屋面塔機(jī)精細(xì)化設(shè)計(jì)的趨勢與應(yīng)用

汪許林，龍進(jìn)輝

（廣東龐源工程機(jī)械有限公司，廣州 510665）

0 引言

在超高層建筑的施工過程中，往往都是核心筒領(lǐng)先外框的施工模式，而且往往還是領(lǐng)先5層以上[1]?？紤]施工進(jìn)度的需要，這種模式下一般項(xiàng)目采用的塔機(jī)都是內(nèi)爬或者外掛的形式。內(nèi)爬或者外掛式的塔機(jī)在完成施工任務(wù)后無法實(shí)現(xiàn)自降，由于高度過高，現(xiàn)有汽車吊等地面的起重設(shè)備也無法滿足拆卸要求，這種情況下，屋面塔機(jī)就成了拆卸的首選輔助工具。對于大型內(nèi)爬外掛式的塔機(jī)而言，要實(shí)現(xiàn)拆除目的，利用常規(guī)的屋面塔機(jī)的數(shù)量往往會(huì)達(dá)到3臺(tái)次以上。市場上現(xiàn)有的常規(guī)屋面塔機(jī)在這樣的一個(gè)循環(huán)拆除周期內(nèi)需要的時(shí)間一般為2個(gè)月左右，作業(yè)程序需歷經(jīng)三裝三拆，報(bào)裝報(bào)拆手續(xù)也至少需6個(gè)來回，較為繁瑣。在拆卸最后一臺(tái)屋面塔機(jī)時(shí)，由于構(gòu)件的尺寸問題一般都是需要使用工地上空間較大的施工升降機(jī)作為構(gòu)件轉(zhuǎn)運(yùn)到地面的輔助工具。

1 超高層建筑施工模式與屋面塔機(jī)的需求變化

1.1 施工模式

隨著設(shè)計(jì)思路越來越廣闊，設(shè)計(jì)水平日益提升，各種結(jié)構(gòu)獨(dú)特、標(biāo)新立異的超高層建筑數(shù)量快速增長[2]。此類建筑帶來各種形式的結(jié)構(gòu)突變，還出現(xiàn)了明顯的需求變化，即超高層建筑中塔機(jī)的施工任務(wù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)向后推移。以往塔機(jī)在超高層建筑中承擔(dān)的施工任務(wù)一般都是主要負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)的施工，結(jié)構(gòu)施工完畢即進(jìn)行拆除。目前，比較普遍的做法是，所有工序完工后才對超高層建筑的塔機(jī)進(jìn)行拆除。

1.2 需求變化

施工模式與需求的變化導(dǎo)致了對屋面塔機(jī)需求的變化。結(jié)構(gòu)的突變，尤其是核心筒結(jié)構(gòu)的整體式收縮或者建筑外形的扭曲均對屋面塔機(jī)提出了更高的吊重性能要求。當(dāng)塔機(jī)作為最后一道工序進(jìn)行拆除，更是限制了屋面塔機(jī)的輪換次數(shù)不能太多，并且要保留最后一臺(tái)常規(guī)屋面塔機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)，直至最后拆除的空間較大的施工升降機(jī)，這種做法不經(jīng)濟(jì)也不夠現(xiàn)實(shí)。屋面塔機(jī)在拆除的過程中輪換的次數(shù)較多，不僅是消耗的時(shí)間周期越長，時(shí)間成本越高，而且需要安裝的臺(tái)數(shù)越多，需要用到的屋面塔機(jī)的基礎(chǔ)也越多，屋面塔機(jī)的基礎(chǔ)一般都是十字鋼梁基礎(chǔ)，也就意味著屋面塔機(jī)基礎(chǔ)需要用到的受力節(jié)點(diǎn)也將會(huì)越多。而在超高層建筑中，屋面的原始結(jié)構(gòu)一般都不足以承受屋面塔機(jī)十字鋼梁基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的受力，要解決受力問題，一般都是需要另外加固處理。換言之，輪換的次數(shù)越多，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)加固的工作量增加，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度也增大?？臻g較大的施工升降機(jī)一般都是布置在建筑結(jié)構(gòu)外側(cè)，布置在電梯井內(nèi)側(cè)的施工升降機(jī)的空間一般較小，滿足不了常規(guī)屋面塔機(jī)的最散構(gòu)件的運(yùn)輸要求。布置在建筑結(jié)構(gòu)外側(cè)，在空間上與幕墻的局部施工成為一對矛盾。利用常規(guī)的屋面塔機(jī)，拆除最后一臺(tái)屋面塔機(jī)，只能是剩下豎向區(qū)域的幕墻和完全拆除屋面塔機(jī)后再行安裝施工。但這樣不僅與自己所有工序完畢后拆除塔機(jī)的初衷相背，而且會(huì)影響到整棟超高層建筑的施工進(jìn)度與宣傳形象，不利于甲方業(yè)主的預(yù)售與宣傳。

