高聳塔臺新型模架體系設(shè)計優(yōu)化與關(guān)鍵施工技術(shù)

劉曉英，林 麗，惠明明

(1. 山東青建智慧建筑科技有限公司， 山東 青島 266011； 2. 青建集團股份公司，山東 青島 266011)

1 工程概況

某塔臺結(jié)構(gòu)形式為核心筒-交叉網(wǎng)格鋼外筒結(jié)構(gòu)，總高度為92.6m，頂部4層使用空間為鋼結(jié)構(gòu)。核心筒為直徑8m圓筒(見圖1)，高度為87.3m。剪力墻厚250，300mm；混凝土外壁尺寸統(tǒng)一。筒內(nèi)設(shè)2個電梯井，4個管道井，中間為電梯前室。單層面積僅50m2，操作空間小。核心筒外置懸挑螺旋樓梯，布置于1～15層，自標高0m至9.200m環(huán)核心筒外墻蜿蜒而上，為空間螺旋線。外旋樓梯寬1.2m，展開長度在206m左右，共7環(huán)，每環(huán)高低差12m。

圖1 塔臺模型

2 工程特點

1)工期 工程合同工期390d，2層地下室、17層地上結(jié)構(gòu)，共19層，工期緊。為保證工期，核心筒、鋼結(jié)構(gòu)、樓梯、幕墻需垂直交叉在不同高度上共同施工。

2)安全 工程高度92.6m，高度較高，垂直交叉作業(yè)多，需保證工人高空作業(yè)安全，且封閉上部平臺防止雜物墜落。

3)質(zhì)量 核心筒為圓形，模板定位要求高，需布置外部剛性支撐點，保證混凝土成型尺寸。

4)工程操作面狹窄 核心筒單層面積僅50m2，管道井面積僅2m2，操作空間狹窄，無材料堆放空間。

5)設(shè)計要求高 剪力墻嚴禁開洞、植筋；核心筒直徑較小，對施工過程中核心筒水平力有嚴格限制。

3 各類模架體系對比分析(見表1)

表1 模架體系方案比選

1)懸挑腳手架 懸挑腳手架需布置25根懸挑工字鋼，剪力墻開洞過多且工字鋼將電梯井隔斷，內(nèi)爬施工電梯無法通過。搭設(shè)腳手架占用塔式起重機，且安全性差，易發(fā)生材料墜落，影響下部鋼結(jié)構(gòu)施工安全。

2)滑模 因6m高混凝土需澆筑5次留置5道施工縫，設(shè)計單位對核心筒受力性能要求較高，施工縫留置過多影響結(jié)構(gòu)整體受力，該方案不可行。

3)爬模 可大大降低塔式起重機負擔，節(jié)約吊力40%以上。承重性能好，施工單位可在爬模休息平臺上碼放施工所需材料并提供全工作平臺，施工過程中無需重新搭設(shè)操作平臺。工程施工速度平均可達9～10d/層，節(jié)約人工成本30%左右。

由于核心筒尺寸小，管道井面積僅2m2，操作空間狹窄，內(nèi)爬模無法實現(xiàn)。在考慮工期、安全、混凝土施工質(zhì)量、操作平臺情況下，提出外爬內(nèi)拼式新型模架體系。

4 外爬模內(nèi)散拼新型模架體系設(shè)計和方案優(yōu)化

4.1 爬模方案

爬模架體設(shè)計方案為：爬模架分4層，從下往上依次為下掛層、液壓層、模板層、操作層，架體高度為2個核心筒標準層高度(12m)，共使用8個液壓爬升機位，分為4個爬升單元，可分別爬升，也可整體爬升，本工程采用整體爬升。每次混凝土澆筑高度為3m，模板高3m，鋼筋綁扎高度3m。每個標準層高6m，澆筑2次墻、1次頂板混凝土，工期9～10d。鋼結(jié)構(gòu)外筒施工水平分段為6m，工期10d。

1)平臺設(shè)計 根據(jù)現(xiàn)場混凝土施工要求，為滿足現(xiàn)場施工時鋼筋綁扎所需平臺高度需求，外側(cè)爬模架體及內(nèi)筒爬模共設(shè)置4層操作平臺：①上平臺 供施工時放置鋼筋等材料及綁扎鋼筋等施工操作使用；②主平臺 供模板后移使用兼作主要人員通道；③液壓操作平臺 爬模爬升時進行液壓系統(tǒng)操作使用；④吊平臺 方便拆卸掛座、爬錐及受力螺栓以便周轉(zhuǎn)使用。外側(cè)爬模架體設(shè)計總高度為12.75m，爬模架剖面如圖2所示。

圖2 爬模架剖面

2)外模板系統(tǒng) 外模板采用后移裝置與上操作支架分離的方式，上操作支架固定在主平臺上，模板利用后移裝置進行后移，利用后移裝置上的調(diào)節(jié)座調(diào)節(jié)模板垂直度。

3)模板節(jié)點 2塊模板之間在背楞位置采用芯帶連接，芯帶兩端各有2個芯帶銷，由于芯帶孔位間距與背楞孔位間距不同，因此，將4個芯帶銷打緊后，2塊模板即可緊密地連接在一起，確保模板不會出現(xiàn)錯臺及漏漿現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 模板拼縫連接節(jié)點

