300 m以上的超高層建筑施工核心建造裝備策劃及應(yīng)用

耿 濤

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

1 研究背景

伴隨著我國城市化進程加速，城市土地資源越來越稀缺，城市化發(fā)展對超高層建筑的需求將持續(xù)增長，超高層建筑的建造已經(jīng)是我國城市，尤其是中心城市發(fā)展的必然趨勢。在我國經(jīng)濟社會的發(fā)展進程中，正逐漸形成幾大區(qū)域發(fā)展中心，如長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)、京津環(huán)渤海灣地區(qū)、中原地區(qū)、西部地區(qū)和東北地區(qū)等，這些地區(qū)的中心城市CBD地區(qū)，都有大量在建或擬建的超高層建筑。

本文結(jié)合我公司最近幾年完工或正在施工的超高層建筑項目作為參考案例，包括已經(jīng)完工的高632 m的上海中心大廈，已竣工的高320 m的浦西第一高樓白玉蘭廣場（圖1），正在施工的高349 m的昆明恒隆廣場（圖2）和高358 m的吳江綠地等。

通過前期策劃，過程追蹤以及完工總結(jié)，對超高層建筑建造的主要關(guān)鍵技術(shù)路線等相關(guān)因素進行綜合分析，研發(fā)與其配套的適應(yīng)性強、自動化程度高、性能先進的核心建造裝備，滿足日益復(fù)雜的超高層建筑施工需求。

2 關(guān)鍵技術(shù)路線解析

2.1 基于復(fù)雜多變結(jié)構(gòu)體系的超高層建筑模架體系設(shè)計

圖1 上海白玉蘭廣場

圖2 昆明恒隆廣場

超高層建筑結(jié)構(gòu)體系中核心筒墻體和外框巨柱結(jié)構(gòu)會存在不同程度的截面收分、斜向變形和臨空變形等變化。同時由于體系內(nèi)伸臂桁架及剪力鋼板的存在，這些都給結(jié)構(gòu)施工帶來較大困難，因此必須在兼顧高效施工和安全施工的同時，設(shè)計出適應(yīng)性強的超高層模架體系[1-3]。

2.2 超高性能高強混凝土配制與泵送

1）高約束狀態(tài)高強混凝土防裂難度大。塔樓的核心筒墻體內(nèi)暗埋了大量剪力厚鋼板，鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋工程相互位置關(guān)系復(fù)雜，在超厚鋼板、大量配筋等強約束下的高強混凝土裂縫控制施工，以及混凝土澆筑密實性控制難度大。

2）高強混凝土的超高泵送性能要求高。越來越多的項目中要求將C70及以上標號的混凝土泵送至高300 m以上。考慮到地區(qū)材料的差異性以及一泵到頂?shù)氖┕すに?，對現(xiàn)有泵送設(shè)備的泵送能力提出了較高要求。

2.3 基于大噸位鋼結(jié)構(gòu)吊裝的超高空群塔布置

鋼結(jié)構(gòu)總量大，大量的主構(gòu)件為超重超大件，塔吊的選型及數(shù)量對工程成本影響較大。同時受結(jié)構(gòu)特點及場地條件所限，塔吊的安裝位置也將對堆場行車布置、運輸計劃、構(gòu)件的進場和安裝安排、輔助機械的停放等造成極大影響。

2.4 大體量垂直運輸系統(tǒng)設(shè)計與配置

超高層建筑工程體量超大，牽涉到同時段作業(yè)專業(yè)分包多，施工電梯布置的合理與否將直接影響工程進度，同時施工電梯后期與永久電梯的使用轉(zhuǎn)換合理與否將會是保證工程順利建造的關(guān)鍵。

3 超高層建筑建造技術(shù)路線簡析

3.1 總體施工技術(shù)路線

工期往往是超高層建筑建造最為關(guān)鍵的因素之一。而塔樓的工期作為關(guān)鍵線路又是重中之重，為確保其順利完成，我們一般會制訂塔樓區(qū)先進行施工、裙房區(qū)后續(xù)施工的總體思路，裙房區(qū)域可根據(jù)場地及周邊環(huán)境情況選擇逆作或順作的作業(yè)方式[4-5]。

