整體鋼平臺(tái)模架體系模塊庫構(gòu)建與模塊化設(shè)計(jì)

劉 鑫/LIU Xin

（1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2.上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201114）

1 引 言

近年來，隨著城市化的發(fā)展，越來越多的超高層建筑在各地涌現(xiàn)，超高層建筑的飛速發(fā)展對(duì)建造工藝與水平提出了越來越高的要求。整體爬升鋼平臺(tái)模架是適應(yīng)于超高混凝土結(jié)構(gòu)施工而研發(fā)的專業(yè)模架體系，具有整體性強(qiáng)、承載力高、安全封閉性好、施工高效等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)成為中國(guó)超高層混凝土結(jié)構(gòu)建造的主流裝備之一。整體鋼平臺(tái)模架的應(yīng)用幾乎覆蓋了超高層混凝土結(jié)構(gòu)施工的主要周期，其工作周期長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)、模架、布料設(shè)備、塔機(jī)、施工電梯等各類機(jī)械設(shè)備設(shè)施的協(xié)同集成應(yīng)用，具備推動(dòng)超高層混凝土結(jié)構(gòu)向工業(yè)化建造模式轉(zhuǎn)型升級(jí)的能力，如圖1所示。

圖1 面向超高混凝土結(jié)構(gòu)施工的整體鋼平臺(tái)模架設(shè)計(jì)

隨著超高層建筑數(shù)量的不斷增多，整體鋼平臺(tái)模架體系在不同工程項(xiàng)目之間實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)、進(jìn)而降低工程施工成本，逐漸成為了項(xiàng)目施工方案比選中關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。對(duì)整體鋼平臺(tái)模架體系進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)并構(gòu)建通用化模塊庫，是確保其實(shí)現(xiàn)較高周轉(zhuǎn)率和通用性的重要途徑之一?；谕ㄓ媚K庫開展整體鋼平臺(tái)模架的設(shè)計(jì)，不僅可以依托模塊庫實(shí)現(xiàn)整體鋼平臺(tái)模架標(biāo)準(zhǔn)部件的數(shù)字化，設(shè)計(jì)模型的可視化，還可做到以少變應(yīng)多變，達(dá)到節(jié)約投入、減少資源消耗的目的。

2 模塊庫構(gòu)建

實(shí)現(xiàn)整體鋼平臺(tái)模架裝備的模塊化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于對(duì)模架裝備各系統(tǒng)進(jìn)行建模，建立一個(gè)數(shù)字化、參數(shù)化的模型庫，便于設(shè)計(jì)開發(fā)人員使用和管理。

整體鋼平臺(tái)的參數(shù)化建模，并不意味著對(duì)鋼平臺(tái)模架體系進(jìn)行簡(jiǎn)單的拆分。模塊化拆分必須以功能性為核心，將整個(gè)鋼平臺(tái)體系分解成若干不同的模塊與子模塊。通過對(duì)這些模塊共同要素的歸納、替代、排除和擴(kuò)展，對(duì)其進(jìn)行分類管理。

對(duì)模塊庫進(jìn)行模塊分類時(shí)，需要盡量遵循“高內(nèi)聚，低耦合”的基本原則。高內(nèi)聚指的是一個(gè)模塊內(nèi)部各個(gè)要素彼此之結(jié)合的緊密程度高；低耦合則是指模塊與模塊之間互相聯(lián)系的緊密程度低。所以，模塊之間盡可能的獨(dú)立存在，盡可能的獨(dú)立完成某項(xiàng)特定的子功能，模塊與模塊的接口盡量的少而簡(jiǎn)單。

按標(biāo)準(zhǔn)化程度分類，可將模塊分成標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件指的是結(jié)構(gòu)尺寸固定不變的、通用的模塊，例如鋼平臺(tái)框架系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)跨墻連桿、鋼柱爬升系統(tǒng)中的爬升鋼柱和爬升靴組件、電液伺服控制系統(tǒng)中的液壓油缸等。非標(biāo)準(zhǔn)件指的是結(jié)構(gòu)尺寸和規(guī)格不一的拼配化模塊，這類模塊具有參數(shù)化和系列化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選用時(shí)通過對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定，可以快速得出所需的結(jié)構(gòu)模型，例如腳手吊架、走道板、圍擋板、抗風(fēng)連桿、防墜閘板、牛腿等。

