超高層小樓距施工垂直運(yùn)輸設(shè)備的選型與優(yōu)化

時明雪，鄭 璐，梁先軍，余偉達(dá)，陳明勇

（1、中國建筑第四工程局有限公司 廣州510665；2、中建四局華南建設(shè)有限公司 廣州510663；3、湖南交通工程學(xué)院 湖南衡陽421000）

0 引言

在工程施工中，尤其是超高層建筑施工，保證施工措施是工程順利施工的前提。垂直運(yùn)輸設(shè)備作為施工措施的重要組成部分，其選型是否合理，是施工過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，甚至關(guān)系工程項目的盈利能力。通過翻閱相關(guān)文獻(xiàn)，參考魏?。?］、沈育龍［2］、張大斌［3］對于塔式起重機(jī)在超高層中的選型研究；花力［4］、錢一介［5］及樓志陽［6］等關(guān)于超高層施工升降機(jī)的選型分析及相關(guān)研究，本文依托廣州市番禺區(qū)某超高層項目，從投標(biāo)階段的平面布置，對超高層垂直運(yùn)輸設(shè)備的重新選型和優(yōu)化，在保證項目正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時，產(chǎn)生較大了的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

某項目位于廣州市番禺區(qū)，共有5 棟塔樓，分為A2、B1、B2 共3 個地塊，總占地面積約3.15 萬m2，建筑總面積約為36.8萬m2。A2地塊由1棟地上54層，地下5層的商業(yè)住宅樓及附屬裙樓組成，建筑高度為179.07 m，基坑開挖深度約28 m。塔樓為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，塔樓由5 層地下室、2 層裙樓和54 層塔樓組成，如圖1 所示。轉(zhuǎn)換層為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，鋼骨為十字形鋼骨，如圖2所示。

2 垂直運(yùn)輸?shù)目傮w部署

因涉及土建、鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)電等專業(yè)，垂直運(yùn)輸機(jī)械的管理、協(xié)調(diào)及配合對工程進(jìn)展至關(guān)重要。因此，垂直運(yùn)輸總體部署與各專業(yè)吊裝的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)及配合，對工期的影響是關(guān)鍵性的。垂直運(yùn)輸設(shè)備布置擬實行“分區(qū)運(yùn)輸與統(tǒng)籌部署相結(jié)合”的模式，項目初始垂直運(yùn)輸平面布置如圖3a 所示，通過總體優(yōu)化，合理布置垂直運(yùn)輸機(jī)械，改進(jìn)管理措施，提升吊裝效率，保證工程順利開展，最終垂直運(yùn)輸平面布置如圖3b所示。

2.1 塔吊的管理、協(xié)調(diào)與配合

2.1.1 合理劃分各工種吊運(yùn)時間

參考邢蕾［7］、李重偉［8］及劉炳杜［9］等人的研究成果進(jìn)行分析，結(jié)合施工進(jìn)度及專業(yè)特點(diǎn)，合理劃分各工種的吊運(yùn)時段，保證塔吊有序作業(yè)。利用休息時間吊運(yùn)周轉(zhuǎn)材料及部分預(yù)備主材，避免塔吊吊運(yùn)集中化。并通過會議形式明確各工種吊運(yùn)時間，最大程度減少各工種因材料吊運(yùn)而產(chǎn)生的紛爭。

圖1 結(jié)構(gòu)整體剖面Fig.1 Overall Structural Section

2.1.2 塔吊作業(yè)實行“三班制”

為滿足工程進(jìn)度需求，塔吊作業(yè)實行“三班制”，每臺塔吊配備3個司機(jī)，并配備機(jī)動駕駛員，確保塔吊作業(yè)人員充足。實行專人專機(jī)制度，保證司機(jī)與塔吊的熟悉度，進(jìn)而提升吊裝效率。

2.1.3 群塔防碰撞系統(tǒng)

本工程共計投入5 臺塔吊，塔吊與其他地塊存在重疊區(qū)域，需安裝塔吊防碰撞系統(tǒng)，解決工程上出現(xiàn)的群塔碰撞問題，避免塔吊碰撞事故。

2.1.4 鋼結(jié)構(gòu)分段

本工程鋼結(jié)構(gòu)工程量較少，考慮設(shè)置較大塔吊會額外增加工程成本，鋼結(jié)構(gòu)施工采用汽車吊輔助施工，在底部采用汽車吊進(jìn)行吊裝，盡量減少塔吊的占用。同時也可考慮汽車吊吊重較大，相比塔吊直接吊裝是較理想的選擇。在對鋼結(jié)構(gòu)深化時，采用BIM 相關(guān)技術(shù)［10］建立結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行分段、預(yù)留孔洞等相關(guān)工作。

