Methoden zur Kontrolle der Vertikalität beim Bau von Hochhaus-Stahlkonstruktionen?

II. Installationsprozess: “Dynamische Anpassung” in mehreren Phasen”

Die Montage von Stahlkonstruktionen in Hochhäusern erfolgt in der Regel nach dem Prinzip der “Segmentaufteilung”, wobei die Höhe jedes Säulensegments zwischen 8 und 12 Metern liegt und die Bauarbeiten Etage für Etage durchgeführt werden. Zur Kontrolle der Lotrechtigkeit ist eine dynamische Überwachung im Verlauf der Montage erforderlich, wobei in Echtzeit Anpassungen vorgenommen werden müssen.

1. Fundament und erste Säule: “Bezugspunktverankerung”

Die Positionierung der im Fundament eingebetteten Ankerbolzen oder Einbauteile bildet den “Ausgangspunkt” für die Kontrolle der Vertikalität. Vor der Montage muss die ebene Lage der Ankerbolzen mit einem Totalstation überprüft werden; die Abweichung darf höchstens 2 Millimeter betragen. Zudem muss die Höhenlage überprüft werden. wobei die Abweichung weniger als 1 Millimeter pro Meter betragen darf. Bei Überschreitung dieser Toleranzen muss eine Nachbesserung mittels eines “Bolzenausrichters” oder durch das Einbringen von Bewehrungsstäben erfolgen.

Beim Einbau der ersten Säule ist diese mithilfe eines “Zweikran-Hebeverfahrens” (oder einer speziellen Hebevorrichtung) langsam in Position zu bringen. Nach der provisorischen Befestigung mit den Schrauben am Säulenfuß sind die Vertikalität mithilfe eines Totalstationsgeräts und seitlicher Hydraulikheber einzustellen.

Zunächst muss die Abweichung in Richtung der “x-Achse” an der Säulenspitze korrigiert werden, anschließend muss die Abweichung in Richtung der “y-Achse” an der Säulenspitze korrigiert werden. Dabei werden auf jeder Seite zwei Hebeböcke eingesetzt, um einen symmetrischen Druck auszuüben und so eine Verwindung der Säule zu verhindern.

Nachdem die Abweichung in der Lotrechtigkeit auf höchstens 5 Millimeter begrenzt wurde, sind die Schrauben am Sockel der Säule festzuziehen und die Säule mit einer starren provisorischen Abstützung (wie beispielsweise einer H-Träger-Diagonalstrebe) zu sichern. Die Verbindung der Stützen mit dem Boden muss durch Schweißen oder mit Ankerbolzen erfolgen, um ein Absinken zu verhindern.

2. Montage der Standard-Stützsäulen: “Schichtweise Justierung, kumulative Steuerung”

Ab dem zweiten Abschnitt muss bei der Montage jedes einzelnen Pfostens die “bereits montierte Pfostenoberkante” als Bezugspunkt dienen, wobei die Lotrechte anhand der folgenden Schritte zu überprüfen ist:

Die Säulen werden angehoben und an ihrer Spitze wird eine provisorische “Messstation” eingerichtet, d. h. es werden Messmarken angeschweißt. Mit Hilfe eines Totalstationsgeräts werden die Abweichungen während des Hebevorgangs in Echtzeit überwacht, um Kollisionen mit bereits montierten Bauteilen zu vermeiden und die Säulen sicher an ihren Bestimmungsort zu heben.

Zunächst erfolgt eine vorläufige Ausrichtung und das Zusammenfügen der Stützen, d. h. nach der provisorischen Befestigung mit Schrauben wird bei Stützen mit kleinerem Querschnitt wird die Vertikalität mit Hilfe von “Abspannseilen und Handkettenzug” eingestellt, während bei schweren Säulen “Hydraulikheber und Stahlkeile” zum Einsatz kommen. Zu diesem Zeitpunkt muss die Abweichung auf ≤10 mm begrenzt werden, um Ausgleichsraum für Schweißverformungen zu schaffen.

Prozessüberwachung und Nachjustierung während des Schweißvorgangs: Beim Schweißen von Stahlkonstruktionen, insbesondere bei Stumpfschweißnähten zwischen Stützen, kommt es zu thermischen Verformungen wie Schrumpfung und Verbiegung, was zu Abweichungen in der Lotrechtigkeit führt. Daher ist Folgendes erforderlich:

Durch den Einsatz des Verfahrens des “symmetrischen Schweißens”, bei dem beispielsweise zwei Personen symmetrisch in Abschnitten schweißen, werden Verformungen reduziert, die durch einseitige Erwärmung entstehen.

