某大型城市綜合體項目塔吊選型及基礎(chǔ)設(shè)計淺談

連厚舫

上海寶冶集團有限公司 上海 200941

引言

隨著社會的快速發(fā)展，城市化進程日益加快，具有建筑工程體量超大、基坑超深、結(jié)構(gòu)超復(fù)雜、塔樓高度超高等特點的大型城市綜合體項目越來越多；塔吊機械設(shè)備具有起升高度大、覆蓋面廣等優(yōu)點，作為建筑工程施工材料水平運輸、垂直運輸?shù)闹匾ぞ?，多臺塔吊同時作業(yè)時既要滿足自身覆蓋范圍內(nèi)的施工運輸要求，又要盡量減少對相鄰塔吊運行過程中的影響；塔吊合理的選型和平面布設(shè)對項目各階段的整體規(guī)劃尤為重要。

1 工程概況

1.1 項目概況

本項目坐落于鄭州市鄭東新區(qū)繁華地段，北鄰商鼎路、南鄰蓮湖路、東到圃田路區(qū)域，項目共包含11棟單體，業(yè)態(tài)包括超高層辦公樓、高層辦公樓、多層辦公樓、商業(yè)、會議中心、地下車庫等。地下建筑面積197955.46m2，地上建筑面積426821.61m2，總建筑面積624777.07m2。

本工程鋼結(jié)構(gòu)部分主要分布在8#樓（146.15m）、9#樓（83.95m）、11#樓（146.15m）和10#樓（83.95m）中，塔樓采用型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)主要分布在外框柱內(nèi)鋼骨、核心筒內(nèi)勁性柱和鋼板墻、高低樓之間懸挑連廊。鋼結(jié)構(gòu)連廊分別位于8#與9#、10#與11#之間，標(biāo)高從27.83m（七層）至73.13m（十七層），共分11個吊裝單元。鋼結(jié)構(gòu)分布區(qū)域：核心筒內(nèi)鋼板墻和勁性柱、外框架混凝土柱內(nèi)勁性柱、懸挑空中連廊。

1.2 項目場區(qū)環(huán)境

項目周邊均為鄭州市區(qū)主干道，項目基坑距東西南三個方向的主干道不足10m，基坑距北側(cè)主干道距離約20m；項目施工臨時道路只能設(shè)置在基坑北側(cè)，場區(qū)可利用的臨時布設(shè)面積異常狹小。塔樓施工是項目的關(guān)鍵線路，為確保塔樓區(qū)域工期目標(biāo)，項目策劃塔樓優(yōu)先施工，在車庫區(qū)域設(shè)置道路、鋼筋加工場等臨時設(shè)置服務(wù)塔樓施工；車庫區(qū)域待塔樓結(jié)構(gòu)施工至正負(fù)零后，車庫區(qū)域分區(qū)施工，完成鋼筋加工場等臨時設(shè)置地上地下的搬遷轉(zhuǎn)換，確保塔樓施工連續(xù)不受影響[1]。

圖2 項目現(xiàn)場規(guī)劃圖

2 塔吊策劃

2.1 塔吊選型原則

2.1.1 塔吊高度、起重量、覆蓋面積、升降效率、轉(zhuǎn)向速度、限位質(zhì)量、用電功率等各項參數(shù)均應(yīng)滿足現(xiàn)行設(shè)備規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場施工需要。

2.1.2 根據(jù)項目進度計劃和各樓棟的建筑面積，采用施工手冊計算各單體需要塔吊的數(shù)量確保現(xiàn)場正常生產(chǎn)。

2.1.2.1 高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層施工對塔吊的要求需要滿足每平方米的建筑面積起吊1.1～1.6次，通過單體單層建筑面積，可以計算出每層標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)施工周期內(nèi)所需要的總吊次數(shù)N；

2.1.2.2 塔吊正常使用每班平均起吊能完成50～75次（現(xiàn)場實測每臺班約70吊），項目考慮塔吊加班作業(yè)（按1.5臺班計算），標(biāo)準(zhǔn)層計劃10天完成，可以估算項目正常生產(chǎn)時，每臺塔吊起吊的數(shù)量n，進而可以計算各單體正常生產(chǎn)需要塔吊的數(shù)量。

結(jié)合項目的特點，每棟單體外圍護體系均采用外爬架系統(tǒng)，布置塔吊時需考慮外爬架系統(tǒng)的拆除，塔吊覆蓋外爬架區(qū)域的最遠(yuǎn)位置應(yīng)保證1.2t的起重量。

項目塔吊總體策劃前，需要對項目的整體布局和施工圖紙充分了解，同時在結(jié)構(gòu)平面圖中分別標(biāo)注出各單體各樓層需要使用塔吊吊裝的中大型構(gòu)件的具體位置；在項目總圖規(guī)劃圖中明確需要塔吊吊裝的大型構(gòu)件的卸車、堆放區(qū)域。

需要對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行優(yōu)化、合理分段，既要確保工程的快速推進又確保每根構(gòu)件重量均在塔吊的安全起吊范圍內(nèi)，選擇最經(jīng)濟塔吊型號。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝對塔吊要求

2.2.1 鋼結(jié)構(gòu)分布。8#樓、11#樓型鋼柱的安裝高度最大為127.55m，型鋼柱分布在建筑物外邊緣，詳見圖3；8#與9#、10#與11#分別設(shè)置有鋼結(jié)構(gòu)連廊，其標(biāo)高從27.83m（七層）至73.13m（十七層），鋼連廊構(gòu)件最大重量（含吊具）為7t。根據(jù)項目場地狹小，鋼結(jié)構(gòu)的安裝高度及鋼構(gòu)件重量，項目選擇塔吊施工鋼結(jié)構(gòu)。

