頂模鋼平臺(tái)的平面布置優(yōu)化設(shè)計(jì)
——以某超高層塔樓為例

郭振翔，胡晨晞，楊 蕾，李敏儀，段 宇

（1、中國(guó)建筑第四工程局有限公司 廣州510665；2、貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司 貴陽(yáng)550006）

1 工程概況

南京某超高層項(xiàng)目由1座C1塔樓（416.6 m）、C3 塔樓（196.5 m）以及其他裙樓和附屬建筑組成，總建筑面積429 000 m2。其中C1 塔樓地下5 層，地上88 層，為集高端酒店與高檔商業(yè)、餐飲、辦公一體的綜合項(xiàng)目。

2 核心筒概況

2.1 核心筒設(shè)計(jì)概況

C1塔樓結(jié)構(gòu)形式為框架+核心筒+伸臂+環(huán)帶桁架組合形式，平面上呈幾何形狀規(guī)則的矩形，筒內(nèi)分為12個(gè)矩形小筒。平面整體布局有3 次較大變化，主要是建筑整體逐步收縮。根據(jù)項(xiàng)目自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)比了各類核心筒設(shè)計(jì)方案，最終選用輕量化的頂模方案。C1 塔樓主要結(jié)構(gòu)變化統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 C1塔樓主要結(jié)構(gòu)變化統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of Main Structural Changes of C1 Tower

2.2 核心筒變化情況

C1塔樓核心筒為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，核心筒外墻厚、內(nèi)墻薄，內(nèi)墻分隔不規(guī)則。塔樓共88層，高度416.6 m，核心筒單層建筑面積約850 m2，上部面積逐漸收小。核心筒主要標(biāo)準(zhǔn)層高4.5 m，酒店區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層高3.9 m，其它樓層層高5.4 m、7.0 m、6.5 m、5.0 m、5.5 m及6.0 m 等。40F、63F、80F 核心筒結(jié)構(gòu)有較大變化，如圖1所示。

由圖1可知，C1塔樓核心筒墻體截面沿逐步收縮，外墻截面變化由外側(cè)向內(nèi)收［1］。第一次收縮時(shí)，從40層開(kāi)始逐步內(nèi)收，北部外墻由0.50 m變?yōu)?.70 m，再變?yōu)?.45 m，最大變化0.25 m；第二次收縮時(shí)，從64 層開(kāi)始逐步內(nèi)收，東部、北部外墻由1.40 m 變?yōu)?.55 m，最大變化0.85 m；第三次收縮時(shí)，從81層開(kāi)始逐步內(nèi)收，外墻由1.70 m變?yōu)?.55 m，最大變化1.15 m。

圖1 C1塔樓結(jié)構(gòu)變化Fig.1 Structural Change of C1 Tower

3 核心筒鋼平臺(tái)平面布置重難點(diǎn)［2］

⑴C1 塔樓由于施工高度高，塔樓結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。核心筒在第40 層處開(kāi)始內(nèi)收，導(dǎo)致核心筒重心偏心，容易產(chǎn)生傾斜變形，且內(nèi)外筒均為勁性混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自重大，不均勻沉降和壓縮變形較大。

⑵立體空間交叉作業(yè)多，運(yùn)輸量大，運(yùn)輸組織困難；塔樓結(jié)構(gòu)平面、立面變化，塔吊、電梯布置是平面布置關(guān)鍵。鋼結(jié)構(gòu)、桁架構(gòu)件超高、超重，垂直運(yùn)輸是重點(diǎn)。