4)預埋節(jié)點 單埋件系統(tǒng)預埋件螺栓直徑為20mm，采用45號鋼；受力螺栓為M42，10.9級，標準單埋件節(jié)點如圖4所示(本做法適用于墻厚≥300mm的爬模架體埋件埋設(shè)，使用安裝螺栓將埋件固定在模板面板上，退模時將安裝螺栓取下即可)。

圖4 標準單埋件節(jié)點

5)液壓自爬模主要性能指標(見表2)

表2 液壓自爬模主要性能指標

4.2 爬模方案施工整體優(yōu)化

1)工程原設(shè)計為混凝土懸挑樓梯，設(shè)計要求混凝土樓梯與核心筒混凝土同步施工，但采用爬模施工要求混凝土外壁光滑、剪力墻內(nèi)預留鋼筋后期鑿除，且在懸挑板根部留置施工縫不利于懸挑結(jié)構(gòu)受力，鋼樓梯長206m，4 000根鋼筋需預留焊接，工作量大。

為滿足爬模施工，通過有限元模擬計算，將外置混凝土螺旋樓梯改為鋼樓梯，核心筒施工僅留置預埋件，后期吊裝焊接，滿足爬模施工，降低螺旋樓梯施工難度。6m高螺旋鋼樓梯工廠加工后，分8段吊裝，工期僅3d。

2)爬模設(shè)計時核對圖紙，進行BIM模型與爬模模型碰撞分析，爬升裝置布置位置選擇避開鋼結(jié)構(gòu)連梁及鋼樓梯預埋件。塔臺14～17層安裝洞口較多，提前核對洞口位置，爬錐布置避開洞口位置。工程14，16，17層鋼骨梁耳板設(shè)計凸出墻面500mm，爬模設(shè)計時架體橫梁盡量避讓鋼骨梁耳板，無法避讓的耳板，優(yōu)化受力較小的耳板連接方式，在耳板凸出混凝土墻面100mm處，將耳板斷開，待爬模架下掛層爬升至該耳板高度時，再將耳板進行全熔透焊接，以滿足爬模正常爬升。

3)核心筒正值冬期施工，按10d/層速度施工，混凝土強度3d需達到15MPa，冬期難以實現(xiàn)。采用優(yōu)化混凝土配合比，提高早期強度，增加水化熱，混凝土采用P·O42.5R水泥，減少粉煤灰用量，核心筒采用外側(cè)包裹棉被、內(nèi)側(cè)生火爐措施。

4)定制散拼木塑模板與外爬模的配合。①核心筒直徑僅8m，分為2個電梯井、4個管道井、1個電梯前室。管道井面積僅2m2，每層均有水平結(jié)構(gòu)，內(nèi)爬模難以實現(xiàn)，通過優(yōu)化對拉螺栓間距，將原外爬模對拉螺栓間距縮小1倍，也滿足了散拼內(nèi)模板的支撐剛度。通過塔式起重機吊運內(nèi)模板，達到內(nèi)、外模板協(xié)同施工。為保證混凝土成型質(zhì)量，內(nèi)模板定制銳角、鈍角模板，通過與平面模板固定，滿足管道井、電梯井夾角混凝土成型質(zhì)量。②核心筒剪力墻外模使用φ15對拉螺栓，材質(zhì)為45號鋼，破斷拉力150kN。爬模主梁為工字鋼，次梁為15cm工字木方，對拉螺栓設(shè)計為水平間距1 500mm、垂直間距1 200mm，但無法滿足內(nèi)拼模板加固體系受力。對拉螺柱間距設(shè)置優(yōu)化為：采用φ16對拉螺栓，螺栓間距橫向為500mm、縱向為 1 200mm。 地上結(jié)構(gòu)內(nèi)墻最低一道螺柱距底300mm，圓弧剪力墻對拉螺栓間距如圖5所示。

圖5 圓弧剪力墻對拉螺栓間距

5)為不影響鋼外筒施工，設(shè)置1臺內(nèi)爬單籠施工電梯于塔臺主樓北側(cè)電梯井內(nèi)。該施工電梯從1～15 層隨結(jié)構(gòu)施工布置，設(shè)置高度79.2m。每次頂升1層約6m，跟隨爬模施工，保證人員到達爬模下掛層。

施工電梯到達樓層，需3個向上標準節(jié)、1個安全節(jié)，總高度從樓面向上需6m。核心筒施工完水平結(jié)構(gòu)后，將電梯井防護打開，進行施工電梯頂升，頂升后施工電梯可到達水平結(jié)構(gòu)澆筑完成的下方樓層。經(jīng)過方案模擬發(fā)現(xiàn)，墻體3～6m段施工時，施工電梯還未頂升，到達的樓面與爬模架下掛層存在3m高差。為保證人員上下爬模架體，設(shè)置3m下掛層，保證人員從電梯上至爬模。

5 外爬模內(nèi)散拼新型模架體系關(guān)鍵施工技術(shù)

