整體鋼平臺模架裝備技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用*

龔 劍，房霆宸

(1 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2 上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080)

0 引言

模架裝備是超高建筑物和構(gòu)筑物工程建造的關(guān)鍵。超高結(jié)構(gòu)建造最主要的模架技術(shù)包括手動捯鏈爬模、液壓爬模、整體鋼平臺模架三種技術(shù)類型，其中整體模架和液壓爬模技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。手動捯鏈爬模是一種以手動捯鏈為動力的爬升式模板體系，在爬升模板發(fā)展早期得到了廣泛應(yīng)用。液壓爬模是一種以液壓油缸裝置作為動力的爬升式模板體系，在高層建筑建造中得到廣泛應(yīng)用。整體鋼平臺模架是一種以蝸輪蝸桿動力系統(tǒng)或液壓油缸動力系統(tǒng)驅(qū)動，通過整體式的鋼平臺系統(tǒng)及腳手架防護(hù)進(jìn)行施工的爬升式模板體系，特別適用于超高結(jié)構(gòu)建造。整體鋼平臺模架主要由鋼平臺系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、爬升系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、腳手架系統(tǒng)五大部分組成[1]，主要工藝是通過支撐系統(tǒng)與爬升系統(tǒng)的交替支撐進(jìn)行移動式爬升作業(yè)，從而進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工的模架裝備。由于整體鋼平臺模架具有大承載力、全封閉作業(yè)、智能化控制、工業(yè)化建造等特點(diǎn)，在當(dāng)今超高結(jié)構(gòu)建造中具有顯著的優(yōu)勢，可以大幅提高施工效率。目前，整體鋼平臺模架已廣泛應(yīng)用于我國200m及以上超高建筑物和構(gòu)筑物的混凝土結(jié)構(gòu)建造[1-2]。

整體鋼平臺模架裝備技術(shù)與我國超高層建筑以及構(gòu)筑物的發(fā)展相輔相成，二者之間發(fā)展密不可分。隨著我國結(jié)構(gòu)工程高度不斷攀升，工業(yè)化建造、信息化控制技術(shù)水平的不斷提升，整體鋼平臺模架裝備技術(shù)持續(xù)得到發(fā)展。根據(jù)其發(fā)展歷程，整體鋼平臺模架技術(shù)主要分為傳統(tǒng)整體鋼平臺模架裝備、智能控制整體鋼平臺模架裝備，其中傳統(tǒng)整體鋼平臺模架裝備主要包括內(nèi)筒外架支撐式整體鋼平臺模架裝備(類型一)、臨時鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備(類型二)、勁性鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備(類型三)三種類型[1]；智能控制整體鋼平臺模架裝備主要包括鋼梁與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架裝備(類型四)、鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架裝備(類型五)兩種類型[1]。近年來，為了提高施工工效，模架與機(jī)械一體化集成技術(shù)得到了發(fā)展，一體化集成技術(shù)主要包括整體鋼平臺模架與塔式起重機(jī)、施工電梯、混凝土布料機(jī)等機(jī)械的集成[1-2]。

1 傳統(tǒng)整體鋼平臺模架裝備技術(shù)發(fā)展

1990年，在當(dāng)時中國第一、世界第三高樓—上海東方明珠塔(建筑高度468m)的工程建造中，傳統(tǒng)的液壓爬模技術(shù)已無法滿足超高復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建造需求，亟需開發(fā)出新型的模架裝備，來滿足400m級超高結(jié)構(gòu)的建造需要。針對這類超高結(jié)構(gòu)建造的技術(shù)難題，上海建工率先提出整體模架理念，自主研發(fā)了內(nèi)筒與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架技術(shù)，即類型一的傳統(tǒng)整體鋼平臺模架裝備技術(shù)，見圖1。該整體鋼平臺模架裝備主要由全封閉整體鋼平臺體系、蝸輪蝸桿升板機(jī)動力系統(tǒng)、穿心式內(nèi)筒外架爬升系統(tǒng)、桁架式整體鋼平臺系統(tǒng)組成，采用了蝸輪蝸桿升板機(jī)作為動力爬升系統(tǒng)，以承重銷方式接觸支撐于混凝土結(jié)構(gòu)上來實(shí)現(xiàn)整體鋼平臺模架的爬升作業(yè)。

