鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺模架裝備技術(shù)研究及應(yīng)用

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 大中里項目工程概況

上海大中里綜合發(fā)展項目位于靜安區(qū)南京西路、石門一路，本項目包括3 座酒店、2 座塔樓和綜合商業(yè)購物中心等，其中T2塔樓54 層高250 m（圖1）。項目整體4 層地下室。項目總建筑面積為486 740 m2，其中地上建筑面積312 356 m2，地下建筑面積174 384 m2。毗鄰現(xiàn)有的上海軌交2號線和發(fā)展中的12號及13號線。

圖1 上海大中里綜合發(fā)展項目

T2塔樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。主要由核心筒、外圍鋼框架、伸臂桁架和樓層系統(tǒng)構(gòu)成。核心筒位于整個結(jié)構(gòu)的中心位置，其核心筒由核心筒筒壁、核心筒內(nèi)墻（包括暗柱）、梁和板組成，核心筒筒壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。核心筒典型平面布置如圖2所示。T2塔樓核心筒平面呈長方形，筒體軸線約為30.000 m×18.000 m，地上標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2 m，非標(biāo)準(zhǔn)層層高有4.3 m、2.4 m 、5.18 m、6.175 m等多種。核心筒分別在21夾層、38層設(shè)置2 道伸臂桁架層，桁架沿外墻面貫通。核心筒墻體平面有1 次變化，有15 個典型平面（外墻收分），隨著高度變化，墻體厚度逐步減少。核心筒筒壁厚度地上部分最厚為1 500 mm，收分后最薄400 mm，核心筒內(nèi)墻厚度為400 mm（見表1）。

圖2 T2塔樓核心筒典型平面

2 整體爬升鋼平臺模架方案選擇及應(yīng)用思路

2.1 核心筒工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

大中里T2塔樓核心筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，對其模板裝備也提出了較高的需求，同時垂直交通運(yùn)輸?shù)囊笠埠芨?。工程特點(diǎn)、具體情況有：

（a）核心筒外墻收分多次，每次收分50～200 mm不等，因此需要對外掛腳手架進(jìn)行專門的設(shè)計優(yōu)化，以適應(yīng)墻體收分的要求。

表1 1層以上墻厚統(tǒng)計表

（b）核心筒共54 層，結(jié)構(gòu)超高，對模板體系的選擇、垂直運(yùn)輸能力、操作平臺的施工安全性、便利性都提出了很高的要求。

（c）核心筒在非標(biāo)層設(shè)置了2 道伸臂桁架層，桁架層與外墻連通，給模板腳手體系的設(shè)計以及提升施工帶來較大的困難。

（d）塔樓層高變化較多，分別有4.2 m、4.3 m、2.4 m 、5.18 m、6.175 m等多個層高，對模架系統(tǒng)的設(shè)計和爬升操作帶來一定困難。

（e）核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)置多根勁性鋼柱，無法利用其勁性鋼柱爬升施工。

根據(jù)大中里項目的特點(diǎn)與難點(diǎn)，在本工程的核心筒施工中，我們采用上海建工集團(tuán)自主獨(dú)立開發(fā)的鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺模架裝備。該模架裝備通過鋼梁組成的鋼平臺與腳手架連接，形成全封閉的操作施工平臺，利用鋼柱和支撐筒架交替支撐爬升，液壓為動力的模架體系。該裝備隨結(jié)構(gòu)施工逐層爬升，具有爬升快捷，施工作業(yè)環(huán)境安全可靠、施工方便、施工質(zhì)量有保證、經(jīng)濟(jì)性顯著等多方面的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 整體爬升鋼平臺施工主要技術(shù)思路

上海靜安大中里T2主樓核心筒混凝土結(jié)構(gòu)施工，堅持以核心筒水平結(jié)構(gòu)與豎向結(jié)構(gòu)分別施工的原則。

（a）核心筒剪力墻先行施工，水平結(jié)構(gòu)落后豎向結(jié)構(gòu)6～10層，鋼結(jié)構(gòu)施工落后于核心筒豎向結(jié)構(gòu)施工6～10層。

（b）核心筒在5層（21.995 m）以下采用傳統(tǒng)腳手架進(jìn)行施工，±0.00 m以上內(nèi)、外模板均采用鋼大模進(jìn)行施工。5層開始安裝鋼平臺，鋼平臺安裝結(jié)束后用鋼平臺完成5層（21.995 m）～屋面1層（224.275 m）樓層的施工。屋面1層（224.275 m）～屋面3層（233.400 m），鋼平臺部分停留，另一部分繼續(xù)爬升，施工2 個層高。

