施工新技术讲座第十讲超高层建筑结构施工控制_一_胡玉银

BUILDING CONSTRUCTION建筑施工第33卷第3期Vo1．33No．3第十讲超高层建筑结构施工控制(一)□胡玉银（上海建工集团股份有限公司200080）【中图分类号】TU72/文献标识码B【文章编号】1004-1001（2011）03-0248-031超高层建筑结构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（L e s l i e E .R o b e r t s o n ）设计事务所在西班牙马德里的欧洲之门[2]，应用预应力法施工控制技术成功解决了双斜塔的垂直度控制难题。

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[3]。

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508m ，2010年竣工的阿联酋的哈利法塔大厦高度突破800m ，达到828m ，规划的建筑高度已经突破千米大关；二是体型奇特，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95m ，相向倾斜15°，中国苏州东方之门地上77（71）层，高278m ，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234m ，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“Ｚ”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[4][5]。

828m 高、哈利法塔大厦中央电视台新台址大厦广州新电视塔斜交网格结构图1近代典型超高层建筑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Lecture 10:Construction Control over SuperTall BuildingStructure【作者简介】胡玉银（1964-），男，工学博士，上海建工集团副总工程师、技术中心主任。

联系地址：上海市江杨南路1646号（200431）。

E m a i l ：h uyuy in g @scg t c .c o m .c n 。

【收稿日期】2010－12－16·248·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，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。

2.1.1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。

2.1.2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。

图2控制系统基本结构2.1.3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）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。

图3开环控制系统结构（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，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[6]。

图4闭环控制系统结构（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[6]。

2.2施工控制原理2.2.1施工控制特点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，249··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。

2.2.2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，并对结构状态图5超高层建筑施工控制技术路线（内力、变形等）进行实时监测，获得结构实际状态。