超高層建筑施工電梯空中托換平臺(tái)體系的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，超高層建筑日益增多。超高建筑體量大、高度高，施工人員與材料運(yùn)輸量極大，因此施工電梯是超高層建筑施工中關(guān)鍵性垂直運(yùn)輸裝備[1-3]，施工電梯垂直運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理與否直接影響到施工工期、建造成本，是超高層領(lǐng)域的重要施工技術(shù)之一。當(dāng)前針對(duì)施工電梯應(yīng)用研究的最大使用高度多為450 m以下[4-6]，針對(duì)450 m以上的研究則較少。當(dāng)施工電梯使用高度超過450 m以后，垂直運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度急劇增大，主要體現(xiàn)在：隨使用高度的增加，降效系數(shù)增大[7]；施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)需采用超重型、重型、普通型混合配置的方式，工藝極為繁瑣，經(jīng)濟(jì)性也較差；將長(zhǎng)期占用一部分永久結(jié)構(gòu)施工空間，對(duì)總體施工計(jì)劃造成重大影響。

1 工程概況

上海中心大廈位于浦東新區(qū)陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)Z3-1、Z3-2地塊，毗鄰金茂大廈及上海環(huán)球金融中心，建成后將成為上海城市的新地標(biāo)。工程占地面積約3.1 萬m2，總建筑面積約57 萬m2。建筑地上121 層、地下5 層，建筑總高度632 m，結(jié)構(gòu)總高度為580 m，屋頂皇冠鋼結(jié)構(gòu)位于整棟建筑頂部。

根據(jù)各施工階段垂直運(yùn)輸?shù)男枨蠓治雠c統(tǒng)計(jì)，確定了施工電梯分階段使用方案，共在核心筒內(nèi)布置10 臺(tái)施工電梯，施工后期利用部分永久電梯進(jìn)行適時(shí)轉(zhuǎn)換，施工電梯平面布置及運(yùn)行區(qū)間見圖1。受核心筒內(nèi)主體結(jié)構(gòu)布置的制約，L1、L2施工電梯無法利用永久電梯井道布置，占用了梁板結(jié)構(gòu)的空間，其余均布置在永久電梯井道中。L2施工電梯基礎(chǔ)布置在基礎(chǔ)底板，下部出入口設(shè)置在首層，人員從地面進(jìn)入電梯，用于核心筒外框架結(jié)構(gòu)的施工，兼顧主樓低區(qū)前期施工階段使用。L1基礎(chǔ)布置在基礎(chǔ)底板，用于核心筒墻體施工，下部出入口設(shè)置在首層，人員從地面進(jìn)入電梯，中間不?？?，使用中直達(dá)核心筒墻體頂部鋼平臺(tái)。

圖1 施工電梯平面布置

2 施工電梯托換平臺(tái)體系設(shè)計(jì)

L1、L2施工電梯的最大設(shè)計(jì)使用高度為450 m，而本工程中L1的實(shí)際使用總高度達(dá)610 m，L2的使用高度也超過450 m，均不能滿足施工電梯技術(shù)性能要求。為此，需對(duì)施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)采取特殊的加強(qiáng)措施，使其滿足610 m的使用要求，但這樣既不經(jīng)濟(jì)，也會(huì)長(zhǎng)期占用核心筒E區(qū)的結(jié)構(gòu)施工、設(shè)備安裝空間，進(jìn)而影響總進(jìn)度計(jì)劃。另外一種解決方案，是當(dāng)電梯的使用高度達(dá)到450 m前，通過搭設(shè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)基礎(chǔ)平臺(tái)完成施工電梯的置換。如采用原位置換，則施工時(shí)間過長(zhǎng)，并且難以解決塔吊操作人員的交通問題；如采用異位置換，需對(duì)鋼平臺(tái)模架體系進(jìn)行較大的改造加固，并且會(huì)打亂原有的施工電梯垂直運(yùn)輸系統(tǒng)，因此均不可取。

經(jīng)綜合考慮，決定采用托換處理方案，即當(dāng)核心筒施工至一定高度時(shí)，通過加設(shè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)托換結(jié)構(gòu)對(duì)L1、L2施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)實(shí)行受力轉(zhuǎn)換，快速完成施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的體系轉(zhuǎn)換。

