超高層建筑施工裝備部署研究

朱利君

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

1 工程概況

南京金鷹世界項(xiàng)目位于南京河西地區(qū)，場地位于應(yīng)天大街、所街路、江東中路和云錦路合圍地內(nèi)。地塊總用地面積56 071.2 m2，建設(shè)用地面積50 071.2 m2，總建筑面積919 211 m2。本工程為集商業(yè)、酒店、辦公、娛樂等功能于一體的大型綜合體，包含地下室、裙房及塔樓3個(gè)區(qū)域，其中地下室4層（局部5層）、裙房10層、T1塔樓76層（368.05 m）、T2塔樓68層（328.05 m）、T3塔樓60層（300.05 m）。

本工程3棟塔樓為鋼框架＋核心筒＋連接體桁架體系，外形均呈矩形。塔樓核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由低區(qū)內(nèi)設(shè)剪力鋼板＋勁性柱，過渡至中區(qū)內(nèi)設(shè)勁性柱，最后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邊^(qū)全混凝土結(jié)構(gòu)。其中，T1塔樓內(nèi)剪力鋼板分布范圍為底板至22層，T2、T3塔樓內(nèi)剪力鋼板分布范圍為底板至7層。

塔樓區(qū)域共布置4道桁架層，其中位于43層處為伸臂桁架，由核心筒剪力墻伸出跨越外框，延伸并對(duì)接空中連廊形成整體。

2 塔樓施工關(guān)鍵點(diǎn)

超高層塔樓的施工效率直接關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)度的推進(jìn)，隨著塔樓施工高度的增加，其施工矛盾也愈發(fā)突出，具體表現(xiàn)如下[1-2]：

1）材料運(yùn)輸問題：塔樓施工操作層與材料加工堆放間的高差導(dǎo)致材料的運(yùn)輸效率隨著工程推進(jìn)逐漸降低，傳統(tǒng)落地式塔吊因基礎(chǔ)承載等固有缺陷，已無法適應(yīng)超高層塔樓的高效化施工要求。

2）施工平臺(tái)問題：首先，隨著建造高度的增加，高處墜落成為安全風(fēng)險(xiǎn)管控的首要問題；其次，操作面的材料臨時(shí)堆載能力制約著塔樓的施工效率，因此具備臨時(shí)堆載能力的封閉模架平臺(tái)體系成為超高層建造的必備條件。

3）施工人員通道：傳統(tǒng)高層施工條件下的施工人員通道存在一定的弊端。首先，考慮安全、效率及后續(xù)補(bǔ)缺等因素，人員提升機(jī)械布置困難；其次，人員提升機(jī)械無法直接到達(dá)施工操作層。

4）混凝土澆筑手段：超高層混凝土施工對(duì)泵車泵送能力、泵管排布方式、不同高度澆搗通道等提出了更高的要求。

3 施工裝備部署研究

3.1 塔吊部署

在超高層施工中，受基礎(chǔ)承載能力的限制，塔機(jī)更傾向于附墻自爬升式；從轉(zhuǎn)體自由度、吊運(yùn)速度和能源適配角度考慮，動(dòng)臂式塔機(jī)較平頭式塔機(jī)具有更大的優(yōu)勢。因此，塔樓施工時(shí)一般選用附墻自爬升式動(dòng)臂塔吊來解決施工材料的垂直運(yùn)輸問題。

超高層塔樓一般設(shè)計(jì)為混凝土核心筒剪力墻加外鋼框構(gòu)造，在施工建造中需采用核心筒領(lǐng)先外框施工的策略，以消除剪力墻與外框鋼梁差異性沉降造成的附加應(yīng)力。同時(shí)，利用領(lǐng)先外框的核心筒剪力墻附著塔機(jī)，將塔機(jī)布置于塔樓中央?yún)^(qū)域，大幅增加塔吊有效吊裝的覆蓋范圍[3-4]。

塔吊的附墻方式一般有外掛和內(nèi)附2種。外掛基本采用三角架形式的爬升框，其對(duì)核心筒剪力墻剛度要求較高，但塔臂覆蓋范圍更廣，材料運(yùn)輸更為自由、高效，并且留足距離便于多臺(tái)塔吊布置；內(nèi)附一般在核心筒內(nèi)布置井字梁爬升框，其對(duì)核心筒內(nèi)的空間要求較高，且不利于多臺(tái)塔吊布置，但是對(duì)于較弱剛度的核心筒布置塔吊有較大的優(yōu)勢。