Während der Schweißarbeiten ist alle dreißig Minuten mit einem Totalstation die Abweichung an der Säulenspitze zu überprüfen. Sollte die kumulierte Abweichung 15 Millimeter überschreiten, ist der Schweißvorgang zu unterbrechen und die Abweichung durch gegenläufiges Vorschieben auszugleichen.

Nach Abschluss der Schweißarbeiten und nach Ablauf von 24 Stunden, d. h. nach der Spannungsentlastung, ist eine Überprüfung der Lotrechtigkeit durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt muss die Abweichung kleiner oder gleich H geteilt durch 1000 sowie kleiner oder gleich 15 Millimeter sein, wobei H die Höhe des jeweiligen Säulenabschnitts bezeichnet.

3. Dachdeckungs- und Fertigstellungsphase: “Korrektur der kumulierten Abweichungen”

Mit zunehmender Höhe summieren sich die Abweichungen in der Lotrechtigkeit allmählich, insbesondere ab einer Höhe von über fünfzig Metern. In diesem Fall muss vor der Montage der Dachkonstruktion eine “Gesamtüberprüfung” durchgeführt werden:

Mit Hilfe eines Totalstationsgeräts werden die Achsen vom Referenzpunkt am Boden ausgehend bis zum obersten Stockwerk übertragen; anschließend werden die Abweichungen zwischen den im obersten Stockwerk vermessenen Achsen und den geplanten Achsen verglichen, um daraus die “kumulierte Vertikalabweichung” zu berechnen.

Wenn die Abweichung kurz davor ist, den Grenzwert der Norm zu erreichen – wobei dieser Grenzwert gemäß den Vorgaben der “Technischen Vorschriften für Stahlkonstruktionen in zivilen Hochhäusern” (JGJ 99) festgelegt ist und besagt, dass die vertikale Abweichung über die gesamte Höhe kleiner oder gleich H geteilt durch 1000 sowie kleiner oder gleich 30 mm sein muss –, dann muss bei der Montage der Dachbalken und Stützen eine Korrektur mittels “Feineinstellung der Verbindungspflege” vorgenommen werden. Die “Feineinstellung der Verbindungspflege” umfasst beispielsweise konkrete Maßnahmen wie das Einlegen von Unterlegscheiben oder die Korrektur durch “Schweiß-Gegenverformung”, d. h. das vorausschauende Einplanen einer gegenläufigen Abweichung.

III. Umweltfaktoren: Gezielte “Vermeidung von Störungen”

Der Bau von Hochhauskonstruktionen aus Stahl wird erheblich durch Umweltfaktoren wie Temperatur, Wind und Setzungen beeinflusst, weshalb Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Auswirkungen dieser Faktoren auf die Lotrechtigkeit zu minimieren.

Kontrolle der temperaturbedingten Verformung

Der Koeffizient für die thermische Ausdehnung und Kontraktion von Stahlkonstruktionen beträgt etwa 1,2 × 10⁻⁵/°C . Durch Sonneneinstrahlung entstehen Temperaturunterschiede; so kann beispielsweise mittags der Temperaturunterschied zwischen der der Sonne zugewandten und der schattigen Seite einer Säule 10–15 °C betragen. Diese Temperaturunterschiede können zu einer Verformung der Säule führen, was wiederum eine “scheinbare Abweichung von der Senkrechten” zur Folge hat. Maßnahmen zur Beherrschung:

Wählen Sie für die Messung Zeiten mit stabilen Temperaturen (z. B. morgens zwischen 5 und 7 Uhr oder abends zwischen 18 und 20 Uhr), da zu diesen Zeiten die Temperatur im Säulenkörper gleichmäßig ist.

Sollten die entsprechenden Bauarbeiten während einer Phase mit hohen Temperaturen durchgeführt werden, muss die Temperatur des Pfeilerkörpers zum Zeitpunkt der Messung erfasst werden, um die gemessenen Ergebnisse mithilfe der folgenden Formel zu korrigieren: (Korrekturwert für die Abweichung = Temperaturdifferenz × Pfeilerhöhe × linearer Ausdehnungskoeffizient).

Kontrolle der Windeinflüsse

Bei Windstärke 6 oder höher, d. h. bei einer Windgeschwindigkeit von mindestens 10,8 m/s, kann es bei den Säulen in großer Höhe zu seitlichen Schwingungen kommen, was zu Verfälschungen der Messdaten oder zu einer Instabilität der Anlage führen kann. Erforderlich sind:

Bei Windstärke ≥ 6 sind Hebe- und Einstellarbeiten einzustellen;

Wenn die Montagehöhe des Mastes 30 m überschreitet, müssen zusätzliche provisorische Stabilisierungsvorrichtungen, wie beispielsweise “dreieckige Stützgerüste”, angebracht werden, um das durch Windlasten verursachte Schwanken zu verringern.