2 屋面塔機(jī)精細(xì)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1 應(yīng)用前景

為了解決以上提出的各種問題，屋面塔機(jī)的精細(xì)化設(shè)計(jì)就成了一種必然趨勢。在房屋建筑設(shè)計(jì)上，精細(xì)化設(shè)計(jì)應(yīng)該充分把握居住者的生活需求，高質(zhì)量的、舒適的、人性化的和節(jié)省的設(shè)計(jì)才是精細(xì)化設(shè)計(jì)的定義[3]。屋面塔機(jī)的精細(xì)化設(shè)計(jì)旨在提供一款吊重性能優(yōu)越、構(gòu)件尺寸規(guī)格小、質(zhì)量輕、便于安拆的屋面塔機(jī)。建筑結(jié)構(gòu)收縮后，屋面塔機(jī)在拆除負(fù)責(zé)主體結(jié)構(gòu)施工的塔機(jī)時(shí)，放拆除構(gòu)件由于吊距變遠(yuǎn)而導(dǎo)致吊重性能不足，屋面塔機(jī)的精細(xì)化設(shè)計(jì)很好地克服了這一技術(shù)難題。構(gòu)件尺寸規(guī)格小、質(zhì)量輕，結(jié)合優(yōu)越的吊重性能就可以減少整個(gè)屋面塔機(jī)拆除輪換的次數(shù)，減少屋面塔機(jī)基礎(chǔ)加固的工作量和難度，還可以直接利用室內(nèi)電梯對其進(jìn)行構(gòu)件的轉(zhuǎn)運(yùn)。便于安拆減少工人安裝拆除的難度，提高作業(yè)效率。

優(yōu)越的吊重性能與構(gòu)件尺寸規(guī)格與本身質(zhì)量在結(jié)構(gòu)上是矛盾的。兩者間取得最優(yōu)解從而實(shí)現(xiàn)二者的有效統(tǒng)一很難。要追求更好的吊重性能，各節(jié)點(diǎn)需要平衡的力矩就更大，假如各桁架截面不變，各桁架的主弦需要承受的軸力也更大[4]。為了屋面塔機(jī)的各構(gòu)件能取得小的尺寸規(guī)格和單元構(gòu)件質(zhì)量的結(jié)構(gòu)矛盾有效統(tǒng)一，在取得優(yōu)越的吊重性能的同時(shí)，引入分段式的設(shè)計(jì)理念，配之可靠的連接節(jié)點(diǎn)，盡可能實(shí)現(xiàn)小構(gòu)件、大吊重的可靠設(shè)計(jì)。要做到便于安裝拆除也是基于此設(shè)計(jì)。

以往設(shè)計(jì)的屋面塔機(jī)，基本上都是以先行者的身份進(jìn)行設(shè)計(jì)，即先入為主，但隨著塔機(jī)技術(shù)服務(wù)的要求越來越高，精細(xì)化設(shè)計(jì)的屋面塔機(jī)要取得成功的應(yīng)用，設(shè)計(jì)思路必然要轉(zhuǎn)換成服務(wù)者的角色。遵循在已建設(shè)好的超高層建筑屋面能方便、快捷、順利地進(jìn)行安裝和拆除塔機(jī)的原則，設(shè)計(jì)出的屋面塔機(jī)不僅要有優(yōu)越的吊重性能，還要有滿足常規(guī)超高層商業(yè)樓的消防電梯或者室內(nèi)電梯容納的尺寸規(guī)格以及單元構(gòu)件質(zhì)量的要求。吊重性能、尺寸規(guī)格、單元構(gòu)件質(zhì)量作為屋面塔機(jī)精細(xì)化設(shè)計(jì)的3個(gè)主題，在整個(gè)構(gòu)思設(shè)計(jì)的過程中缺一不可。精細(xì)化設(shè)計(jì)的屋面塔機(jī)要求每個(gè)單元構(gòu)件都必須同時(shí)充分考慮這3個(gè)因素的影響。