南京金鷹世界項(xiàng)目的核心筒剪力墻使用型鋼混凝土，且最小厚度400 mm，剛度較大，為兼顧外框及空中連廊區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)吊裝，每棟塔樓均使用2臺(tái)外掛式塔吊呈斜對(duì)角布置，如圖1所示。

圖1 塔吊平面布置示意

3.2 施工平臺(tái)部署

金鷹世界塔樓外框豎向構(gòu)件采用了SRC勁性混凝土立柱，水平構(gòu)件采用了常見的型鋼鋼梁及桁架樓承板形式，該形式存在大量的混凝土現(xiàn)澆區(qū)域，因此外框同樣需布置施工操作平臺(tái)。塔樓施工采用核心筒領(lǐng)先外框的施工流程，從便于施工和安全操作的角度考慮，需要配備2套施工平臺(tái)爬升體系分別用于核心筒和外框施工。

3.2.1 核心筒施工部署

針對(duì)核心筒豎向剪力墻施工，其施工平臺(tái)傾向于整合模架的集成式提升裝備，現(xiàn)階段以整體提升式鋼平臺(tái)模架體系和液壓爬模為代表。液壓爬模是針對(duì)豎向剪力墻施工的外掛模板系統(tǒng)，無堆載條件，僅提供狹小的施工操作平臺(tái)，但是操作自由度高、適應(yīng)能力強(qiáng)；整體提升式鋼平臺(tái)通過形成一個(gè)梁柱系的框架體，在框架體內(nèi)部布置模板與腳手架平臺(tái)，且頂部還具備較好的堆載條件，但是該體系整體性強(qiáng)、適應(yīng)能力低。

通常制約超高層塔樓核心筒施工進(jìn)程的是材料物資的垂直運(yùn)輸能力，在塔吊吊能有限的條件下，位于施工面的臨時(shí)堆載能力對(duì)工程進(jìn)度起關(guān)鍵性作用。從該角度出發(fā)，金鷹世界項(xiàng)目選擇了整體提升式鋼平臺(tái)模架體系作為核心筒施工平臺(tái)。

現(xiàn)階段該鋼平臺(tái)體系分兩類（圖2）。一類為筒架交替支撐式鋼平臺(tái)，即采用上下堆疊的2套筒體交替支撐受力，并且利用位于筒體間的液壓油缸（一般位于平臺(tái)最底部）實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的頂升，此平臺(tái)可以簡單地理解為“雙腿爬樓梯”；另一類為鋼柱筒架交替支撐式整體鋼平臺(tái)，利用架設(shè)于剪力墻頂面的鋼柱通過置于頂部的液壓油缸拉動(dòng)底部的筒體實(shí)現(xiàn)提升，待就位后利用筒架底部的支撐牛腿實(shí)現(xiàn)鋼平臺(tái)承重，可形象地理解為“爬竹竿”。

圖2 兩類鋼平臺(tái)體系

施工建造平臺(tái)需根據(jù)具體項(xiàng)目的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行選取，金鷹世界項(xiàng)目塔樓核心筒擁有剪力鋼板、伸臂鋼桁架等典型特征，可分別采取如下對(duì)策：核心筒墻體剪力鋼板的施工，一般通過使用筒架交替支撐式鋼平臺(tái)模架體系，在2個(gè)筒體的交替支撐與爬升中留出剪力鋼板施工空間，同時(shí)將頂部鋼梁設(shè)計(jì)為可拆卸式，并留出承載余量，從而給剪力鋼板留出下料空間；對(duì)于剪力墻角部的外伸鋼桁架，一般把鋼平臺(tái)外腳手架懸挑梁設(shè)計(jì)為快拆快恢復(fù)式，桁架層施工時(shí)，在拆除鋼桁架區(qū)域外挑鋼梁后進(jìn)行頂升，待就位后恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)鋼桁架的跨越。

