（逆作）模擬 在雙機抬吊的構件運動，如果采用正運動學模擬，運動位置確定困難，構件驅動不準確，通過編程實現(xiàn)協(xié)調運動比較困難。探索采用運動物體移動的位置變化反向驅動，從就位點反算構件運動軌跡和設備運動變化，以較小的計算量實現(xiàn)構件的吊裝協(xié)調、準確運動。,解決了碰撞干涉檢查顯性實時顯示問題 引進動態(tài)顯示中的信息通道概念，對多運動件中各種干涉和干涉警告信息進行提取，運算結果可視化，將可視化圖像與顏色變

38、化覆蓋相關構件，實時直觀變化，解決了多點同時吊裝運動中的實時干涉檢測顯性顯示問題。 實現(xiàn)了記錄和回放機制 記錄機制不是圖像的錄制，而是根據(jù)實時交互操作生成程序，為確定虛擬施工方案提供初步程序方案，通過建立記錄和回放機制，便于施工仿真過程中發(fā)現(xiàn)問題、保留問題、解決問題。,超高層建筑建設發(fā)展應考慮的主要方面：,超高層建筑 建設,安全,功能,綠色環(huán)保,施工方案優(yōu)化,11.超高層建筑施工對環(huán)境影響分析及控制,10.虛擬現(xiàn)實施工技術的新發(fā)展及應用,8.溫度等間接作用對超高層建筑施工的影響及控制,7.超高層建筑施工期風致響應及控制技術,9.基于測量機器人的4D空間信息定位控制技術,6.超高層建筑鋼、混凝土

39、豎向變形控制研究,2.超高層建筑施工期結構抗火安全技術,5.超高層建筑施工期性能實測及工況轉換,1.超深地下工程施工對環(huán)境安全影響研究,12.400米以上超高泵送混凝土集成技術研究,3. 鋼板混凝土組合剪力墻混凝土裂縫問題,4.超高層建筑施工期抗震關鍵技術,1.超深地下工程施工對環(huán)境安全影響研究,1.1地鐵振動對地下永久結構施工期及運營期影響研究,深圳星河發(fā)展中心,1.超深地下工程施工對環(huán)境安全影響研究,地鐵交通荷載研究 地鐵振動在土體介質中的傳播規(guī)律研究 地鐵振動對地下結構影響問題研究（實測及分析） 地鐵振動舒適度問題的研究（實測及分析）,振動對周邊環(huán)境影響實測,1.超深地下工程施工對環(huán)境安

40、全影響研究,1.2當?shù)氐刭|條件下超深基坑破壞模式研究,基于當?shù)氐刭|條件，研究超深基坑開挖過程及相關施工全過程： 土（石）的變形規(guī)律及破壞機理 分析原因，制訂合理方案,1.超深地下工程施工對環(huán)境安全影響研究,1.3超深基坑土、支護墻（樁）體相互作用規(guī)律研究,控制基坑變形，優(yōu)化方案設計的要點,隨著我國建設規(guī)模的擴大和城鎮(zhèn)化進程的加速，建設工程現(xiàn)場火災數(shù)量呈增多趨勢，火災危害呈增大趨勢。超高層建筑施工期結構抗火安全研究十分重要。,上海環(huán)球金融中心施工期火災,央視新址配樓施工期火災,2.超高層建筑施工期結構抗火安全技術,應減少火災危害，改善結構抗火性能，保護人身和財產(chǎn)安全。,9.11事件中的美國世貿(mào)雙

41、塔,莫斯科電視塔高層起火（2000年）,3.鋼板混凝土組合剪力墻混凝土裂縫問題,裂縫產(chǎn)生的主要原因 （1）剪力墻鋼板面大，而且對混凝土約束強； （2）混凝土強度高（C80、C60）； （3）早期失水收縮大； （4）配合比優(yōu)化不夠； 建議措施 （1）對鋼板及混凝土進行實體測試，探明鋼板及混凝土收縮與約束情況； （2）優(yōu)化結構設計：增加細而密的鋼筋網(wǎng)片構造措施； （3）優(yōu)化配合比，減少水泥用量，使用優(yōu)質膨脹劑等； （4）加強施工養(yǎng)護：自養(yǎng)護、噴水養(yǎng)護等； （5）優(yōu)化模板構造，模板內側加海綿內襯； （6）優(yōu)化鋼板剪力墻混凝土澆筑方案：如探討跳倉法施工、合理設置誘導縫等。,結構行為與控制 抗震設防標準？ 結構抗震性能 合理損傷破壞機制？ 大震下破壞準則：變形控制？ 巨震倒塌合理機制？,合理設計地震動 地震動的長周期特性 地震動的空間相關性 地震動的隨機性 設計地震動參數(shù) ,結構分析與數(shù)值模擬 結構非線性行為的模型化方法 非線性分析方法 巨震倒塌數(shù)值模擬 ,高 大 柔 多 ,抗震設計與措施 大震設計方法 抗震措施 抗倒塌設計方法與措施 消能減震技術應用 ,4.超高層建筑施工期抗震關鍵技術,超高層建筑合理倒塌模式與控制措施研究 超高層建筑倒塌模式合理性評價方法研究 超高層建筑基于時空需求的合理倒塌模式研究 超高層建筑倒塌模式影響因素與保障方