內(nèi)模采用定制木塑模板，外模采用維薩板鋼框木模板滑軌支撐方式。通過對原外鋼框木模板對拉螺栓孔進行水平向加密，滿足內(nèi)、外模板對拉螺栓設(shè)置，保證模板固定牢固。采用4層12m高爬模架體、外附式塔式起重機、內(nèi)爬施工電梯進行鋼結(jié)構(gòu)吊裝。按塔式起重機頂升→爬模爬升→核心筒施工→內(nèi)爬施工電梯頂升→鋼結(jié)構(gòu)外筒施工→塔式起重機附著安裝→塔式起重機頂升的循環(huán)順序進行核心筒-交叉網(wǎng)格鋼外筒高聳結(jié)構(gòu)施工。

5.1 爬模安裝

5.1.1安裝前準備工作

1)安裝前檢驗爬模進場構(gòu)件，并要求廠家提供構(gòu)件試驗報告，現(xiàn)場檢驗需形成檢查記錄。

2)抄平爬錐中心標高及模板底標高，當模板在樓板、基礎(chǔ)底板或變截面墻體上安裝時，對不平整部位進行找平處理。

3)放墻軸線、墻邊線、門窗洞口線、模板邊線、架體或提升架中心線、提升架外邊線。

4)檢查爬模安裝標高的下層結(jié)構(gòu)外形尺寸、預留承載螺栓孔、爬錐，對超出允許偏差的結(jié)構(gòu)進行剔鑿修正。

5)綁扎完成模板高度范圍內(nèi)的鋼筋，安裝門窗洞口模板、預留洞模板、預埋件、預埋管線。

5.1.2安裝條件

核心筒1，2層結(jié)構(gòu)外模施工使用爬模，提前到場拼裝好，搭設(shè)鋼管腳手架。模板采用塔式起重機吊裝就位。核心筒2層結(jié)構(gòu)施工完成后開始安裝爬升架體。

5.1.3安裝流程(見圖6)

圖6 爬模安裝流程

5.1.4預埋件安裝方式

爬模架體使用的預埋件需利用模板進行提前預埋，模板拼裝時按圖紙標定位置打好固定預埋件孔位，模板就位前將預埋件用螺栓提前安裝在模板面板上，模板就位后須按圖紙檢查每個埋件位置及緊固程度，檢查無誤后方可澆筑混凝土，澆筑完成達到拆模要求后拆掉安裝螺栓，模板后移后，預埋件留在混凝土墻體中，待爬模爬升后使用。

預埋施工時，預埋件與附加鋼筋點焊，同時預埋件的高強螺栓與埋件板通過點焊加強連接牢固性，防止?jié)仓r預埋件位置偏移及埋件板脫落。預埋件兩端須用膠帶封堵，防止?jié)仓r注入混凝土。同時為便于爬錐拆卸，安裝前先在預埋件上涂抹黃油再用膠帶包裹。

5.2 爬模施工

爬模施工流程為：3m高墻鋼筋綁扎→3m高模板安裝加固→夜間3m高墻混凝土澆筑→混凝土達到爬升強度及3～6m高墻鋼筋綁扎→墻模板拆除，3～6m高墻鋼筋綁扎→3～6m高墻模板安裝加固→夜間混凝土澆筑→混凝土養(yǎng)護至爬升強度→墻拆模、板模板安裝→梁板面鋼筋綁扎，樓板混凝土澆筑，以此循環(huán)。

5.3 爬模拆除

1)拆除流程 按規(guī)定要求，爬模裝置拆除前應明確平面和豎向拆除順序，按現(xiàn)場塔式起重機起重力矩要求，將爬模裝置的外筒按順時針(或逆時針)方向逐個單元拆除。①澆筑完最后一層混凝土→②拆除主平臺以上架體→③后移模板→④拆除模板→⑤拆除導軌→⑥拆除下層掛座→⑦拆除液壓系統(tǒng)→⑧拆除下架體及掛座。

2)拆除單元劃分 爬模拆除最遠單元距塔式起重機22m以內(nèi)、塔式起重機懸臂24m以內(nèi)，吊重達5t，單元最大單次吊重4.8t，因此能滿足要求。

6 結(jié)語

1)根據(jù)塔臺項目結(jié)構(gòu)形式、施工工期緊、安全質(zhì)量要求高等特點，對比分析懸挑腳手架、滑模、爬模不同模架體系，創(chuàng)新性地使用外爬模內(nèi)散拼木塑模板新型模架體系，解決了高聳混凝土結(jié)構(gòu)操作空間狹窄、結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高的難題。

2)為滿足新型模架體系要求，將原設(shè)計混凝土螺旋樓梯優(yōu)化為鋼樓梯，采用BIM技術(shù)，優(yōu)化爬錐位置避讓外墻洞口及鋼結(jié)構(gòu)預埋件。合理安排爬模架安裝時間，控制爬模架在核心筒施工高度至10m時安裝為宜。

3)通過高聳混凝土結(jié)構(gòu)工序穿插配合，鋼外筒施工進度落后核心筒2層，進行同步施工，保證了6m高標準層10d內(nèi)完成3次混凝土澆筑。