（c）在5層（21.995 m）標(biāo)高上焊接鋼平臺安裝支架，組裝鋼平臺。鋼平臺的組裝采用塔吊來完成。

（d）結(jié)構(gòu)施工至233.400 m標(biāo)高，完成屋面3層施工后，拆除鋼平臺。拆除采用塔吊分塊拆除的方法。

（e）在內(nèi)、外掛腳手架系統(tǒng)布置一定數(shù)量的樓梯供施工人員上下，另外，核心筒中間筒體內(nèi)布置1 部垂直電梯直達(dá)鋼平臺上，方便施工平臺垂直運(yùn)輸。

3 整體爬升鋼平臺模架裝備的設(shè)計

鋼柱筒架交替支撐式整體液壓爬升鋼平臺模架裝備由五大系統(tǒng)組成，分別是鋼平臺系統(tǒng)、內(nèi)外掛腳手架系統(tǒng)、爬升機(jī)械及支撐系統(tǒng)、動力及控制系統(tǒng)、模板系統(tǒng)。該裝備的外觀如圖3、圖4所示。

圖3 整體爬升鋼平臺外觀

圖4 整體爬升鋼平臺現(xiàn)場平面

3.1 鋼平臺系統(tǒng)

鋼平臺系統(tǒng)在正常施工時處于整個裝備的頂部，作為施工人員的操作平臺及鋼筋堆放場所。系統(tǒng)由平臺鋼梁、平臺蓋板、平臺圍擋等構(gòu)成。

大中里T2塔樓鋼平臺的主梁及次梁均由H型鋼400 mm×200 mm×8 mm×13 mm組成，位于同一水平面。鋼梁的布置綜合考慮導(dǎo)軌立柱位置、內(nèi)外腳手架位置、鋼平臺的整體受力情況等諸多因素。在鋼梁上根據(jù)施工實際情況覆蓋鋼板，作為操作平臺。平臺鋼板由6 mm花紋鋼板及40 mm×60 mm方管焊接組成。部分位置可采用可翻起式鋼板，在施工需要時將該位置平臺板翻起。在鋼平臺的外周邊一圈設(shè)置2 m高的擋板網(wǎng)，以防止人、物等高空墜落。整個鋼平臺外邊緣距離核心筒剪力墻內(nèi)壁1 400 mm，鋼平臺面積約為690 m2。

3.2 內(nèi)外掛腳手架系統(tǒng)

內(nèi)外掛腳手系統(tǒng)以螺栓固定于鋼平臺的鋼梁底部，隨鋼平臺同步爬升。系統(tǒng)由槽鋼、鋼管組成框架，共6 層。上3層為鋼筋、模板施工區(qū)，其高度為2.00 m/層，寬度為0.90 m；下3層為拆模整修區(qū)，其高度為2.00 m/層，寬度為0.70 m；腳手架邊緣距離墻體內(nèi)壁400 mm。上5層的走道板為角鋼框架加鋼板網(wǎng)組成，底層的走道板為角鋼框架加花紋鋼板組成。在內(nèi)、外掛腳手的底部靠近混凝土墻體處設(shè)防墜閘板，爬升時閘板松開，施工時閘板閘緊墻面，防止構(gòu)件掉落。

內(nèi)掛腳手系統(tǒng)由安裝在6 個筒內(nèi)獨(dú)立的構(gòu)架部分組成，每個筒內(nèi)底部安裝支撐牛腿。其中一個構(gòu)架筒內(nèi)設(shè)置1 部電梯，該電梯可直接到達(dá)鋼平臺面，進(jìn)行施工人員和機(jī)具的垂直運(yùn)輸工作。

外掛腳手系統(tǒng)的外側(cè)用角鋼框加鍍鋅鉛絲網(wǎng)組成的側(cè)擋板封閉。

圖7 外掛腳手架平面

圖8 外掛腳手架

3.3 爬升機(jī)械及支撐系統(tǒng)

整體爬升鋼平臺模架裝備的爬升機(jī)械系統(tǒng)包括爬升導(dǎo)軌鋼柱、立柱底座、上下爬升器等。爬升導(dǎo)軌鋼柱既是鋼平臺爬升時整個鋼平臺的支撐構(gòu)件，又是動力系統(tǒng)工作時的爬升導(dǎo)軌。當(dāng)油缸頂升鋼平臺，帶動平臺及外掛腳手架系統(tǒng)整體爬升時，整個鋼平臺體系的荷載經(jīng)由導(dǎo)軌鋼柱直接傳遞到核心筒混凝土墻體上。