例如在上海中心大廈和上海白玉蘭廣場的施工中，采用深大基坑中部先進行順作、裙房后續(xù)逆作相結(jié)合的高效分區(qū)支護技術(shù)，中部順作區(qū)域先進行施工，縮短主樓關(guān)鍵工期（圖3）。

圖3 上海中心大廈“主順裙逆”

3.2 地下室結(jié)構(gòu)施工技術(shù)路線

常規(guī)施工中，塔樓地下室結(jié)構(gòu)核心筒部分和外框部分往往同步施工，如能和圍護設(shè)計單位、結(jié)構(gòu)設(shè)計單位及早溝通，則可以進一步開創(chuàng)新思路，將支撐體系優(yōu)化，地下室核心筒避開支撐結(jié)構(gòu)先進行施工，外框結(jié)構(gòu)滯后施工。例如高349 m、地下4層的昆明恒隆廣場（圖4）塔樓地下室核心筒先進行施工，核心筒施工至6層時，安裝整體爬升鋼平臺模架體系。再如高300 m左右的上海恒基中心（圖5）塔樓在地下室施工至地下1層時，其中核心筒先進行施工，外框滯后施工，確保關(guān)鍵線路進度。

圖4 昆明恒隆廣場

圖5 上海恒基中心

3.3 上部結(jié)構(gòu)施工技術(shù)路線

塔樓上部結(jié)構(gòu)施工主要分為核心筒施工、巨柱混凝土結(jié)構(gòu)施工、外框鋼結(jié)構(gòu)施工和核心筒水平結(jié)構(gòu)及外框梁板施工，形成多階梯式工況。

塔樓核心筒結(jié)構(gòu)先進行施工，核心筒墻體作為關(guān)鍵線路先行施工并安裝模架體系，隨后進入正常施工節(jié)拍。

外框鋼結(jié)構(gòu)吊裝落后核心筒4～10層，外框梁板柱混凝土施工落后外框鋼結(jié)構(gòu)吊裝4～5層。其中核心筒內(nèi)水平梁板結(jié)構(gòu)與外框梁板柱混凝土施工同步。

幕墻施工則處于最后一個節(jié)拍，落后1～2個施工分區(qū)（圖6）。

圖6 階梯式施工立面示意

4 模架體系設(shè)計

4.1 主要考慮因素

1）超高空作業(yè)的安全可靠性。該套模架體系必須給作業(yè)人員提供安全的操作平臺，方便其施工。

2）頂升、爬升或提升的高效性。模架體系每一次的提升都能夠高效順利完成，盡量不影響主體結(jié)構(gòu)的施工進度。

3）由于結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性，需充分考慮因核心筒收分、墻體厚度變化帶來的不利影響，以便于在高空中的重新拆除與組裝。

4.2 常規(guī)模架體系適應(yīng)性分析

4.2.1 整體液壓鋼平臺模架體系

該體系由5大系統(tǒng)組成，分別是鋼平臺系統(tǒng)、全封閉腳手架系統(tǒng)、爬升系統(tǒng)、模板系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)。其中以混凝土結(jié)構(gòu)為支承點，以液壓油缸頂升或蝸輪蝸桿提升機為動力，通過交替支撐完成綜合爬升，并在兩側(cè)腳手架中完成各作業(yè)面的施工。該套體系主要用于超高層結(jié)構(gòu)的核心筒結(jié)構(gòu)的施工（圖7）。

優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1）提供大承載力整體施工平臺，解決超高空作業(yè)堆場問題。

2）體系自適應(yīng)能力強。針對筒體的多次變形收分，超高伸臂桁架層等特殊工況，能靈活應(yīng)對。

3）集成性高。平臺上裝載布料機解決超高空混凝土泵送，施工電梯直達鋼平臺，垂直運輸效率高。

其缺點最主要還是體現(xiàn)在造價方面，成本相比其他體系要高。

4.2.2 液壓爬模體系

液壓爬模體系由爬升機械系統(tǒng)、液壓動力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、操作平臺系統(tǒng)和大模板體系5大系統(tǒng)組成，采用液壓動力對導(dǎo)軌和爬架交替頂升，同時實現(xiàn)帶模爬升，是超高層結(jié)構(gòu)尤其是核心筒結(jié)構(gòu)的一種常用施工裝備（圖8）。