Überwachung der Fundamentabsenkung

Das Eigengewicht der Stahlkonstruktion sowie die Baulasten können zu Setzungen des Fundaments führen, was sich wiederum auf die Lotrechtigkeit auswirkt. Daher müssen an den Fundamentplatten und an den Säulenfüßen Setzungsmesspunkte eingerichtet werden. Die Messungen sind alle drei Stockwerke durchzuführen. Sollte die Setzung an einem einzelnen Punkt bereits 5 Millimeter oder mehr betragen oder die Setzungsdifferenz zwischen benachbarten Punkten 3 Millimeter oder mehr betragen, muss die Bauausführung unterbrochen werden, um die Ursachen für diese Situation zu analysieren, wie z. B. ungleichmäßige Setzungen des Untergrunds, und Verstärkungsmaßnahmen zu ergreifen, beispielsweise durch Injektionsarbeiten. Die Bauarbeiten dürfen erst fortgesetzt werden, wenn sich die Setzungen stabilisiert haben.

IV. Technische Unterstützung: Digitalisierung als “gezielte Befähigung”

Vormontage und Simulation mit BIM-Technologie

Mithilfe von BIM werden 3D-Modelle der Stahlkonstruktion erstellt, um die Montagepositionen der einzelnen Bauteile, die Reihenfolge der Schweißarbeiten sowie mögliche Abweichungen – wie beispielsweise Schweißverformungen – im Voraus zu simulieren. Durch eine “virtuelle Vormontage” werden Kollisionen zwischen Bauteilen oder Maßkonflikte ermittelt, sodass die Fertigungsgenauigkeit bereits im Vorfeld angepasst werden kann; Während der Bauphase wird das BIM-Modell in Echtzeit mit den vor Ort erfassten Messdaten, wie beispielsweise den Koordinaten der Säulenspitzen, abgeglichen, um daraus ein “Abweichungs-Heatmap” zu erstellen, das als Leitfaden für die erforderlichen Anpassungen dient.

Automatisches Überwachungssystem

Bei extrem hohen Stahlkonstruktionen mit einer Höhe von mindestens 100 Metern kann ein “automatisches Überwachungssystem” installiert werden.

Der “Neigungssensor” und das “GPS-Ortungsgerät” werden an der Oberseite des Hauptbauteils angebracht, um in Echtzeit Daten zur Vertikalität zu erfassen; die Abtastrate beträgt 1 Mal pro Minute.

Die Daten werden an die Verwaltungsplattform übertragen. Wenn die Abweichung den Warnwert überschreitet – beispielsweise 10 mm erreicht –, wird automatisch eine Warnmeldung gesendet, um ein rechtzeitiges Eingreifen zu ermöglichen.

V. Abnahmekriterien: Festlegung eines “Grenzwerts für die Konformität”

Nach Abschluss der Bauarbeiten muss die Abnahme der Vertikalität den Anforderungen der Norm entsprechen:

Für die Lotrechtigkeit eines einzelnen Säulenabschnitts gelten zulässige Abweichungen, deren Bereich bei höchstens einem Tausendstel der Höhe des Säulenabschnitts und höchstens fünfzehn Millimetern liegt, wobei die Höhe des Säulenabschnitts hier mit H bezeichnet wird.

Die zulässige Abweichung der vertikalen Ausrichtung der Gesamtkonstruktion beträgt höchstens ein Tausendstel der Gesamthöhe der Konstruktion und höchstens 30 Millimeter, wobei die Gesamthöhe der Konstruktion hier mit H bezeichnet wird.

Führen Sie mit dem Totalstation Messungen aus mindestens drei verschiedenen Richtungen durch und verwenden Sie den Maximalwert als Endergebnis.

Zusammenfassung

Bei der Kontrolle der Vertikalität von Stahlkonstruktionen in Hochhäusern gilt folgender Grundsatz: “Kontrolle an der Quelle, anschließende schichtweise Anpassung, dynamische Überwachung und schließlich Anpassung an die Umgebung.” Mithilfe hochpräziser Messgeräte, standardisierter Bauabläufe und digitaler Technologien werden Abweichungen innerhalb der normativen Grenzen gehalten. Im Mittelpunkt steht dabei der Ansatz “Prävention als Leitprinzip, Korrektur in Echtzeit”, um zu verhindern, dass sich Abweichungen akkumulieren und Sicherheitsrisiken für die Konstruktion entstehen.