圖1 內(nèi)筒外架支撐式整體鋼平臺模架裝備

1994年，在中國首棟突破400m級高度的原中國第一、世界第三高樓金茂大廈工程建造中，上海建工研發(fā)了臨時鋼柱支撐式整體鋼平臺模架技術(shù)，即類型二的整體鋼平臺模架裝備技術(shù)[3]，見圖2。該模架裝備主要由全封閉整體鋼平臺體系、型鋼整體鋼平臺系統(tǒng)、升板機(jī)動力系統(tǒng)、臨時鋼柱支撐系統(tǒng)等組成，采用墻頂承載方式、一體化的支撐和爬升系統(tǒng)，以臨時鋼柱支撐系統(tǒng)作為導(dǎo)向，通過承重銷支撐于鋼柱上實(shí)現(xiàn)整體鋼平臺模架的爬升作業(yè)，工程應(yīng)用成效顯著，創(chuàng)造了2天建造1層樓的中國速度[1]。2003年，在492m高的原中國第一、世界第三高樓上海環(huán)球金融中心工程建造中[3]，上海建工針對上海環(huán)球金融中心核心筒結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜收分、結(jié)構(gòu)墻體立面形式多變的施工難題，基于金茂大廈工程所采用的臨時鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備技術(shù)，發(fā)明了工具式腳手架以及復(fù)雜體型分體組合轉(zhuǎn)換施工技術(shù)，研發(fā)出工具式拼裝整體腳手架系統(tǒng)，形成了分體組合模架轉(zhuǎn)換方法和整體腳手架滑移技術(shù)，構(gòu)建了模塊化全封閉作業(yè)體系，進(jìn)一步完善和提升了臨時鋼柱支撐爬升的整體鋼平臺模架裝備功能[4-5]。臨時鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備在南京紫峰大廈、蘇州東方之門、上海世茂國際廣場等大量超高建筑工程中得到了廣泛推廣應(yīng)用，并被業(yè)內(nèi)同行廣泛參考借鑒和應(yīng)用。此外，研究成果“超高建筑的整體自升鋼平臺腳手模板體系成套建造技術(shù)”獲得了2007年上海市科技進(jìn)步一等獎。

圖2 臨時鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備

2005年，在世界首棟突破600m高的中國第一高塔廣州塔工程建造中，上海建工持續(xù)完善和提升了模架裝備功能，研發(fā)出勁性鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備，即類型三的整體鋼平臺模架裝備，見圖3。該模架裝備具有豎向與水平方向結(jié)構(gòu)同步施工、分體姿態(tài)控制爬升等優(yōu)勢。施工時通過采用核心筒14根勁性鋼柱作為模架裝備的導(dǎo)向爬升系統(tǒng)[3]，驅(qū)動整體鋼平臺模架裝備完成整體爬升，有效解決了廣州塔核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)有勁性鋼柱的整體爬升施工難題[1]。

圖3 勁性鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備

2 智能控制整體鋼平臺模架裝備技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)整體鋼平臺模架裝備解決了架體承載力小、施工效率低、作業(yè)空間立體安全防護(hù)難等技術(shù)問題，但在動力驅(qū)動方式、模塊化集成、智能化控制、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性等方面尚存在不足，亟需開發(fā)出新型智能控制整體鋼平臺模架裝備技術(shù)。鑒于此，上海建工重點(diǎn)從整體爬升模架裝備信息化控制、工業(yè)化制造、綠色化施工水平方面開展研究，發(fā)明了下置頂升式和上置提升式兩種不同類型整體鋼平臺模架裝備。

2010年，研發(fā)了下置頂升式整體鋼平臺模架裝備技術(shù)[3]，即類型四的整體鋼平臺模架裝備，見圖4。該模架裝備頂升式爬升時，鋼梁爬升系統(tǒng)支撐在結(jié)構(gòu)的側(cè)面，通過采用液壓缸來頂升鋼平臺模架系統(tǒng)及筒架支撐系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)筒架支撐系統(tǒng)與鋼梁爬升系統(tǒng)兩個系統(tǒng)的交替支撐爬升。下置頂升式的整體鋼平臺模架裝備在中國第一高樓上海中心大廈工程得到了成功應(yīng)用，見圖5[1，3,5-6]。