例如，要求在1棟已經(jīng)完工的超高層樓頂安裝1臺(tái)屋面塔機(jī)，現(xiàn)場除了常規(guī)的室內(nèi)電梯外沒有其他任何的垂直運(yùn)輸設(shè)備，且能安裝屋面塔機(jī)的位置距離構(gòu)件在樓下的堆場位置較遠(yuǎn)，要下放的構(gòu)件單元質(zhì)量也是較大。經(jīng)過調(diào)研，市面上不存在這樣既可以滿足室內(nèi)電梯對尺寸規(guī)格、單元構(gòu)件質(zhì)量的運(yùn)載要求，又可以滿足現(xiàn)場吊重要求的屋面塔機(jī)，此種情況就要求用到屋面塔機(jī)精細(xì)化的設(shè)計(jì)。從十字底梁、塔身節(jié)到回轉(zhuǎn)部件、A架、后平衡臂的整體式框架、起重臂臂節(jié)等，甚至各個(gè)機(jī)構(gòu)的最零散部件的尺寸規(guī)格、單元質(zhì)量等，全部的單元構(gòu)件都要求重新進(jìn)行復(fù)核和設(shè)計(jì)。這種情況下的設(shè)計(jì)原則就是要保證各零部件在室內(nèi)的整個(gè)運(yùn)輸通道上暢通無阻，而在此整個(gè)運(yùn)輸通道上的往往就是要用到的室內(nèi)電梯的電梯門的尺寸規(guī)格的影響最為不利。基在尺寸規(guī)格上可以將電梯門的尺寸作為參考，對搬運(yùn)時(shí)需要的操作在空間上的余量進(jìn)行控制；在構(gòu)件的單元質(zhì)量上可以將電梯的安全載重作為參考，考慮輔助工人和工具的質(zhì)量以及一定的安全系數(shù)進(jìn)行控制；而在屋面塔機(jī)的吊重性能上則可以將實(shí)際的滿足構(gòu)件安全吊重以及安全系數(shù)進(jìn)行控制。屋面塔機(jī)的精細(xì)化設(shè)計(jì)作為一個(gè)系統(tǒng)的工程，其他各機(jī)構(gòu)等也是要配套考慮。例如起升機(jī)構(gòu)，就要考慮好卷筒容繩量與單繩拉力、電機(jī)功率等一系列的彼此矛盾關(guān)系[5-8]，同時(shí)需考慮各個(gè)單元構(gòu)件的尺寸規(guī)格與質(zhì)量等，甚至在整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)通道上需用到的輔助架等附件，亦需要做通盤考慮與設(shè)計(jì)。

2.2 應(yīng)用案例

2.2.1 背景簡介

在廣州天河馬場路某棟超過300 m的超高層建筑施工中，后期因?yàn)橼s工期，把施工升降機(jī)提前拆了，屋面除了鋼格珊暫未鋪設(shè)，其他一切工序皆已完工。屋面此時(shí)還剩1臺(tái)最大吊重為28 t的屋面塔機(jī)，該臺(tái)屋面塔機(jī)最大的單元構(gòu)件質(zhì)量為5.8 t，外形尺寸為5 500 mm×4 356 mm×1 990 mm。鑒于核心筒外為針狀裝飾幕墻，結(jié)構(gòu)為裝飾用鋁制桁架且已完工，如果進(jìn)行拆除則成本過高且會(huì)嚴(yán)重影響項(xiàng)目的施工進(jìn)度，只能是選擇在核心筒范圍內(nèi)安裝另一臺(tái)屋面塔機(jī)，核心筒外緣距離建筑最大截面的外緣約13 m。幕墻鋼針剛結(jié)構(gòu)安裝平面如圖1所示。

圖1 幕墻鋼針剛結(jié)構(gòu)安裝平面圖

2.2.2 設(shè)計(jì)方案

核心筒的平面尺寸約21 m×18 m，考慮結(jié)構(gòu)的受力影響以及需要安裝的屋面塔機(jī)與原有的28 t屋面塔機(jī)的防碰撞影響，考慮只有北側(cè)局部位置作為構(gòu)件的落地堆場等因素，新安裝的屋面塔機(jī)只能是選擇如圖2所示的定位。

圖2 屋面塔機(jī)安裝位置圖

此時(shí)新安裝的屋面塔機(jī)BNK140.18中心距離構(gòu)件下落時(shí)可能觸碰到的建筑外緣至少16 m，考慮2 m的安全距離以及下放構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)半徑、鋼絲繩的扣減質(zhì)量、動(dòng)載系數(shù)等，會(huì)要求新安裝的屋面塔機(jī)BNK140.18的吊重性能需滿足21 m吊距至少吊重6.5 t。