4 頂模平臺(tái)優(yōu)化布置原則

4.1 平面布置的重要性

平面布置［3］是頂模設(shè)計(jì)綜合性較強(qiáng)的重要部分，但往往容易被忽略。頂模平面布置是考驗(yàn)頂模設(shè)計(jì)綜合能力的最重要一步［4］，平面布置不僅關(guān)系著頂模五大系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還關(guān)系著塔式起重機(jī)、施工電梯、布料機(jī)、控制室、材料堆場(chǎng)、臨時(shí)設(shè)施、臨時(shí)水電、安全通道防護(hù)等一系列公共資源的綜合管理。因此，平面布置不僅體現(xiàn)頂模系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)集約、空間集約、環(huán)保集約等綜合能力［5］，也是各環(huán)節(jié)交叉作業(yè)的協(xié)同管理綜合平臺(tái)，還是實(shí)現(xiàn)超高層施工速度達(dá)到1層/3 d的關(guān)鍵因素之一。本文主要從頂模平臺(tái)優(yōu)化布置有關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分享。

4.2 總體思路

初學(xué)者在平面布置設(shè)計(jì)時(shí)，僅將平面布置考慮為平面問(wèn)題，而不考慮豎向運(yùn)輸?shù)脑O(shè)計(jì)問(wèn)題。頂模平臺(tái)不僅是主要材料的堆場(chǎng)，也是各種施工機(jī)械協(xié)同施工的作業(yè)場(chǎng)所，還是一些生活、生產(chǎn)設(shè)施（氧氣乙炔存放房、焊接房等）和消防設(shè)施的場(chǎng)地。與周邊場(chǎng)地環(huán)境、安全也相互干擾、相互影響。因此，平面布置的設(shè)計(jì)既要符合總體施工部署、施工流程的要求，減少相互干擾，也要符合節(jié)能、環(huán)保、安全和消防等要求。

此外，初學(xué)者還應(yīng)注重布置常規(guī)思路。例如：初學(xué)者在平臺(tái)布置時(shí)，往往都是從第一次收縮開(kāi)始設(shè)計(jì)布置，到第三次收縮時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)法布置必要的機(jī)械設(shè)施、加工生產(chǎn)工具、應(yīng)急消防設(shè)施等，無(wú)法滿足安全和消防要求。所以，在平臺(tái)設(shè)計(jì)初期，應(yīng)由最后一次收縮向第一次收縮的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2）。

圖2 C1塔樓平面布置設(shè)計(jì)順序Fig.2 Design Sequence of C1 Tower Layout

本項(xiàng)目總體思路流程為：設(shè)計(jì)荷載取值→施工電梯出入口→布置大型機(jī)械設(shè)備→布置倉(cāng)庫(kù)、堆場(chǎng)→布置加工廠→布置臨時(shí)運(yùn)輸?shù)缆贰贾门R時(shí)房屋（包含控制室）→布置臨時(shí)水、電管網(wǎng)和其他動(dòng)力設(shè)施。

4.3 設(shè)計(jì)荷載取值

根據(jù)上述總體思路，核心筒第一次收縮的堆場(chǎng)設(shè)計(jì)荷載取值如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)荷載取值Tab.2 Design Load Values

其中，①頂模系統(tǒng)各部分（包括鋼平臺(tái)、掛架、鋼模板、支撐及液壓油缸）及其附屬設(shè)施自重約750 t。施工狀態(tài)時(shí)頂模系統(tǒng)總重量（包括人員、材料、設(shè)備）約900 t；②頂模系統(tǒng)頂升時(shí)要求除個(gè)別頂升工作人員外的其他施工人員全部離開(kāi)頂模系統(tǒng)。鋼筋堆載區(qū)鋼筋備料及廢料平臺(tái)內(nèi)的廢料需吊離鋼平臺(tái)。同樣，掛架系統(tǒng)不得有施工荷載。頂升狀態(tài)頂模系統(tǒng)總重約850 t；③根據(jù)核心筒施工作業(yè)部署，頂模系統(tǒng)常規(guī)施工人數(shù)約50 人，考慮到可能的工期要求等，頂模系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大同時(shí)施工人數(shù)為80人。