圖4 鋼梁與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架裝備

圖5 上海中心大廈工程應(yīng)用

2012年，發(fā)明了上置提升式整體鋼平臺模架裝備技術(shù)[3]，即類型五的整體鋼平臺模架裝備，見圖6。該模架裝備提升式爬升時，其鋼柱爬升系統(tǒng)是支撐在結(jié)構(gòu)的頂部，通過采用液壓缸來驅(qū)動設(shè)置在爬升鋼柱上的上下爬升組件來提升鋼平臺模架系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)筒架支撐系統(tǒng)、鋼柱爬升系統(tǒng)兩個系統(tǒng)的交替支撐爬升。上置提升式的整體鋼平臺模架裝備在上海浦西第一高樓上海北外灘白玉蘭廣場工程得到了成功應(yīng)用[7]。

圖6 鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架裝備

上述兩種類型的智能控制整體鋼平臺模架裝備主要由鋼平臺系統(tǒng)、懸掛腳手架系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、腳手筒架支撐系統(tǒng)以及爬升系統(tǒng)五大系統(tǒng)構(gòu)成。該模架裝備突破了傳統(tǒng)工藝方法，通過采用內(nèi)置式小型化液壓驅(qū)動部件的方式，提升了模架裝備的工程適應(yīng)性；通過采用爬升系統(tǒng)與模架固有系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)形式，提高了模架部件的協(xié)同工作能力；通過采用智能化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超高空移動式空間作業(yè)自動化控制；通過采用模塊化全封閉作業(yè)環(huán)境，確保了工程施工的立體作業(yè)安全，降低了作業(yè)場所聲、光、塵因素對周邊環(huán)境的影響；通過采用模塊化標(biāo)準(zhǔn)件集成施工技術(shù)使系統(tǒng)部件綜合周轉(zhuǎn)使用率達(dá)90%以上，最大限度地節(jié)約了工程材料；通過采用雙層施工模式，解決了伸臂桁架和剪力鋼板層施工難題，大幅提升了施工效率，最快施工速度可達(dá)2天建造1層樓[1]。智能控制整體鋼平臺模架裝備在南京金鷹廣場、上海靜安大中里綜合發(fā)展項(xiàng)目、上海國際航空服務(wù)中心、武漢恒隆廣場、寧波新世界廣場、昆明恒隆廣場、深圳星河雅寶廣場、上海張江之門等大量工程中得到了廣泛推廣應(yīng)用。研究成果“超高結(jié)構(gòu)建造交替支撐液壓驅(qū)動全封閉整體鋼平臺摸架裝備技術(shù)”獲得了2014年上海市技術(shù)發(fā)明一等獎，“新型內(nèi)置液壓動力模塊化整體鋼平臺模架裝備技術(shù)及應(yīng)用”獲得了2015年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

3 模架與機(jī)械一體化技術(shù)

近年來，為了降低作業(yè)強(qiáng)度，提高整體鋼平臺模架裝備的高效作業(yè)性能，滿足一體化集成施工的工程需要，上海建工結(jié)合負(fù)責(zé)的“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“建筑工程現(xiàn)場工業(yè)化建造集成平臺與裝備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”，研發(fā)了一體化集成連接控制裝置和一體化高效離、合轉(zhuǎn)換技術(shù)，形成了整體模架與起重塔吊、人貨電梯、混凝土布料機(jī)等機(jī)械的一體化技術(shù)。通過將人貨兩用電梯一體化集成至整體鋼平臺模架裝備底部或頂部，提升了施工作業(yè)人員和工程物料的垂直方向運(yùn)輸效率。通過采用螺栓連接技術(shù)將混凝土布料機(jī)固定在整體鋼平臺模架裝備固定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)一體化集成，解決了超高空工程施工過程中混凝土布料機(jī)頻繁組裝拆卸的問題；通過采用行走式連接技術(shù)使混凝土布料機(jī)可以在鋼平臺上進(jìn)行局部位移澆筑混凝土，通過采用控制混凝土布料機(jī)的升降來調(diào)整整體鋼平臺模架裝備與混凝土布料機(jī)之間的空間位置關(guān)系，將混凝土布料機(jī)占位對整體鋼平臺模架裝備產(chǎn)生的不利影響減少到最低。通過將垂直運(yùn)輸塔機(jī)與整體鋼平臺模架裝備進(jìn)行一體化集成，同步采用協(xié)同爬升技術(shù)，大幅簡化了因塔式起重機(jī)附著混凝土墻體結(jié)構(gòu)而增加的繁瑣施工過程；模架與機(jī)械一體化集成平臺構(gòu)建的非螺栓非焊接接觸支撐連接方式，適應(yīng)了2 000t級載荷，極大降低了支撐連接及爬升作業(yè)強(qiáng)度，見圖7。通過將輔助起重行車與整體鋼平臺模架底部連接形成一體化集成方法，拓展了整體鋼平臺模架裝備下部作業(yè)空間，提高了整體鋼平臺模架裝備上下作業(yè)效率，上下同步施工節(jié)約了工期。一體化集成模架裝備在上海徐家匯中心、寧波中心等工程中，得到了推廣應(yīng)用，見圖8。