圖7 整體提升鋼平臺模架體系

圖8 液壓爬模體系

爬架僅僅在筒體外框提供封閉安全的操作平臺，內(nèi)部則還需借助井架或其他腳手體系才能完成同步施工，其架體高度和質(zhì)量都遠小于鋼平臺體系。

主要的優(yōu)點表現(xiàn)在有一定的適應(yīng)能力，針對結(jié)構(gòu)的收分變形，實現(xiàn)分段爬升、斜面爬升和帶模爬升，同時造價相對便宜些。缺點主要體現(xiàn)在整體性上，堆載能力欠缺，裝備集成能力差，施工效率和安全性要打些折扣。

4.2.3 整體提升腳手架體系

整體提升腳手架體系由腳手系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、防墜系統(tǒng)、防傾系統(tǒng)構(gòu)成。傳統(tǒng)的體系骨架由鋼管、綠網(wǎng)組成，安全性較差，我們在此基礎(chǔ)上進行研發(fā)改進，采用鋼板網(wǎng)模塊化設(shè)計的方法，實現(xiàn)了腳手體系雙維度的標準化設(shè)計與組裝，增強了超高層結(jié)構(gòu)施工中的適應(yīng)性和防火安全性。該體系可廣泛用于超高層核心筒或外框結(jié)構(gòu)的施工，并可衍生用于外圍的安全防護體系（圖9）。

新體系的優(yōu)點顯而易見，工具化的拼裝方式使得整個體系構(gòu)造簡單，成本低，提高了施工工效；缺點是自動化程度低，集成能力差，堆載能力欠缺。

5 大型機械塔吊配置

這里主要針對塔樓上部結(jié)構(gòu)展開分析，裙房以及地下室結(jié)構(gòu)不作討論。

圖9 整體提升腳手架

超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)總量多，噸位大，上部鋼構(gòu)件基準分段質(zhì)量可到50～60 t，由于大型塔吊成本較高，施工時間長，因此在優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)分段的同時，還要盡可能地減少吊裝和現(xiàn)場焊接的工作量。因此塔吊型號和數(shù)量的抉擇便成了技術(shù)路線策劃里很重要的一個環(huán)節(jié)。

5.1 結(jié)合成本的塔吊數(shù)量確定

根據(jù)超高層建筑大廈高度的不同，針對高300～500 m的大樓，通常情況下配置2～3臺大型塔吊，規(guī)格為500 t-m級以上，而高500 m以上的大樓則須考慮配置3～4臺大型塔吊，塔吊為900 t-m級以上。

5.2 塔吊安裝位置最優(yōu)化

塔吊安裝位置的主要影響因素主要考慮以下3個方面。

1）受場地限制的塔吊起吊半徑。盡可能地利用塔樓周邊的空地，在最大程度上發(fā)揮塔吊的起重半徑。

2）結(jié)構(gòu)體系的變形和收分。確保塔吊的提升梁或者提升框能借助結(jié)構(gòu)體系受力起到支撐作用。避免在超高空進行移位，減少安全因素。

3）外掛和內(nèi)爬2種塔吊形式的選擇。前者針對塔吊平衡臂之間可能相碰的矛盾，可以更好地在空間上拉開距離，起吊半徑相對較大，但如果遇到結(jié)構(gòu)體系的變形或收分，則后續(xù)的加固或移位危險系數(shù)較大。后者布置在核心筒內(nèi)爬升，如能在空間上進行合理避讓，安全性會更好一些。

我們在塔吊的布置點位上主要分為“十字對稱型”“三足品字型”以及“兩點平衡型”。例如上海中心大廈的施工，我們在核心筒外框布置4臺M1280D塔吊。又如我們在66層高320 m的白玉蘭廣場施工中，在斜對角布置了2臺M1280D塔吊。

6 超大體量垂直運輸配置

超高層建筑施工體量大，涉及專業(yè)分包多，因此垂直運輸量大，同時對垂直運輸管理也提出了較高要求。由于塔樓核心筒內(nèi)電梯井道較多，且井道洞口尺寸較大，因此常規(guī)情況下我們會利用其布置臨時施工電梯。

6.1 施工各階段運能分析

從結(jié)構(gòu)施工階段開始至機電、幕墻和裝修等各專業(yè)分包依次進入交叉施工時，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，對人員及貨物垂直運能進行分析，如表1所示，再根據(jù)運營情況投入合理的施工電梯數(shù)量。