此時(shí)新安裝的屋面塔機(jī)BNK140.18其最大部件單件質(zhì)量除了上支座2的質(zhì)量為1 101 kg，其余構(gòu)件的單元質(zhì)量均不超過1 000 kg?，F(xiàn)場室內(nèi)電梯的尺寸規(guī)格為1 500 mm×1 900 mm×3 800 mm的容納要求，其中電梯門尺寸1 200 mm×2 700 mm。其質(zhì)量尺寸滿足室內(nèi)電梯的上下運(yùn)輸要求，屆時(shí)所有構(gòu)件均通過室內(nèi)電梯中途換梯后到達(dá)建筑的59層。須提前在幕墻相應(yīng)位置（避開主骨架）開設(shè)好洞口，以保證滿足屋面吊的零部件通過洞口轉(zhuǎn)運(yùn)到屋面。

擬需對如圖3所示的幕墻位置進(jìn)行開洞處理，洞口尺寸如圖4所示。

圖3 幕墻開洞口位置圖

圖4 幕墻洞口尺寸

為方便構(gòu)件的轉(zhuǎn)運(yùn)以及吊裝，特定制了2臺(tái)旋轉(zhuǎn)吊，如圖5所示。為便于人工安裝，整臺(tái)旋轉(zhuǎn)吊采用分段式設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)支座與十字底梁之間采用焊接連接，各段立柱之間、立柱與臂頭之間均采用8根M20的10.9級的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，臂頭與臂節(jié)采用銷軸連接。旋轉(zhuǎn)吊部件明細(xì)表如表1所示。為滿足現(xiàn)場室內(nèi)電梯（T4/T20）的上下要求以及能用簡易工具搬運(yùn)安裝的要求，所有構(gòu)件均通過從一樓直達(dá)28層的室內(nèi)電梯T4直接到達(dá)28層后再通過28層直達(dá)59層的室內(nèi)電梯T20轉(zhuǎn)運(yùn)到59層，所有構(gòu)件出電梯后均轉(zhuǎn)運(yùn)到北側(cè)開設(shè)好的洞口下方，通過預(yù)先開設(shè)好洞口，用旋轉(zhuǎn)吊將零部件轉(zhuǎn)運(yùn)到屋面，再利用旋轉(zhuǎn)吊安裝BNK140.18屋面吊。拆除時(shí)，BNK140.18屋面吊的起重臂進(jìn)行自解體以及利用旋轉(zhuǎn)吊進(jìn)行輔助拆除，其他十字底梁以上的部件通過旋轉(zhuǎn)吊進(jìn)行輔助拆除，以上所有拆卸的構(gòu)件均采用旋轉(zhuǎn)吊轉(zhuǎn)運(yùn)到59層然后通過室內(nèi)電梯轉(zhuǎn)運(yùn)到樓下，最后剩下的旋轉(zhuǎn)吊零部件以及十字底梁通過簡易趴桿下放到59層然后通過室內(nèi)電梯轉(zhuǎn)運(yùn)到樓下，簡易趴桿進(jìn)行自解體拆除，通過人工搬運(yùn)到59層然后通過室內(nèi)電梯轉(zhuǎn)運(yùn)到樓下。

圖5 旋轉(zhuǎn)吊整機(jī)設(shè)計(jì)圖

表1 旋轉(zhuǎn)吊部件明細(xì)表

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)輸通道中各個(gè)關(guān)口的尺寸規(guī)格、電梯空間的尺寸規(guī)格以及承載能力、重開轉(zhuǎn)運(yùn)洞口的尺寸規(guī)格、現(xiàn)場的安裝環(huán)境、吊重的性能參數(shù)要求等各種因素，在精細(xì)化設(shè)計(jì)的思想指導(dǎo)下，在該項(xiàng)目最后通過特制的分段式BNK140.18屋面塔機(jī)順利地完成了屋面塔機(jī)的拆除工作。

3 結(jié)束語

隨著建筑行業(yè)需求的發(fā)展，尤其是塔機(jī)技術(shù)服務(wù)行業(yè)的要求越來越高，屋面塔機(jī)的精細(xì)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了一種趨勢。應(yīng)用精細(xì)化設(shè)計(jì)的屋面塔機(jī)，不僅可以有效地解決傳統(tǒng)屋面塔機(jī)吊重性能不足的難題，而且可以有效減少屋面塔機(jī)的輪換次數(shù)，可以減少了屋面塔機(jī)的加固處理基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，極大地促進(jìn)了施工進(jìn)度的推進(jìn)，更是避免在最后階段遇到大空間的施工升降機(jī)卻無法使用的困窘，節(jié)省了大量的時(shí)間和避免了大量的麻煩。

總之，精細(xì)化設(shè)計(jì)的屋面塔機(jī)以適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境為主導(dǎo)，以切實(shí)解決現(xiàn)場吊裝難題為目的，不僅具有普遍的適用性，而且可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，可以滿足復(fù)雜工況對屋面塔機(jī)提出的技術(shù)要求，有效解決超高層建筑中遇到的輔助吊裝難題。