按使用程度分類，可分為基本模塊、必選模塊、可選模塊和其他模塊。基本模塊是指在整體鋼平臺(tái)模架體系設(shè)計(jì)時(shí)，無論任何情況下，其功能和主體結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，是整個(gè)模架體系設(shè)計(jì)的基點(diǎn)，如頂部操作平臺(tái)，控制系統(tǒng)等。必選模塊是指根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境和要求，其主體結(jié)構(gòu)有較大變化，但功能性卻又是不可缺失的模塊，如鋼梁爬升模塊和鋼柱爬升模塊。可選模塊是指在設(shè)計(jì)和使用過程中，可以通過其他形式替代或者不需要集成在整體鋼平臺(tái)模架體系中的模塊，如照明等輔助模塊。

通過對(duì)這些模塊進(jìn)行分類管理，每個(gè)模塊可獨(dú)立設(shè)計(jì)、自由創(chuàng)新，有充分的自主性，而且不同組合可以構(gòu)成可變的、協(xié)調(diào)的、完整的體系。

3 基于模塊庫的設(shè)計(jì)流程

按使用程度分為基本模塊、必選模塊、可選模塊和其他模塊。以此作為模塊庫選用流程的基礎(chǔ)，常規(guī)流程如圖2所示。

首先，將結(jié)構(gòu)施工要求具化成參數(shù)，并作為選擇規(guī)則對(duì)各一級(jí)功能模塊進(jìn)行選擇。然后，逐級(jí)選擇設(shè)計(jì)，直至形成初步完整的設(shè)計(jì)內(nèi)容。最后，對(duì)接口和局部細(xì)節(jié)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，完成整個(gè)模塊化設(shè)計(jì)工作。

值得注意的是，在建立模塊庫時(shí)，模塊與模塊之間的功能關(guān)系可能相互交織，此時(shí)要預(yù)先考慮該模塊的功能和結(jié)構(gòu)的契合性，并進(jìn)行分類。另外，部分模塊需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，預(yù)留功能的擴(kuò)展余地，以提高模塊的通用性與兼容性。

4 設(shè)計(jì)案例

上海普陀真如副中心項(xiàng)目工程的塔樓為框架加核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒地上57層，結(jié)構(gòu)高度296.7m，墻體結(jié)構(gòu)變化明顯，過程中需進(jìn)行多次收分，且伸臂桁架層與勁性柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜。采用模塊庫構(gòu)建及模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅最大限度地避免了施工過程中的結(jié)構(gòu)碰撞，而且壓縮了設(shè)計(jì)周期，顯著提升超高層混凝土結(jié)構(gòu)建造裝備的集約化水平。

根據(jù)模塊庫的常規(guī)使用流程，首先根據(jù)功能性確定整體鋼平臺(tái)模架體系的幾大一級(jí)模塊，如圖3所示。一級(jí)模塊有鋼平臺(tái)系統(tǒng)、電液伺服控制系統(tǒng)、爬升與支撐系統(tǒng)、內(nèi)外架防護(hù)系統(tǒng)、大模板系統(tǒng)以及其輔助系統(tǒng)。

一級(jí)模塊的應(yīng)用功能如下。

1）鋼平臺(tái)系統(tǒng)主要為施工人員操作平臺(tái)，及材料、設(shè)備的堆放場(chǎng)所。

2）電液伺服控制系統(tǒng)由一套集中控制系統(tǒng)和若干液壓設(shè)備組成，為鋼平臺(tái)爬升提供動(dòng)力，控制同步爬升。

圖3 鋼柱爬升式鋼平臺(tái)功能系統(tǒng)圖

3）爬升與支撐系統(tǒng)是鋼平臺(tái)體系傳遞載荷、實(shí)現(xiàn)爬升的承重系統(tǒng)。

4）內(nèi)外架防護(hù)系統(tǒng)主要滿足于施工人員綁筋和支模、拆模。同時(shí)做到內(nèi)外圍護(hù)措施，防止高空墜落。

5）大模板系統(tǒng)用于混凝土澆筑。

6）輔助系統(tǒng)用于照明、監(jiān)控等。

將以上一級(jí)模塊按使用程度分類。①基本模塊：鋼平臺(tái)系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)；②必選模塊：爬升與支撐系統(tǒng)、內(nèi)外架防護(hù)系統(tǒng)和大模板系統(tǒng)；③可選模塊：輔助系統(tǒng)。