支撐系統(tǒng)由內(nèi)筒架系統(tǒng)組成，內(nèi)筒架系統(tǒng)與鋼平臺連接成整體，鋼平臺利用內(nèi)筒架底部的牛腿支撐在核心筒墻體上，是施工狀態(tài)整體鋼平臺體系的承重構(gòu)件。鋼平臺及腳手架系統(tǒng)的荷載由內(nèi)筒架的立柱傳遞到底部鋼梁，再由安裝在底部鋼梁上的支撐牛腿傳遞到核心筒混凝土墻體上。

3.3.1 爬升機(jī)械系統(tǒng)

爬升導(dǎo)軌鋼柱由2 塊16 mm、2 塊20 mm的Q345材質(zhì)鋼板焊接而成。其中20 mm厚的鋼板上沿其長度方向每隔200 mm開一個90 mm×90 mm的孔洞用以擱置爬升靴活絡(luò)卡。爬升導(dǎo)軌鋼柱立面圖如圖9所示。

3.3.2 筒架支撐系統(tǒng)

筒架支撐系統(tǒng)由安裝在六宮格核心筒內(nèi)的6 個獨(dú)立的筒架部分組成，每個筒內(nèi)安裝4（6）個支撐牛腿。內(nèi)筒架從頂部鋼平臺梁底到最底層鋼梁共分為6 層，其中1層至3層為鋼筋及模板施工段；6層為牛腿支撐系統(tǒng)所在層。牛腿支撐系統(tǒng)是整個鋼平臺體系正常工作時的主要受力構(gòu)件，是鋼平臺設(shè)計的關(guān)鍵部位。鋼牛腿使用液壓系統(tǒng)完成牛腿外伸與收縮動作，油缸行程430 mm，牛腿的動作全自動化控制，安全可靠。

3.4 動力及控制系統(tǒng)

動力系統(tǒng)由4 臺液壓泵站，22 套液壓頂升油缸和1 套集中控制系統(tǒng)組成。

大中里項目核心筒設(shè)置22 根導(dǎo)軌立柱，每個導(dǎo)軌立柱裝有2 套上、下爬升器，每套爬升器配有1 個頂升油缸，可以實現(xiàn)整個工作平臺的整體同步爬升。同時通過手動控制，也能對每個油缸進(jìn)行單獨(dú)控制。

每個導(dǎo)軌立柱的2 個油缸的速度由對應(yīng)的控制閥組進(jìn)行控制。每個立柱配備1 個壓力傳感器和1 個位移傳感器，用以監(jiān)測每個立柱的爬升位移和所承受的反作用載荷。

動力系統(tǒng)配有蓄能器和自動卸荷閥，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，自動卸荷閥打開，同時油泵停止工作，系統(tǒng)壓力由蓄能器維持，從而實現(xiàn)了綠色環(huán)保的要求。每個立柱的速度由脈寬調(diào)整閥進(jìn)行控制，通過控制閥打開的時間來控制對每個立柱的供油量，從而控制爬升速度。鋼平臺液壓油缸如圖10所示，液壓油缸工作參數(shù)見表2。

表2 液壓油缸工作參數(shù)

3.5 模板系統(tǒng)

大中里項目核心筒模板系統(tǒng)采用鋼框木模，核心筒5 層施工時開始使用。采用－18 mm×1 220 mm×2 440 mm維薩芬蘭板作為面板；雙拼10#槽鋼為橫向圍檁，平均間距為700 mm；采用6#槽鋼為豎向圍檁，間距≤250 mm，模板接縫處型鋼為角鋼63 mm×6 mm，模板中芬蘭板豎向接縫處采用型鋼為不等邊角鋼100 mm×63 mm×6 mm；芬蘭板與型鋼的連接為M8+字槽沉頭平螺釘（加彈墊），間距為150 mm。模板按標(biāo)準(zhǔn)層層高4 200 mm配置，非標(biāo)準(zhǔn)層施工時上接接高模板。

圖9 爬升導(dǎo)軌鋼柱

圖10 液壓油缸

每塊大模板上設(shè)置2 個16 mm鋼板吊耳，每個吊耳用3 t手拉葫蘆掛在鋼平臺鋼大梁吊點(diǎn)上，隨鋼平臺整體爬升。

4 主要施工技術(shù)應(yīng)用

4.1 核心筒標(biāo)準(zhǔn)層施工技術(shù)