表1 人員及貨物垂直運能分析

6.2 施工電梯與永久電梯的轉(zhuǎn)換

需考慮在工期緊張情況下的施工電梯與永久電梯的轉(zhuǎn)化。首先，如果施工電梯長時間占用核心筒井道，必將影響對應(yīng)位置結(jié)構(gòu)區(qū)域的補缺；其次，外部臨時施工電梯的使用必將對幕墻的完全封閉產(chǎn)生影響。上述因素都會對最終的工期進度產(chǎn)生不利因素[6-7]。

6.2.1 電梯基礎(chǔ)托換

針對最先投入的為塔樓核心筒結(jié)構(gòu)服務(wù)的施工電梯，在中后期對其進行基礎(chǔ)托換，完成后，新基礎(chǔ)下方的結(jié)構(gòu)可及早進行封閉。

6.2.2 躍層電梯啟用

躍層電梯作為一種新的電梯安裝技術(shù)，其工作的基本原理是將已完成的部分井道臨時封閉，并在井道頂部臨時固定移動機房，安裝電梯動力裝置、轎廂及其他電梯部件，安裝完成后可在已封閉的井道內(nèi)運行，進行施工材料、設(shè)備和人員等的垂直運輸，兼作施工電梯使用；等結(jié)構(gòu)封頂后，電梯更換部件再次安裝調(diào)試，就可以轉(zhuǎn)換為正式電梯了。

躍層電梯運行速度由普通施工電梯的1 m/s提升至4 m/s，單臺躍層電梯的乘客運力是同規(guī)格施工電梯的約12倍，同時極大地加快永久電梯的啟用時間，相比常規(guī)的電梯安裝方法，完工時間提前約120 d，為外框施工電梯封閉幕墻創(chuàng)造有利條件。我們在昆明恒隆廣場的建造中就啟用了2臺躍層電梯。

6.2.3 全內(nèi)置化施工電梯

常規(guī)思路中，我們會在核心筒內(nèi)和塔樓外框設(shè)置一定數(shù)量的施工電梯以滿足垂直運輸?shù)氖┕し桨?。等核心筒?nèi)永久電梯開始啟用后，再將外框的施工電梯逐步拆除，往往就是這樣的時間差導(dǎo)致幕墻未能及時封閉，而影響后續(xù)的機電裝修。因此我們考慮將所有施工電梯全部布置在核心筒內(nèi)。例如上海中心大廈采用10臺人貨兩用電梯，全部布置在核心筒內(nèi)，后期采用9臺永久電梯分階段轉(zhuǎn)換，并且在52層對核心筒內(nèi)最早啟用的2部施工電梯進行超高空建筑基礎(chǔ)托換。

7 超高強混凝土泵送

7.1 超高壓泵及泵管配置

超高層建筑混凝土泵送一般采用一泵到頂?shù)墓に?，因此對現(xiàn)有設(shè)備的泵送能力要求很高。

高300 m以上的超高層建筑我們一般會選用HBT90系列的大功率固定泵，在現(xiàn)場泵送過程中，同時根據(jù)樓層高度合理地進行高低壓泵送切換。

7.2 配套泵管

通常我們會選用3套D150超高層耐磨輸送管，做到二打一備，滿足泵送壓力及耐磨性能。為了平衡垂直管道混凝土產(chǎn)生的反壓，同時結(jié)合現(xiàn)場交通組織，在首層鋪設(shè)長為50～60 m的水平管道，或以增加90°彎管的形式進行長度補償。

7.3 終端布料設(shè)備

靈活選用終端布料設(shè)備。若在模架體系平臺上，可考慮固定布置長臂型布料設(shè)備；若在尚未完成澆筑的結(jié)構(gòu)面層上，可布置成可移動型的短臂輕型布料機。例如我們在上海中心大廈核心筒的施工中配備了2臺28 m的布料機，在昆明恒隆廣場的超高泵送中配備了2臺21 m的布料機。

8 結(jié)語

300 m以上超高層建筑的施工過程中，對施工技術(shù)裝備提出了全新的要求，結(jié)合已有案例，通過對項目關(guān)鍵技術(shù)路線的策劃梳理，我們逐步形成了可成套的超高層建筑建造裝備，通過技術(shù)的不斷積累以及示范應(yīng)用，可以極大地提高企業(yè)的機械化、自動化以及智能化建造水平，引領(lǐng)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展。