圖7 非螺栓非焊接接觸支撐連接方式

圖8 寧波中心大廈工程應(yīng)用

4 整體鋼平臺模架裝備技術(shù)體系

整體鋼平臺模架裝備主要用于超高建筑工程建造施工，需要滿足超高空移動式立體防護(hù)、快速實(shí)現(xiàn)自動爬升、全封閉高效安全建造、復(fù)雜體型適應(yīng)性等要求?；诖?，上海建工結(jié)合負(fù)責(zé)的國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“千米級超高層建造整體鋼平臺模架及輸送泵裝備研發(fā)與示范”、國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“建筑工程施工風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控技術(shù)研究”以及大量超高建筑工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)總結(jié)了內(nèi)筒外架支撐式整體鋼平臺模架裝備、臨時鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備、勁性鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備、鋼梁與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架裝備、鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架裝備五種不同類型整體鋼平臺模架裝備研究成果[1]，建立了集鋼平臺系統(tǒng)、腳手架系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、爬升系統(tǒng)、施工機(jī)械于一體的整體鋼平臺模架裝備技術(shù)體系。出版了著作《超高結(jié)構(gòu)建造整體鋼平臺模架裝備技術(shù)》，建立了整體鋼平臺模架理論基礎(chǔ)，構(gòu)建了技術(shù)體系，詳述了應(yīng)用方法，為中國創(chuàng)立的重大裝備產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)；主編了國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《整體爬升鋼平臺模架技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 459—2019)，統(tǒng)一了整體鋼平臺模架裝備的術(shù)語體系，建立了結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了構(gòu)造要求，制定了作業(yè)安全規(guī)定，為整體鋼平臺模架裝備的規(guī)?；茝V應(yīng)用提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1,8-9]。

5 整體鋼平臺模架裝備發(fā)展展望

整體鋼平臺模架裝備發(fā)展至今已有30余年，并在全國得到了產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，確保了數(shù)百項(xiàng)超高層建筑物、構(gòu)筑物的高效安全建造，改變了傳統(tǒng)建造模式，提高了施工工效和安全防護(hù)性能，帶動了我國建筑施工行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，打造了中國模架裝備新品牌。30余年來，整體鋼平臺模架裝備技術(shù)水平不斷得到發(fā)展和提升，已從傳統(tǒng)型整體鋼平臺模架裝備發(fā)展成為了智能控制整體鋼平臺模架裝備，并逐步向完善的智能化控制、工業(yè)化建造集成方向發(fā)展。關(guān)于智能化控制，開展基于人工智能、智能感知、物聯(lián)互聯(lián)網(wǎng)等的智能化遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究，對整體鋼平臺模架裝備擱置狀態(tài)、爬升姿態(tài)、爬升作業(yè)以及整體鋼平臺模架裝備上的施工作業(yè)人員安全、施工機(jī)械設(shè)備安全狀態(tài)進(jìn)行智能化控制是其發(fā)展的關(guān)鍵。關(guān)于工業(yè)化建造集成，基于工業(yè)化建造理念開展整體鋼平臺模架裝備標(biāo)準(zhǔn)模塊化制造與工業(yè)化建造新技術(shù)研究是關(guān)鍵，逐步實(shí)現(xiàn)各關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)的智能化控制和工業(yè)化建造，應(yīng)用工業(yè)化手段代替人力作業(yè)，大幅減少作業(yè)人員，減少施工過程人員的干預(yù)，將整體鋼平臺模架裝備發(fā)展成為超高建筑工程施工建造的真正的空中造樓機(jī)。