金鷹世界項(xiàng)目T1塔樓剪力鋼板伸至22層，T2和T3剪力鋼板僅到7層，且筒架交替支撐式鋼平臺(tái)造價(jià)為普通鋼柱筒架交替支撐式整體鋼平臺(tái)的數(shù)倍。為降低造價(jià)，T1塔樓選用筒架交替支撐式鋼平臺(tái)，T2和T3塔樓使用傳統(tǒng)模板排架施工，超過剪力鋼板層后，再安裝鋼柱筒架交替支撐式整體鋼平臺(tái)。

3.2.2 外框施工部署

對(duì)于外框及水平結(jié)構(gòu)施工，一般選用傳統(tǒng)的整體提升式腳手架構(gòu)建施工平臺(tái)即可滿足施工需求。由于金鷹世界塔樓一立面為1.85°的斜面，空中連廊區(qū)域?qū)痈咻^大且有牛腿伸出，因此在實(shí)際施工中面臨以下難題：外立面斜面的爬升、大層高爬升、牛腿避讓。

1）外爬架小角度（一般在3°以內(nèi)）斜爬一般直接通過更改軌道或者優(yōu)化導(dǎo)輪槽來實(shí)現(xiàn)，由于金鷹世界塔樓采用了鋼管導(dǎo)輪槽式外爬架，因此采用了改進(jìn)的雙向?qū)л啿凼娇箖A裝置（圖3）來實(shí)現(xiàn)斜面的爬升。

2）針對(duì)大層高（金鷹世界項(xiàng)目層高8 m），為滿足規(guī)范中懸臂段不得超過6 m的要求，在大層高中間高度區(qū)域使用三角斜撐設(shè)置中間過渡提升鋼梁（圖4），同時(shí)兼作抗傾拉結(jié)點(diǎn)。

圖3 雙向?qū)л啿凼娇箖A裝置

圖4 整體提升腳手架大層高爬升措施

3）由于外爬架是以單個(gè)提升動(dòng)力（機(jī)位）為基礎(chǔ)的單元模塊，因此在前期爬架策劃階段，將提升機(jī)位和立桿避開牛腿。在實(shí)際提升中，將單次提升行程中外爬架橫桿與牛腿沖突區(qū)域拆除，并在頂部與底部利用斜桿做加強(qiáng)處理，待提升后恢復(fù)橫桿，按此多次實(shí)施直至越過牛腿。

3.3 人貨梯布置

在塔樓核心筒施工階段，人貨梯僅?？康孛婕笆┕げ僮鲗?，為提高人員運(yùn)輸效率一般會(huì)選擇高速人貨梯；但在外框施工時(shí)，人貨梯兼用于二結(jié)構(gòu)及機(jī)電施工，此時(shí)停靠樓層增多，高速人貨梯發(fā)揮不了絕對(duì)的優(yōu)勢，且增加額外的安全管理風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)投入，因此，傾向于選擇中速或低速人貨梯。

對(duì)于內(nèi)筒人貨梯，其定位考慮因素如下：盡量選用結(jié)構(gòu)中的非消防電梯井道作為人貨梯位置，避免后期消防梯提前安裝造成影響；控制因與人貨梯沖突而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)板后做的數(shù)量及面積。

對(duì)于外框人貨梯，其定位考慮因素如下：避開結(jié)構(gòu)斜立面，從而可以使用固定長度翻板，避免搭設(shè)過橋平臺(tái)；避開裙房、連廊區(qū)域以及結(jié)構(gòu)柱；為便于后期幕墻施工，人貨梯布置時(shí)應(yīng)緊湊；盡量靠近通道，如場布中的道路，避免拉長安全通道距離。

基于以上幾點(diǎn)，金鷹世界項(xiàng)目的人貨梯布置如圖5所示。

圖5 塔樓人貨梯布置平面

在塔樓施工中，人貨梯部署與主體結(jié)構(gòu)和施工平臺(tái)關(guān)系密切，因此，人貨梯需要額外考慮到達(dá)施工平臺(tái)層的附墻問題以及后期人貨梯區(qū)域樓層板的補(bǔ)缺施工[5-7]。

1）人貨梯到達(dá)施工平臺(tái)層后，解決附墻問題的核心為設(shè)計(jì)動(dòng)靜過渡載體用于人貨梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與施工平臺(tái)的連接，因此，人貨梯活動(dòng)附墻架（圖6）得到應(yīng)用。該附墻架在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可沿著導(dǎo)軌上下移動(dòng)，也可在離合器松開的條件下自由上下滾動(dòng)，從而解決了鋼平臺(tái)爬升工況下的附墻問題。