漢江流域是水利部確定的全國(guó)唯一的加快實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度試點(diǎn)流域，根據(jù)水利部批復(fù)《漢江流域加快實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度試點(diǎn)方案》（以下簡(jiǎn)稱 《試點(diǎn)方案》），漢江試點(diǎn)主要任務(wù)是建立流域和區(qū)域相結(jié)合的漢江流域水資源管理和保護(hù)管理指標(biāo)體系，建立覆蓋流域水系和行政區(qū)域的水量水質(zhì)水生態(tài)監(jiān)控管理體系，建立流域?qū)嵤┳顕?yán)格水資源管理制度的監(jiān)督管理和評(píng)估體系，為實(shí)施流域水資源統(tǒng)一調(diào)度、完善流域管理和區(qū)域管理相結(jié)合的水資源管理體制提供科學(xué)支撐。

4.4 與頂模其他系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)

4.4.1 與支撐、頂升系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)

⑴與支撐系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)：本項(xiàng)目采用輕量化頂模設(shè)計(jì)方案［6］，為了提高平臺(tái)堆載的能力，增強(qiáng)平臺(tái)的穩(wěn)定性，同時(shí)適用于41層后的改造使用。支撐形式采用7 支點(diǎn)形式（見(jiàn)圖3），為方便今后拆改，D、F、G 支撐點(diǎn)均使用小型油缸并優(yōu)化頂升油缸行程，主要集中在拆改區(qū)域的小核心筒內(nèi)，考慮核心筒截面的改變和收縮，應(yīng)保證各支撐點(diǎn)平衡，確保支撐點(diǎn)必須在各支腿上，較大荷載宜布置在支撐點(diǎn)內(nèi)側(cè)，平臺(tái)的懸挑區(qū)不宜布置較大荷載，防止頂模傾覆。

⑵與頂升系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)［7］：頂升系統(tǒng)包括7組長(zhǎng)行程頂升油缸，頂升能力分別為500 t、450 t、350 t、200 t、150 t（見(jiàn)表3）。其中小型油缸150 t的設(shè)計(jì)最大行程為5.5 m，頂升速度為300 mm/min，油缸內(nèi)徑為320 mm，活塞桿直徑為280 mm（實(shí)心）。①第一階段（1F～63F）：F、G 格構(gòu)柱僅吊在鋼平臺(tái)上，油缸不使用，僅使用A、B、C、D、E這5個(gè)點(diǎn)油缸進(jìn)行提升工作；②第二階段（64F～80F）：B 點(diǎn)油缸退出工作，增設(shè)F 點(diǎn)油缸加入工作，G 點(diǎn)油缸不參加工作；③第三階段（81F～87F）：僅D、F、G 油缸工作，其它油缸退出工作。支撐系統(tǒng)定位如圖3、表3所示。

4.4.2 與模板、掛架系統(tǒng)協(xié)同布置

圖3 支撐系統(tǒng)定位Fig.3 Positioning of Support System

表3 頂升油缸最小噸位Tab.3 Minimum Tonnage of Jacking Cylinder（t）

⑴與模板系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)［8］：在與模板協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，考慮核心筒主要標(biāo)準(zhǔn)層高4.5 m，酒店區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層高3.9 m，非標(biāo)準(zhǔn)層層高5.0 m、5.4 m、5.5 m、6.0 m、6.5 m、7.0 m 等層高。初學(xué)者在協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)準(zhǔn)備幾套不同高度模板來(lái)應(yīng)對(duì)不同層高的情況，這樣會(huì)大大增加施工成本和模板拆改工作量。因根據(jù)模板配置適應(yīng)樓層高度的原則，宜選擇標(biāo)準(zhǔn)層4.5 m 高的模板來(lái)選擇標(biāo)準(zhǔn)模板。在3.9 m 層高時(shí)，將頂模系統(tǒng)頂升高度到3.9 m，在5.4 m 層高時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況分2次頂升。