2.1 確定托換平臺(tái)設(shè)置樓層

最佳的托換平臺(tái)設(shè)置樓層需滿足以下幾個(gè)條件：施工電梯使用高度在托換前后均小于最大設(shè)計(jì)使用高度；托換前后的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)總長(zhǎng)度基本一致，便于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)配置；托換結(jié)構(gòu)平臺(tái)擱置處主體結(jié)構(gòu)滿足受力要求，盡可能不進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固；結(jié)合工程的總體進(jìn)度計(jì)劃，盡可能不占用絕對(duì)施工工期。為方便分析，將L1施工電梯的各標(biāo)高空間關(guān)系示于圖2，由圖可見，L1的總服務(wù)高度滿足公式（1）要求：

假定托換前后的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)總長(zhǎng)度相等，即h1=h2。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)核心筒領(lǐng)先外圍結(jié)構(gòu)約20～25F，標(biāo)準(zhǔn)層高為4.5 m，由此可知核心筒的領(lǐng)先高度大約為h≈100 m，可得h1、h2的高度為：h1=h2=（H+h）/2=355 m

圖2 L1施工電梯托換立面關(guān)系示意

可得托換平臺(tái)設(shè)置高度為h1-h=255 m，此時(shí)上段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度與下段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的總高度匹配性效果為最佳。48F的核心筒連梁為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，將托換平臺(tái)擱置其上，經(jīng)計(jì)算不需進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固即能滿足受力要求，因此決定施工電梯托換在48F（標(biāo)高+224.2 m）實(shí)施。實(shí)際48F外框結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，核心筒完成72F（標(biāo)高+337.6 m），液壓頂升鋼平臺(tái)模板腳手體系正進(jìn)行空中變形改造施工，因此不占用結(jié)構(gòu)施工絕對(duì)工期。下段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的總高度為367 m，上段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的設(shè)置高度為360 m，均遠(yuǎn)小于最大設(shè)計(jì)使用高度450 m的指標(biāo)，滿足施工電梯技術(shù)要求。

2.2 托換后交通組織及防護(hù)方案

托換施工完畢后拆除下部人貨兩用電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，采用封閉施工的方法將核心筒分為上下2 個(gè)獨(dú)立施工段，下方的核心筒施工段可進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工及設(shè)備安裝。人員、物資及設(shè)備由L6、L7施工電梯直接到達(dá)49F，或通過L4、L5及L8、L9接力的方式到達(dá)49F，再換乘L1、L2施工電梯分別到達(dá)核心筒頂部、外圍施工樓層。為此在49F布置通行棧橋便于人員進(jìn)出電梯。核心筒施工時(shí)，在48F墻面預(yù)先留設(shè)16#工字鋼牛腿，并在其上擱置16#工字鋼邊梁，與托換平臺(tái)共同組成硬隔離平臺(tái)框架，托換實(shí)施階段在硬隔離平臺(tái)框架上密鋪14#工字鋼連梁，隨后鋪設(shè)由三花紋鋼板面板及40 mm×4 mm角鋼邊框組成的平臺(tái)面板，共同形成硬隔離系統(tǒng)，保證下方結(jié)構(gòu)、設(shè)備吊裝施工的安全。

2.3 托換平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析

2.3.1 托換平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

托換平臺(tái)結(jié)構(gòu)由主梁及次梁組成，主梁、次梁均為工廠化加工的焊接工字鋼，托換平臺(tái)平面布置示于圖3。其中，GL-1通長(zhǎng)加工，GL-2采用分段加工、現(xiàn)場(chǎng)拼接成型。4根主梁組成井字形骨架，并擱置在勁性混凝土連梁上，主梁與勁性混凝土連梁上的預(yù)埋件采用角焊縫焊接。預(yù)埋件由面板及錨板焊接而成，板厚均為20 mm，錨板與連梁內(nèi)的鋼骨采用角焊縫焊接，面板預(yù)留2 個(gè)澆搗孔，確保連梁混凝土能澆搗密實(shí)，次梁為傳力構(gòu)件，將施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)傳遞至主梁。

圖3 托換平臺(tái)結(jié)構(gòu)平面布置

施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與托換平臺(tái)之間的荷載傳遞通過轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)完成，其立面及平面見圖4、圖5。轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由上托梁、下托梁、墊梁及角撐組成。角撐一側(cè)與托梁焊接、另一側(cè)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱焊接后，方可將下部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拆除。墊梁與主次梁連接后，將立柱下端與托梁焊接，方能完成體系的受力轉(zhuǎn)換。