圖6 人貨梯活動(dòng)附墻架

2）人貨梯一般占用面積較大，達(dá)到了4 500 mm×5 500 mm范圍，電梯井滿足不了該空間，必須占用電梯井外的平臺(tái)板，因此后期電梯拆除后需進(jìn)行補(bǔ)板施工。而超高層建筑的樓層面較多，導(dǎo)致補(bǔ)板周期較長。針對(duì)該問題，通過設(shè)置多個(gè)平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)硬隔離后同步施工，成倍提高施工效率，避免因補(bǔ)板造成的工期滯后。

3.4 混凝土泵送及澆搗

塔樓核心筒先于外框結(jié)構(gòu)施工，導(dǎo)致混凝土澆筑面臨以下問題：混凝土泵送高度高，對(duì)混凝土泵車的泵送能力要求較高；泵管布置時(shí)需要考慮核心筒和外框的不同高度分階段施工；混凝土反沖壓力大，安全隱患高。

根據(jù)規(guī)范，混凝土泵送阻力可粗略按照水平每米損失0.001 5 MPa估算，垂直管道按照4倍的水平管計(jì)算，因此，對(duì)于高度368 m的混凝土泵送加上空泵壓力損失，需選擇泵送能力在27 MPa以上的混凝土固定泵。為降低成本，可根據(jù)以上計(jì)算方式粗略估算分階段的泵車要求。對(duì)于金鷹世界項(xiàng)目，混凝土泵車最大選用了中聯(lián)重科ZLJ5180THBE和三一重工HBT90CH-2135D。

塔樓核心筒單框混凝土約為150 m3，按需求僅布置一路泵管即可。為防止堵泵，增加安全冗余度，采用了雙排泵管布置。同時(shí)，樓層施工高度較高，故選擇回環(huán)式水平泵管布置，極大地降低了混凝土反沖壓力。此外，為兼顧不同施工階段不同高度的泵送需求，泵管布置時(shí)采用快拆方式：豎向泵管每層設(shè)置一段快拆短管，在澆筑該樓層時(shí)，使用液壓千斤頂將該短管拆除，接駁1根普通水平輸送管后，將混凝土泵送至此高度，實(shí)現(xiàn)外框樓面混凝土澆筑，如圖7所示。

圖7 塔樓快拆泵管布置原理

4 結(jié)語

本文基于南京金鷹世界項(xiàng)目的超高層塔樓施工，總結(jié)了現(xiàn)階段超高層塔樓建造中塔吊、施工平臺(tái)、人貨梯及混凝土泵送設(shè)施的基本部署，主要內(nèi)容如下：

1）利用核心筒與外框的施工順序差在剪力墻上布置附墻式動(dòng)臂塔吊，并根據(jù)剪力墻的剛度情況合理選擇外掛或內(nèi)附式塔吊。

2）對(duì)于核心筒施工，在塔吊吊能緊張的條件下優(yōu)先選擇具有臨時(shí)堆載能力的整體提升鋼平臺(tái)模架體系，該施工平臺(tái)體系雖然在整體剛度、施工環(huán)境上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢，但其應(yīng)用自由度較其他平臺(tái)體系差，因此需重點(diǎn)考慮該平臺(tái)在核心筒外伸構(gòu)件施工中的措施；對(duì)于外框施工，采用傳統(tǒng)自提升腳手架平臺(tái)體系已經(jīng)滿足施工需求，但對(duì)于大層高和傾斜式外立面需在部署中重點(diǎn)考慮。

3）核心筒人貨梯在布置時(shí)需最大化利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)電梯井道，盡量降低占用樓層板的面積，減少后期補(bǔ)板工程量；為提高勞動(dòng)力效率，可結(jié)合施工平臺(tái)使用活動(dòng)式附墻架。

4）高層混凝土泵車壓力按照每米高度0.006 MPa選用，混凝土泵送設(shè)施需考慮多階段多樓層的澆搗需求。樓層快拆式泵管排布方式在超高層建筑中應(yīng)用較多。此外，可布置回環(huán)式水平泵管及樓層間的緩沖角以減小混凝土的反沖效果。