⑵與掛架系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)：在與掛架系統(tǒng)平面協(xié)同設(shè)計(jì)［9］時(shí)，外掛架（內(nèi)掛架拆改思路相似，不在這里贅述）主要拆改設(shè)計(jì)為：第一次拆除時(shí)（1F～63F），北段新增掛架梁（1 200 mm 間距布置），拆除1 個(gè)1 200 mm標(biāo)準(zhǔn)單元和2 個(gè)2 400 mm 標(biāo)準(zhǔn)單元，并增加2 個(gè)2 600 mm標(biāo)準(zhǔn)單元；第二次拆除時(shí)（64F～80F），東北角拆除12 個(gè)2 400 mm 標(biāo)準(zhǔn)單元；第三次拆除時(shí)（81F～88F），西段新增7 個(gè)2 400 mm 標(biāo)準(zhǔn)單元，東段掛架梁增長(zhǎng)200 mm，南段拆除8 個(gè)2 400 mm 標(biāo)準(zhǔn)單元，其余掛架梁不變（見(jiàn)圖4）。此外，還應(yīng)注意平臺(tái)到掛架系統(tǒng)內(nèi)部的樓梯通道及臨邊洞口防護(hù)設(shè)計(jì)，樓梯預(yù)留洞口位置、洞口大小、洞口方向、梯段長(zhǎng)度、樓梯寬度應(yīng)符合安全和消防通道的規(guī)定要求。

在與掛架系統(tǒng)豎向協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，按照核心筒墻體最大截面墻體1 500 mm 考慮，考慮掛架覆蓋3～4 層結(jié)構(gòu)層且便于工人施工操作，掛架設(shè)計(jì)如下：掛架上部吊掛裝置0.45 m，第一步層高2.5 m，其余層高為2.2 m，外掛架共7 步，高16.82 m，內(nèi)掛架共6 步，高14.62 m。在鋼模板對(duì)應(yīng)的走道與墻體距離600 mm，翻板寬度395 mm，應(yīng)滿足施工人員操作及安全要求。

4.4.3 與監(jiān)控、控制系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)

本工程C1塔樓結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，導(dǎo)致核心筒重心偏心，容易產(chǎn)生傾斜變形，且內(nèi)外筒均為勁性鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自重大，不均勻沉降和壓縮變形較大。本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置根據(jù)平臺(tái)的拆分，分3 次進(jìn)行布置，根據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵部位、應(yīng)力、應(yīng)變、偏移量及變形量較大的部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖5）。

4.4.4 與應(yīng)急通道協(xié)同設(shè)計(jì)［10］

圖4 C1塔樓平面布置設(shè)計(jì)順序Fig.4 Design Sequence of C1 Tower Layout

圖5 鋼平臺(tái)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.5 Steel Platform Strain Monitoring Point

結(jié)合頂模系統(tǒng)的施工特點(diǎn)（豎向結(jié)構(gòu)領(lǐng)先水平結(jié)構(gòu)10 層左右），提供應(yīng)急逃生的關(guān)鍵在于如何將頂模平臺(tái)上作業(yè)人員安全轉(zhuǎn)移到水平結(jié)構(gòu)施工層。在應(yīng)急通道設(shè)計(jì)方面（見(jiàn)圖6），初步方案是在頂模外掛架（方案1）或者內(nèi)掛架（方案2）底部設(shè)置應(yīng)急通道，頂模平臺(tái)上的作業(yè)人員通過(guò)掛架上的樓梯下至掛架最底層，再通過(guò)該應(yīng)急通道下至外框筒水平結(jié)構(gòu)施工層。但此方案存在較大安全隱患。經(jīng)過(guò)方案優(yōu)化后，決定采用塔吊應(yīng)急通道（方案3），在頂模平臺(tái)上設(shè)置應(yīng)急通道與塔吊相連，通過(guò)塔吊下至筒內(nèi)水平樓板或外框鋼梁層。優(yōu)化后的方案優(yōu)點(diǎn)在于，安全通道設(shè)置在頂模平臺(tái)與塔吊之間，可以相對(duì)固定狀態(tài)；人員應(yīng)急疏散時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)較小，一次性投入即可。