以鋼平臺(tái)系統(tǒng)為例，鋼梁布置需要綜合考慮核心筒結(jié)構(gòu)變化、鋼結(jié)構(gòu)件的吊裝、桁架層施工、模板施工、施工電梯與塔機(jī)位置、鋼平臺(tái)導(dǎo)軌立柱、內(nèi)外腳手架、整體受力情況等諸多因素。雖然鋼梁的結(jié)構(gòu)受這些因素制約，但其功能和主體結(jié)構(gòu)不曾改變，依然是通過框架模塊和標(biāo)準(zhǔn)跨墻連梁組合變化完成，故將其列為基本模塊，如圖4所示。

圖4 鋼平臺(tái)系統(tǒng)模塊分級(jí)圖

一級(jí)模塊鋼平臺(tái)系統(tǒng)由規(guī)格不一的標(biāo)準(zhǔn)單元框架、標(biāo)準(zhǔn)跨墻連梁及非標(biāo)單元框架等若干二級(jí)模塊通過標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接形成。其中，標(biāo)準(zhǔn)跨墻連梁可滿足剪力墻和伸臂桁架的吊裝要求。而三級(jí)模塊則包含了鋼平臺(tái)蓋板、格柵蓋板、圍擋等參數(shù)化非標(biāo)件，并采用了工具化的拼配技術(shù)。

以爬升與支撐系統(tǒng)為例。爬升與支撐系統(tǒng)可分為鋼梁頂升式和鋼柱提升式兩種形式，兩者功能相同，結(jié)構(gòu)完全不同，但又是整體鋼平臺(tái)模架體系中不可缺少的系統(tǒng)，故將其列為必選模塊，如圖5和圖6所示。

圖5 鋼梁頂升模塊

圖6 鋼柱提升模塊

根據(jù)工程特點(diǎn)的不同，需要選擇合適的爬升工藝。對(duì)于雙層剪力鋼板、伸臂桁架層吊裝，選用鋼梁頂升模塊，通過低位懸掛高度實(shí)現(xiàn)雙層剪力鋼板的作業(yè)要求。對(duì)于單層剪力鋼板、桁架層吊裝，選用鋼柱提升模塊即可。前者支撐在結(jié)構(gòu)側(cè)面，后者支撐在結(jié)構(gòu)頂部，并與支撐牛腿進(jìn)行交替爬升。鋼梁頂升模塊中，伸縮鋼梁作為二級(jí)模塊可適用于不同跨度的施工需求。鋼柱提升模塊中的二級(jí)模塊，爬升鋼柱、爬升靴及油缸等為標(biāo)準(zhǔn)定型構(gòu)件。豎向限位支撐和水平限位支撐為標(biāo)準(zhǔn)受力機(jī)構(gòu)。

以施工過程中的墻體收分情況為例，根據(jù)實(shí)際施工要求，將其參數(shù)化并制成選擇規(guī)則，以此為作為內(nèi)外架防護(hù)系統(tǒng)模塊的選擇依據(jù)，對(duì)模塊庫中的模塊進(jìn)行逐級(jí)選擇。如圖7所示。

圖7 施工工況與模塊選擇關(guān)系圖

5 結(jié) 語

超高層建筑施工中，整體鋼平臺(tái)模架體系的模塊化設(shè)計(jì)研究可顯著提升建造集約化水平，減少設(shè)計(jì)成本，避免重復(fù)生產(chǎn)帶來的資源浪費(fèi)，降低建造過程對(duì)環(huán)境的不良影響，達(dá)到降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品周轉(zhuǎn)率和通用性的目標(biāo)，促進(jìn)了我國(guó)超高層建筑綠色建造技術(shù)進(jìn)步。

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