圖11 整體鋼平臺剖面示意

本工程核心筒標(biāo)準(zhǔn)層層高4 200 mm，鋼平臺隨核心筒結(jié)構(gòu)升高逐層爬升，每完成1 段標(biāo)準(zhǔn)層施工，鋼平臺爬升1 次。鋼平臺標(biāo)準(zhǔn)層具體施工流程如下：

（a）標(biāo)準(zhǔn)層混凝土養(yǎng)護(hù)階段，模架裝備在第n層，鋼平臺系統(tǒng)位于剛澆注完成的核心筒混凝土頂面。鋼平臺爬升工作準(zhǔn)備就緒。

（b）通過液壓油缸不斷循環(huán)伸縮，鋼平臺爬升4 200 mm，模架裝備爬升到n+1層，內(nèi)筒架支撐系統(tǒng)的牛腿外伸，使其擱置在核心筒墻體預(yù)留孔內(nèi)。

（c）扳動爬升操作手柄，轉(zhuǎn)變?yōu)轫斏撝鶎?dǎo)軌狀態(tài)。

（d）通過液壓油缸不斷循環(huán)伸縮，反頂鋼柱導(dǎo)軌，鋼柱導(dǎo)軌被提升1 個標(biāo)準(zhǔn)段高度（4 200 mm）。

（e）吊裝核心筒勁性柱和綁扎鋼筋，埋設(shè)支撐牛腿預(yù)埋件，安裝鋼柱導(dǎo)軌固定埋件。

（f）提升鋼框木模，安裝模板穿墻對拉螺栓，進(jìn)行工程驗收，鋼柱導(dǎo)軌就位。

（g）利用設(shè)置在鋼平臺頂部的混凝土布料機(jī)，進(jìn)行核心筒澆筑混凝土；

（h）混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，進(jìn)入下一個n+1標(biāo)準(zhǔn)層施工循環(huán)。

4.2 伸臂桁架層爬升方法

大中里T2塔樓核心筒結(jié)構(gòu)在21夾層～22層、38～39層分別設(shè)置了2 道貫通伸臂桁架，每道桁架覆蓋1 個樓層。因桁架為型鋼，需考慮其分段滿足吊裝空間要求；另外，在角部桁架牛腿未超出鋼平臺外圈鋼梁，因此只需打開鋼平臺踏步板，就能滿足伸臂桁架吊裝需求。其余按鋼平臺過標(biāo)準(zhǔn)層的流程施工。

4.3 核心筒外墻體收分施工技術(shù)

大中里T2塔樓核心筒結(jié)構(gòu)分別施工至13層、21層、21夾層、 29層、36層、39層、46層后，外墻體的收分為50～200 mm。對收分小的尺寸采取補(bǔ)缺的方法。對收分尺寸大的樓層，采取腳手架向墻體移動的施工方法。 以13層為例，主要流程如下：

（a）結(jié)構(gòu)施工至16層鋼平臺停留。

（b）將單側(cè)腳手架內(nèi)立桿用通長腳手管連接成整體，每個踏步用1 根腳手管連接。

（c）將最上端1 根連桿用手拉葫蘆和對應(yīng)大梁連接，使手拉葫蘆稍微受力。

（d）拆除轉(zhuǎn)交處的走道板、腳手架側(cè)網(wǎng)、預(yù)留鋼梁、上部圍網(wǎng)等相關(guān)所有構(gòu)件。

（e）拆除滑移鋼梁和軌道鋼梁之間的連接螺栓，使滑移鋼梁能夠沿軌道鋼梁滑動。

（f）均勻拉動手拉葫蘆使成排腳手架整體向墻體方向移動200 mm。

（g）重新連接上部鋼梁、圍網(wǎng)、腳手走道板、側(cè)網(wǎng)，完成腳手架內(nèi)移工作。

4.4 內(nèi)筒架防傾斜措施

考慮提升導(dǎo)軌鋼柱、鋼柱底座節(jié)點(diǎn)視為鉸支的懸臂立柱不利情況，我們在每個內(nèi)筒的角部各設(shè)置2 套防傾裝置，在整體鋼平臺爬升過程中起到一個導(dǎo)向和抵抗水平力的作用，形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。

4.5 垂直交通運(yùn)輸優(yōu)化技術(shù)

為滿足垂直交通的需求，除在內(nèi)、外掛腳手系統(tǒng)布置一定數(shù)量的樓梯供施工人員上下外，同時利用在六宮格中間筒體內(nèi)布置1 臺電梯直達(dá)鋼平臺上，作為平臺體系的豎向通道滿足施工要求。電梯與鋼平臺上有拉結(jié)，平臺爬升時，拉結(jié)拆除。鋼平臺爬升1 層，電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)接高1 層。見圖12所示。