圖6 應(yīng)急通道方案設(shè)計(jì)Fig.6 Design of Emergency Channel

在無(wú)塔吊位置設(shè)計(jì)應(yīng)急通道時(shí)（見(jiàn)圖7），傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是在內(nèi)掛架底層設(shè)置鋼爬梯，下降至核心筒水平層。但由于核心筒豎向結(jié)構(gòu)與水平結(jié)構(gòu)存在10 層左右層高，存在較大的安全隱患。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用組合式（可拆卸）的樓梯替代大部分鋼爬梯，大大減少了疏散人員的攀爬時(shí)間，能明顯降低安全隱患，使疏散人員快速、安全地疏散到水平層。

圖7 無(wú)塔吊應(yīng)急通道方案設(shè)計(jì)Fig.7 Scheme Design of Emergency Channel without Tower Crane

4.5 其他設(shè)計(jì)要點(diǎn)

⑴施工電梯出入口。施工電梯選型部署，主要考慮施工電梯的數(shù)量、型號(hào)滿足各階段材料運(yùn)輸?shù)囊?，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)力分析，作為施工電梯速度、數(shù)量選擇的依據(jù)。本項(xiàng)目的施工電梯安裝在核心筒結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，這樣既不影響幕墻、精裝修的施工，也可提前使用永久電梯。

⑵布置大型機(jī)械設(shè)備。布置塔吊時(shí)，應(yīng)考慮周邊環(huán)境、覆蓋范圍、可吊構(gòu)件的重量以及構(gòu)件的運(yùn)輸和堆場(chǎng)；同時(shí)還應(yīng)考慮塔吊的附墻桿件及使用后的拆除和運(yùn)輸。布置布料機(jī)的位置時(shí)，應(yīng)考慮泵管的輸送距離，立管位置應(yīng)相對(duì)固定且牢固；同時(shí)，布料機(jī)也要兼顧核心筒的水平結(jié)構(gòu)層的施工，實(shí)現(xiàn)豎向結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)的同步施工。

⑶布置倉(cāng)庫(kù)、堆場(chǎng)。堆場(chǎng)場(chǎng)地狹小，盡可能利用現(xiàn)場(chǎng)材料周轉(zhuǎn)情況裝卸貨。重物卸載在鋼支撐點(diǎn)附近，輕型堆場(chǎng)卸載在受力較小的平臺(tái)邊緣。存放危險(xiǎn)品類的倉(cāng)庫(kù)應(yīng)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)單獨(dú)設(shè)置。

⑷應(yīng)急通道。應(yīng)急通道的設(shè)計(jì)應(yīng)保證在任何一個(gè)區(qū)域出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，能將作業(yè)人員都能夠快速安全轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域。結(jié)合頂模系統(tǒng)的施工特點(diǎn)（豎向結(jié)構(gòu)領(lǐng)先水平結(jié)構(gòu)10 層左右），提供應(yīng)急逃生的關(guān)鍵在于如何將頂模平臺(tái)上作業(yè)人員安全轉(zhuǎn)移到水平結(jié)構(gòu)施工層。

5 總結(jié)

在頂模平臺(tái)設(shè)計(jì)中，通過(guò)科學(xué)、合理布置，臨時(shí)建筑、物料堆放與機(jī)械設(shè)備定位準(zhǔn)確，施工場(chǎng)地的臨時(shí)占用符合總體施工部署和施工流程的要求，減少相互干擾，減少二次搬運(yùn)。能有效地降低臨時(shí)設(shè)施的建造費(fèi)用，加快施工材料周轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)快速建造。同時(shí)，頂模平臺(tái)的優(yōu)化布置也符合節(jié)能、環(huán)保、安全和消防等要求?？蔀榻窈箢愃祈?xiàng)目的頂模平臺(tái)平面布置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。