2.2 施工電梯的管理、協(xié)調(diào)與配合

2.2.1 合理安排使用時間

圖2 剪力墻結(jié)構(gòu)布置和鋼骨柱大樣Fig.2 Shear Wall Structure Layout and Steel Reinforced Column Details

圖3 塔吊及電梯布置Fig.3 Arrangement of Tower Crane and Elevator

主體施工階段，現(xiàn)場人員均為總承包管理人員，相對較少，項目中后期，隨著項目甲分包單位進(jìn)場，會出現(xiàn)爭搶電梯情況。應(yīng)每天組織生產(chǎn)協(xié)調(diào)碰頭會，并協(xié)調(diào)設(shè)備第二天的使用情況，嚴(yán)格按照要求執(zhí)行。

2.2.2 錯峰上下班

每天上下班高峰期，主要以運(yùn)送作業(yè)人員上下班為主。與各班組管理人員進(jìn)行溝通，明確各班組上下班時間。同時對施工電梯配備足夠人員，保證上下班期間，電梯始終處于運(yùn)行狀態(tài)。必要時，可對電梯實行各層?？康墓芾碇贫?。

2.2.3 施工電梯與永久電梯銜接的配合

后期施工電梯將拆除，轉(zhuǎn)用永久電梯進(jìn)行人員及精裝修材料的運(yùn)輸。永久電梯的安裝進(jìn)度需及時跟進(jìn)，提前1 個月與甲方聯(lián)系協(xié)商安裝永久電梯并確定電梯型號。保證施工電梯能順利拆除，確保其他工序能及時插入。

通過永久電梯提前投入，使施工電梯拆除時間提前，可大大提前因施工電梯而留置的結(jié)構(gòu)孔洞及外裝飾面完成時間，保證工程如期竣工。

2.2.4 配合各專業(yè)材料夜間運(yùn)輸

高層建筑施工中，由于工期緊，垂直運(yùn)輸壓力大，常常會在夜間施工及進(jìn)行材料運(yùn)輸。因此，施工電梯駕駛員實行輪班制，合理安排專門的夜間值班駕駛員，保證夜間材料的運(yùn)輸及正常施工。

3 垂直運(yùn)輸能力分析

3.1 塔吊吊運(yùn)能力分析

本工程塔樓高度達(dá)到179 m，最大吊裝高度約為170 m。吊裝不僅要滿足鋼筋、模板等周轉(zhuǎn)材料的要求，同時還需滿足鋼骨柱、大型機(jī)電設(shè)備的吊裝要求，并配合吊運(yùn)混凝土（混凝土泵送達(dá)不到的部位）等。

3.1.1 吊裝時間分析

對塔吊每天吊次能力進(jìn)行分析：根據(jù)塔吊起重性能描述，其最大起重速度為0～80 m/min。每吊裝一次所需時間如表1所示。

3.1.2 塔吊臺班計算

本項目中，除鋼骨柱外，平均每m2需要吊裝材料約1 t。模板木方材料約占工程吊裝量的40%，本項目采用鋁模板施工，模板通過傳料口直接上傳，無需塔吊吊運(yùn)。塔樓建筑面積約820 m2，需要塔吊吊裝材料共計約295 t。按照每個吊次1.5 t 計算，共需197 吊次，依據(jù)項目塔吊選型，塔吊需求量計算如下：

式中：Ni為某期間機(jī)械需用量；Qi為某期間需完成的工程量，地上結(jié)構(gòu)吊次為547 次；qi為機(jī)械的產(chǎn)量指標(biāo)，塔吊每個吊次平均需11 min，每個臺班按12 h 考慮，可完成65次；Ti為某期間（機(jī)械施工）的天數(shù)，扣除塔吊爬升時間，為3 d；bi為工作班次，按單班為1，雙班為2，按大班1.5 計；K 為不均衡系數(shù)，一般取1.1～1.4，吊裝（裝卸）作業(yè)取1.2。

代入數(shù)值計算，Ni=197×1.2/（65×3×1.5）=0.808臺。依據(jù)計算結(jié)果可知，在滿足塔吊覆蓋的前提下，塔樓布置1臺塔吊可以滿足結(jié)構(gòu)施工階段吊裝需求。