圖4 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)立面示意

圖5 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)平面示意

2.3.2 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

為分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度性能，利用有限元軟件SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件建立整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了分析，主體結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?、面板采用殼單元模擬。最大應(yīng)力比約為0.8，滿足設(shè)計(jì)要求，豎向最大變形為8.44 mm，滿足規(guī)范要求。

為保證結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期工作安全可靠，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗疲勞驗(yàn)算分析。計(jì)算得到托換平臺(tái)的最大動(dòng)彎矩為340.25 kN·m，焊接部位主體金屬應(yīng)力幅[8]為48.0 MPa。經(jīng)估算，托換結(jié)構(gòu)在服役期所經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)約為1.2×106次，按常幅疲勞模式計(jì)算得到的容許應(yīng)力幅為48.0 MPa，滿足要求。

3 托換施工要點(diǎn)

（a）核心筒48F施工時(shí)，在混凝土連梁上表面安裝預(yù)埋件便于托換平臺(tái)的擱置。在核心筒墻面預(yù)留16#工字鋼牛腿及16#工字鋼邊梁，為硬隔離平臺(tái)安裝做好準(zhǔn)備。

（b）48F樓面結(jié)構(gòu)施工完成后，安裝卸料平臺(tái)，將托換結(jié)構(gòu)各構(gòu)件吊運(yùn)至48F樓面，并移至核心筒的D區(qū)、H區(qū)、G區(qū)。同時(shí)在E區(qū)的47F搭設(shè)雙層安全網(wǎng)，保證托換施工時(shí)下方的安全。

（c）停止L1、L2電梯的運(yùn)行，由M1280D塔吊將2 根GL-1主梁自核心筒H區(qū)分別吊運(yùn)至E區(qū)，通過安裝在49F連梁梁底的神仙葫蘆進(jìn)行人工牽引安裝就位，在GL-1下方搭設(shè)懸掛操作腳手（圖6），準(zhǔn)備后續(xù)施工。

（d）由M1280D塔吊將GL-2分段由D區(qū)、H區(qū)吊運(yùn)至E區(qū)，通過人工牽引就位，并臨時(shí)固定。經(jīng)復(fù)測(cè)滿足定位要求后，施工GL-1、 GL-2的固結(jié)節(jié)點(diǎn)，隨后安裝次梁，形成托換平臺(tái)結(jié)構(gòu)的骨架體系。

（e）依次安裝轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的下托梁、上托梁，分別將角撐與托梁、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱焊牢。檢查合格后拆除下部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，并及時(shí)安裝轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的墊梁，通過加勁三角鋼板將立柱與墊梁焊牢。安裝轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的同時(shí)分區(qū)施工48F硬隔離平臺(tái)。

（f）托換施工各工序完成后（圖7），對(duì)施工電梯進(jìn)行檢測(cè)。符合要求后，L1、L2施工電梯重新啟用。

（g）利用原有標(biāo)準(zhǔn)節(jié)安裝2 個(gè)小型梯籠，自上而上依次拆除48F以下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)后，進(jìn)行核心筒E區(qū)48F以下的結(jié)構(gòu)施工及設(shè)備安裝。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景一

圖7 現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景二

4 結(jié)語

對(duì)施工電梯實(shí)施空中托換是滿足超高層建造要求的一項(xiàng)新技術(shù)，對(duì)解決施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)過高的問題具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，本文以上海中心大廈建造為背景，對(duì)托換平臺(tái)體系的設(shè)計(jì)及實(shí)施進(jìn)行了研究，取得了較好的效果，保障了上海中心大廈超高結(jié)構(gòu)的順利施工，也為同類工程提供了參考，并得到以下結(jié)論：

（a）通過實(shí)施托換，使施工電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)達(dá)到最優(yōu)化配置，降低了超高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的配置難度，節(jié)省了大量材料；

（b）通過施工電梯的空中托換，實(shí)現(xiàn)了核心筒的分段流水施工，以托換平臺(tái)為基礎(chǔ)形成硬隔離，保證了下部的結(jié)構(gòu)施工及設(shè)備安裝同步、安全進(jìn)行。