超高建筑施工整體提升式防護(hù)屏蔽架技術(shù)研究

朱毅敏 翟信哲 徐 磊

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

在超高建筑施工中，施工作業(yè)平臺和施工環(huán)境是保證施工安全、控制施工風(fēng)險的重要影響因素。整體腳手架體系就是一種有效的超高建筑施工平臺體系，它可以將高空作業(yè)變?yōu)榈涂兆鳂I(yè)，將懸空作業(yè)變?yōu)榧荏w內(nèi)部作業(yè)[1]，其中具有屏蔽功能的整體腳手架，可以有效提高超高建筑施工的封閉性和安全性。

目前常用的整體腳手架體系，很多具有封閉性差、整體性不足、無法適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)形狀和建筑高空變形、無法升降或升降施工作業(yè)復(fù)雜煩瑣等問題。

隨著目前超高建筑結(jié)構(gòu)形式日趨多樣，建筑施工要求和挑戰(zhàn)日益增加，需設(shè)計新型整體屏蔽腳手架體系，以滿足不同情況下的工程建設(shè)需求，有效解決上述問題[2]。

1 整體提升式防護(hù)屏蔽架平臺體系

本文設(shè)計了一種新型超高建筑施工整體提升式防護(hù)屏蔽架平臺體系，平臺系統(tǒng)設(shè)計面向應(yīng)用，提出了由“平臺系統(tǒng)—子系統(tǒng)—構(gòu)件”三大結(jié)構(gòu)層級組成的整體提升式防護(hù)屏蔽結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系以構(gòu)件作為平臺系統(tǒng)的基本功能單元和結(jié)構(gòu)單元。各個構(gòu)件連接組合，形成實現(xiàn)特定功能的子系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間通過功能與結(jié)構(gòu)上的連接組成整體提升式防護(hù)屏蔽架平臺系統(tǒng)。整體平臺系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，可以根據(jù)超高建筑臨邊形狀和尺寸，將一幅或多幅平臺架體進(jìn)行組裝拼接，從而滿足不同結(jié)構(gòu)形狀和超高結(jié)構(gòu)變形的要求，整體提升式防護(hù)屏蔽架平臺體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

平臺系統(tǒng)共集成架體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、承重系統(tǒng)、附著防傾系統(tǒng)、提升系統(tǒng)和防墜系統(tǒng)等六大子系統(tǒng)。

1.1 架體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

架體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括水平構(gòu)件、豎向構(gòu)件和連接構(gòu)件3類，起承擔(dān)和傳遞屏蔽架荷載的功能。水平構(gòu)件主要為腳手板、水平腳手架和水平桁架；豎向構(gòu)件主要為豎向腳手架、豎向梯段和豎向桁架；連接構(gòu)件則用于串聯(lián)相鄰平臺架體結(jié)構(gòu)。架體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是整體提升式防護(hù)屏蔽結(jié)構(gòu)體系的骨架。

1.2 屏蔽系統(tǒng)

屏蔽系統(tǒng)包括外屏蔽網(wǎng)、側(cè)屏蔽網(wǎng)和低屏蔽板3類主要構(gòu)件，起屏蔽施工環(huán)境的作用，可有效保障施工安全和施工封閉，控制施工墜物、施工噪聲、施工揚塵對環(huán)境的影響。

圖1 整體提升式防護(hù)屏蔽架平臺體系結(jié)構(gòu)示意

1.3 承重系統(tǒng)

承重系統(tǒng)主要為承重拉結(jié)裝置。其作用為將整個平臺體系的主要豎向荷載傳遞到建筑結(jié)構(gòu)上，是平臺體系安全作業(yè)的核心和關(guān)鍵。考慮到靠下的施工作業(yè)層養(yǎng)護(hù)時間長，已基本形成強度，故承重拉結(jié)裝置一般位于平臺系統(tǒng)空間位置下部。

1.4 附著防傾系統(tǒng)

附著防傾系統(tǒng)是屏蔽架體與建筑結(jié)構(gòu)之間的水平拉結(jié)裝置，傳遞架體結(jié)構(gòu)的水平荷載。水平拉結(jié)位置一般在各施工層處，可以有效防止整體平臺傾覆。同時，防傾裝置不可影響平臺架體提升狀態(tài)的豎向運動。