3.2 施工電梯運(yùn)輸能力分析

3.2.1 人員運(yùn)輸能力分析

依據(jù)現(xiàn)場實際勞動力需求情況，每棟樓各工種勞動力需求合計112人，其中鋁模35人、鋼筋20人、混凝土7 人、鋁窗5 人、雜工10 人、機(jī)電預(yù)埋10 人、砌體抹灰15 人、其他10 人。依據(jù)施工電梯說明書中相關(guān)參數(shù)，施工電梯對現(xiàn)場勞動力運(yùn)輸能力進(jìn)行分析，按鋼筋和鋁模勞動力上班時間高峰，約55 人要到達(dá)作業(yè)層，每次做多運(yùn)送16人，最少運(yùn)輸4次，詳見表2。

由表2可知，上班高峰期，在45 min內(nèi)能把人員運(yùn)至最高作業(yè)層，能滿足施工要求。按照每天上下班4次考慮，結(jié)構(gòu)施工階段每天需耗費(fèi)43.9×4÷60=2.93 h運(yùn)送人員上下班，滿足8 h工作需要。

表1 塔吊單次吊次時間分析Tab.1 Analysis of Single Lifting Times of Tower Crane

表2 施工電梯勞動力運(yùn)輸能力分析Tab.2 Analysis of Transportation Capacity of Construction Elevator

3.2.2 材料運(yùn)輸能力分析

本工程中，塔樓建筑面積約820 m2，需要施工電梯運(yùn)輸?shù)牟牧瞎灿嫾s196.8 t。依據(jù)施工電梯說明書，每個吊籠可以運(yùn)輸2 t/趟?？紤]安全需求，按照每個吊籠運(yùn)載量為額定的75%，以1.5 t/趟運(yùn)輸量計算，運(yùn)輸次數(shù)為：196.8÷1.5÷2=65.6（趟），共需吊次66次。電梯運(yùn)行平均按照35 m/min 計算，施工電梯物資材料運(yùn)輸能力分析如表3所示。

表3 施工電梯勞動力運(yùn)輸能力分析Tab.3 Analysis of Transportation Capacity of Construction Elevator

由表3 計算結(jié)果可知，每層的各種材料運(yùn)輸至54F層所花時間不超過14.08 h。

按電梯每天運(yùn)行1.5個臺班共12 h。依據(jù)3.2.1節(jié)計算結(jié)果，電梯運(yùn)送人員上下班每天耗費(fèi)3 h，司機(jī)就餐時間按照2 h為不可避免損耗時間，每天仍有7 h可運(yùn)送材料，扣除不可避免因素，按照6 h 計算，則14.08÷6=2.35 d，即運(yùn)輸材料僅為2.35 d，能滿足工程施工進(jìn)度3 d/層的材料運(yùn)輸能力要求。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

依據(jù)現(xiàn)場實際情況，對優(yōu)化后的垂直運(yùn)輸設(shè)備選型后，重新計算相關(guān)效益，塔吊選型與布置的優(yōu)化效益計算如表4 所示；施工電梯的選型和布置優(yōu)化效益計算如表5所示。本項目對施工過程中垂直運(yùn)輸設(shè)備的選型和優(yōu)化情況，優(yōu)化后的最終效益為：（施工電梯原費(fèi)用-施工電梯優(yōu)化后費(fèi)用）+（塔吊原費(fèi)用-塔吊優(yōu)化后費(fèi)用）=（597.0-403.5）+（900.8-849.0）=245.3萬元。

表4 塔吊優(yōu)化前后費(fèi)用匯總Tab.4 Cost Summary of Tower Crane before and after Optimization

表5 施工電梯優(yōu)化前后費(fèi)用經(jīng)濟(jì)效益對比Tab.5 Cost Economic Benefit Comparison of Construction Elevator before and after Optimization

5 結(jié)論

本文通過對投標(biāo)文件的垂直運(yùn)輸設(shè)備的合理性進(jìn)行審查，并對現(xiàn)場施工垂直運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行重新選型和優(yōu)化布置，調(diào)整了原方案中5 棟超高層群樓的塔吊和施工電梯設(shè)備施工平面布置，滿足項目現(xiàn)場施工的同時，減少了大型設(shè)備的投入，降低了現(xiàn)場的安全管理風(fēng)險，同時實現(xiàn)了較高的經(jīng)濟(jì)效益。