圖12 電梯直達(dá)鋼平臺

4.6 液壓整體爬升電氣控制技術(shù)

為保證鋼平臺裝備的整體爬升穩(wěn)定性和安全，在每一次爬升過程中，利用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)高精度的同步控制。PLC實時監(jiān)控每一點(diǎn)的位移，當(dāng)某一點(diǎn)有較大滯后或超前時進(jìn)行停機(jī)保護(hù)并在HMI上報警顯示報錯點(diǎn)。PLC實時檢測每一點(diǎn)的壓力，當(dāng)某一點(diǎn)有較大偏載時報警停機(jī)。

液壓系統(tǒng)配有蓄能器和自動卸荷閥，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，自動卸荷閥打開同時油泵停止工作，系統(tǒng)壓力由蓄能器維持。每個立柱的速度由脈寬調(diào)整閥進(jìn)行控制，通過控制閥打開的時間來控制對每個立柱的供油量，從而控制爬升速度。每一路油缸進(jìn)油嘴處加液控單向閥，防止發(fā)生故障不能供油時油缸能夠自鎖，保證油缸能夠正常承載。

4.7 鋼平臺施工安全技術(shù)措施

為了有效保證鋼平臺模架裝備使用過程中的安全性，我們編制了操作規(guī)程和一系列的技術(shù)安全措施。

（a）作業(yè)層每1 m2架面上的施工荷載（人員、材料和機(jī)具重量）不得超過3 kN施工設(shè)計值，同時施工步數(shù)不超過2 步。

（b）在鋼平臺上堆放鋼筋等材料時，應(yīng)平均分布并盡量將材料堆放在核心筒內(nèi)側(cè)的鋼平臺上，不得集中堆載；

（c）所有腳手外側(cè)均有側(cè)網(wǎng)封閉，由角鋼框加鋼絲網(wǎng)組成，防止人、物等墜落；

（d）所有頂升鋼平臺的操作人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)；除電氣控制操作人員外，其他人不得進(jìn)入電氣控制室、嚴(yán)禁操作電氣控制室中的設(shè)備；

（e）如遇8 級以上大風(fēng)或大雨、大雪、大霧等惡劣天氣情況，不得頂升鋼平臺；

（f）當(dāng)遇到8 級（包含8 級）以上大風(fēng)或雷雨等惡劣天氣時，應(yīng)禁止在鋼平臺上作業(yè)，并及時撤離施工人員。鋼平臺體系在使用時，如遇12 級以上大風(fēng)，應(yīng)增加外掛腳手架與模板系統(tǒng)之間的拉結(jié)裝置，加強(qiáng)腳手架與核心筒的連接，共同抵抗風(fēng)荷載的作用。

5 結(jié)語

本文通過上海大中里綜合發(fā)展項目T2塔樓核心筒的施工，綜合闡述了鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺模架裝備技術(shù)的應(yīng)用，在本次技術(shù)應(yīng)用中，取得了顯著的施工效果，標(biāo)準(zhǔn)層施工可以達(dá)到4～5 d/層，極大提高施工效率。同時，該系統(tǒng)利用鋼柱導(dǎo)軌和筒架交替支撐技術(shù)，避免了以往預(yù)埋格構(gòu)柱支撐結(jié)構(gòu)的浪費(fèi)，大部分主體設(shè)備都可重復(fù)使用，降低了工程投入，取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。在施工中，鋼平臺架體平穩(wěn)，爬升快捷，作業(yè)環(huán)境安全可靠，施工方便，鋼平臺操作面平坦，堆載能力大，滿足了很多施工方需求；架體組合方式靈活，能夠簡單有效解決核心筒伸臂桁架層的施工難題；采用外掛腳手架整體滑移的施工技術(shù)，解決了核心筒外墻多次收分的施工難題；垂直施工電梯直達(dá)鋼平臺頂部，提高了垂直運(yùn)輸?shù)氖┕ば?。此套裝備在大中里的項目的成功應(yīng)用，拓展了整體鋼平臺模架的使用，完善了鋼平臺施工應(yīng)用技術(shù)，為今后我國超高層、高聳構(gòu)筑等同類工程的施工起到了很好的促進(jìn)和示范作用。

鳴謝：本項研究工作得到了上海市科學(xué)技術(shù)委員會的大力資助，資助課題名稱為《上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心》，編號為12DZ2251500。