1.5 提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)主要由提升動力裝置、同步提升控制裝置、提升吊機(jī)、提升吊繩、提升鋼絲繩、提升滑輪組和其他輔助提升構(gòu)件組成。提升系統(tǒng)可以在建筑完成結(jié)構(gòu)層施工時實現(xiàn)自動協(xié)同提升，進(jìn)入下一個結(jié)構(gòu)層施工周期。

1.6 防墜系統(tǒng)

防墜系統(tǒng)是平臺架體的主要安全保障。當(dāng)平臺架體遭遇意外荷載或承重系統(tǒng)遭受破壞時，防墜系統(tǒng)可以迅速“接管”結(jié)構(gòu)豎向荷載，防止屏蔽結(jié)構(gòu)體系墜落，降低超高建筑施工重大風(fēng)險隱患。

防墜系統(tǒng)主要構(gòu)件包括防墜導(dǎo)軌、防墜棘輪、防墜撥片、防墜擋板和附屬構(gòu)件，如圖2所示。

平臺架體正常爬升時，導(dǎo)軌帶動防墜棘輪正向轉(zhuǎn)動，棘輪轉(zhuǎn)動時撥動防墜撥片向下運動，撥片被撥動后可以復(fù)位；平臺架體發(fā)生墜落風(fēng)險時，導(dǎo)軌向下運動，帶動棘輪 反向轉(zhuǎn)動，此時防墜撥片受到擋板的限位無法向下運動，從而阻止棘輪進(jìn)一步反向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)固定導(dǎo)軌和整個平臺架體的目的。

圖2 防墜系統(tǒng)示意

2 整體提升式防護(hù)屏蔽架結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于上述平臺體系方案設(shè)計，對整體提升式防護(hù)屏蔽架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算，使其在合理的荷載與作用下可以滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的要求。以某工程中用到的整體提升式防護(hù)屏蔽架結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與計算，該架體結(jié)構(gòu)由4幅平臺架體單元組成。

2.1 計算工況及荷載分析

根據(jù)整體提升式防護(hù)屏蔽架平臺體系的施工操作流程，考慮實際工程需求，將計算工況分為施工工況、提升工況及大風(fēng)停工工況，本研究重點針對這3種施工工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

整體提升式防護(hù)屏蔽架處于工作狀態(tài)下，豎向荷載靠底部承重拉結(jié)裝置承受，水平荷載通過水平拉結(jié)傳遞到結(jié)構(gòu)。提升工況下豎向荷載靠提升鋼絲繩承受，水平荷載通過防傾裝置傳遞到結(jié)構(gòu)。大風(fēng)停工工況下豎向荷載靠底部承重拉結(jié)裝置承受，水平荷載通過水平拉結(jié)傳遞到結(jié)構(gòu)。其中，頂部踏步層與結(jié)構(gòu)建立可靠連接，拉結(jié)鋼管與永久結(jié)構(gòu)的固定須滿足強度要求，每層均增加抱箍點。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，整體提升式防護(hù)屏蔽架平臺體系主要包括3類荷載：恒載、活載以及風(fēng)荷載[3]。

恒載主要為各子系統(tǒng)構(gòu)件及固定于架體上的其他設(shè)備、裝置的自重?；钶d主要包括施工人員、材料及施工機(jī)具的自重，計算中為偏安全考慮，各層荷載按頂層作業(yè)計算，施工工況下每層活載為3 kN/m2，提升工況下每層活載0.5 kN/m2，大風(fēng)停工工況不考慮施工活載。按腳手架操作安全要求，整體提升式防護(hù)屏蔽架在高空6級風(fēng)壓以下可正常作業(yè)爬升，按7級風(fēng)壓進(jìn)行驗算；大風(fēng)停工工況按12級臺風(fēng)風(fēng)壓進(jìn)行復(fù)核[4]。屏蔽系統(tǒng)采用鋼絲網(wǎng)板作為主要屏蔽構(gòu)件，其開孔率在70%以上，透風(fēng)性能良好，擋風(fēng)系數(shù)一般取0.5進(jìn)行設(shè)計計算，為偏安全考慮，本研究取0.8進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

荷載效應(yīng)依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行組合。

2.2 防護(hù)屏蔽架體結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)預(yù)設(shè)計的整體提升式防護(hù)屏蔽架體結(jié)構(gòu)和材料，建立有限元模型，如圖3所示。

圖3 有限元模型

整體提升式防護(hù)屏蔽架體結(jié)構(gòu)在施工、提升和停工工況下的最大應(yīng)力比分別為0.71、0.69、0.75。3種工況的最大應(yīng)力比均出現(xiàn)在水平連系桿件上。架體結(jié)構(gòu)的最大變形分別為11.2、10.8、8.9 mm，均位于腳手架中部最頂端。承重系統(tǒng)或提升系統(tǒng)的最大豎向反力分別為58.3、45.4、39.3 kN；水平附著拉結(jié)的最大水平反力分別為18.0、17.4、21.9 kN。以上各項指標(biāo)均滿足施工要求。

2.3 部分構(gòu)件單體驗算

架體結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)之間連接的拉結(jié)鋼梁，需承擔(dān)承重系統(tǒng)傳遞的豎向荷載和附著防傾系統(tǒng)傳遞的水平荷載，其受力模式如圖4所示。

圖4 拉結(jié)鋼梁受力模式

豎向荷載和水平荷載均取最大值進(jìn)行計算，得到其支座反力F1最大值為26.1 kN，F(xiàn)2最大值為85.9 kN。鋼梁的最大應(yīng)力為125 MPa，最大變形為1.037 mm。各數(shù)值均滿足使用要求。根據(jù)上述主要計算可知，整體提升式防護(hù)屏蔽架的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足安全性和穩(wěn)定性指標(biāo)，滿足不同工況下的施工要求。

3 整體提升式防護(hù)屏蔽架施工方法

本文基于整體提升式防護(hù)屏蔽架平臺體系設(shè)計，針對性地提出適用于超高建筑施工的施工方法，包括組裝拆除階段、施工階段和提升階段等不同狀態(tài)下的施工流程，并提出應(yīng)對不同環(huán)境、荷載、工況的施工措施[5]。

3.1 組裝拆除階段

整體提升式防護(hù)屏蔽架組裝階段遵循的原則是：先拉結(jié)后組裝、先下部后上方。在組裝前應(yīng)先在對應(yīng)各結(jié)構(gòu)層安裝好拉結(jié)鋼梁，之后方可進(jìn)行架體吊裝。吊裝架體從下至上進(jìn)行，吊裝好第1節(jié)架體后，應(yīng)先完成承重系統(tǒng)的連接，保證豎向荷載有效傳遞。依次吊裝上部架體時，應(yīng)隨時做好與拉結(jié)鋼梁的水平連接并及時形成防墜系統(tǒng)。

拆除階段主要為組裝的逆過程，但考慮拆除作業(yè)一般為超高空作業(yè)，應(yīng)予以高度重視。拆除的總原則為：先裝后拆、后裝先拆、自上而下、有序施工。

在組裝和拆除階段，架體內(nèi)部不得有任何堆載、可移動裝備和施工人員。在特殊環(huán)境下不應(yīng)進(jìn)行拆除作業(yè)。

3.2 施工階段

施工階段可在架體各層進(jìn)行正常施工作業(yè)，原則上整體提升式防護(hù)屏蔽架不允許堆載。遇到大風(fēng)等特殊工況，應(yīng)將所有拉結(jié)位置全部連接并予以加固。特殊工況應(yīng)停止施工，并固定架體上的各可移動設(shè)施。

3.3 提升階段

當(dāng)?shù)?、3、4施工層養(yǎng)護(hù)至預(yù)定結(jié)構(gòu)強度，欲進(jìn)行第5施工層施工時，可以進(jìn)行提升作業(yè)。

在提升階段，應(yīng)先完成提升系統(tǒng)的連接。首先，將提升鋼絲繩連接至提升吊繩上，并從下部繞過提升滑輪組后，連接至第3施工層的拉結(jié)鋼梁上。

確認(rèn)防墜系統(tǒng)安全穩(wěn)定且可正常運作后，松開連接在第2施工層拉結(jié)鋼梁上的承重系統(tǒng)構(gòu)件，斷開第1施工層的連接。在同步提升控制裝置的控制下，由提升吊機(jī)回收提升吊繩，帶動防護(hù)屏蔽架體向上運動。向上提升1層之后重新連接承重系統(tǒng)構(gòu)件，松開提升鋼絲繩，完成提升作業(yè)。

4 結(jié)語

本文通過模塊化的“平臺系統(tǒng)—子系統(tǒng)—構(gòu)件”三大結(jié)構(gòu)層級設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算和數(shù)值模擬，設(shè)計出超高建筑施工整體提升式防護(hù)屏蔽架平臺體系，并提出了使用本平臺體系進(jìn)行超高施工的方法，有效保證了超高建筑施工臨邊防護(hù)的整體性、封閉性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。