圖3 8#樓、9#樓鋼結(jié)構(gòu)與塔吊位置關(guān)系圖

2.2.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝驗算。主樓區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)最不利吊裝條件為勁性柱（含吊具）重7.41t，距8-1#塔吊32.68m；連廊區(qū)域最不利吊裝條件為鋼梁（含吊具）重7.0t，距8-1#塔吊35.65m；7527型塔吊起重性能詳見表1。

表1 7527塔吊起重性能

7527型塔吊為提高塔吊的吊裝效率采用2倍率，在起吊距離32.68m位置的最大起重量為8t（＞7.41t），起重荷載為塔吊最大起重量的92.6%；在該處勁性柱安裝時需試吊（把重物調(diào)至里地面200mm的位置停止，檢查塔吊的穩(wěn)定性、制動器的可靠性等，確認(rèn)安全后再進行吊裝）。7527型塔吊起吊距離35.65m位置的最大起重量為7.95t（＞7.0t），起重荷載為塔吊最大起重量的88%，可正常吊裝。

2.3 型鋼組合結(jié)構(gòu)樓棟塔吊選擇

8#樓、11#樓型鋼組合結(jié)構(gòu)勁性柱分節(jié)最大重量（含吊具）7.41t和鋼結(jié)構(gòu)連廊（含吊具）7.0t，判定該樓棟選擇塔吊型號至少為70型塔吊；根據(jù)型鋼結(jié)構(gòu)勁性柱分布在建筑物的外邊緣，可選擇1臺80型塔吊或1臺75型+1臺70型塔吊輔助施工。建筑的單層面積為2600m2，單層塔吊起吊次數(shù)2860次（2600×1.1）；1臺塔吊10天（每天2個臺班）起吊次數(shù)1400次（70×2×10），1臺塔吊無法滿足樓棟正常施工，最終選擇1臺75型塔吊+1臺70型塔吊配合施工。

9#樓、10#樓型鋼組合結(jié)構(gòu)勁性柱分節(jié)最大重量（含吊具）5.6t和鋼結(jié)構(gòu)連廊（含吊具）7.0t，判定該樓棟選擇塔吊型號至少為70型塔吊；根據(jù)型鋼結(jié)構(gòu)勁性柱分布相對集中，建筑的單層面積為1300m2，最終選擇1臺70型塔吊服務(wù)施工，鋼結(jié)構(gòu)連廊主要采用8#樓、11#樓75型塔吊施工。

2.4 塔吊布置

根據(jù)該項目實際情況，為滿足項目物料運輸需求，現(xiàn)場安裝塔吊14臺，其中60型塔吊8臺、70型塔吊4臺、75型塔吊2臺；70型、75型負(fù)責(zé)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)樓棟施工，60型塔吊負(fù)責(zé)框筒-剪力墻結(jié)構(gòu)樓棟施工，詳見塔吊平面布置圖[2]。

圖4 塔吊平面布置圖

3 塔吊基礎(chǔ)設(shè)計

3.1 塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)的關(guān)系

3.1.1 塔吊基礎(chǔ)位于建筑基礎(chǔ)下部。優(yōu)點：塔吊基礎(chǔ)可以先于主樓基礎(chǔ)提前單獨施工；不存在塔樓基礎(chǔ)或車庫基礎(chǔ)鋼筋甩筋的問題。

缺點：塔吊基礎(chǔ)開挖深度大，后期級配砂石回填量較大增加工程成本；級配砂石回填深度較大存在較大安全隱患。

圖5 塔吊基礎(chǔ)位于建筑基礎(chǔ)下部

3.1.2 塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)共用。塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)完全共用（詳見圖6、圖7）。

圖6 塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)完全共用

圖7 塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)部分共用

優(yōu)點：可以與塔樓基礎(chǔ)共用節(jié)約鋼筋和混凝土的使用量。避免大量級配砂石回填，控制項目成本。塔吊基礎(chǔ)開挖深度較小，降低塔吊基礎(chǔ)施工過程中的安全隱患。

缺點：若塔吊基礎(chǔ)與塔樓基礎(chǔ)同時澆筑將導(dǎo)致塔吊的安裝時間嚴(yán)重滯后，塔樓基礎(chǔ)施工材料水平運輸收到嚴(yán)重制約。若塔吊基礎(chǔ)先于塔樓基礎(chǔ)施工，塔樓基礎(chǔ)鋼筋需提前預(yù)埋于塔吊基礎(chǔ)，塔樓基礎(chǔ)鋼筋預(yù)埋是塔吊基礎(chǔ)施工的重難點。

3.1.3 塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)關(guān)系選擇。塔吊基礎(chǔ)設(shè)置優(yōu)先考慮借用建筑物基礎(chǔ)，該處理方式有以下優(yōu)點：①無須考慮塔吊長期泡水導(dǎo)致塔吊失穩(wěn)傾覆；②為防止因塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)滲漏而澆筑于建筑物基礎(chǔ)；③借助建筑基礎(chǔ)可以增強塔吊的抗傾覆能力；④可以節(jié)約鋼筋混凝土。

項目塔吊基礎(chǔ)布置形式最終選擇采用基礎(chǔ)共用的方式，該項目采用BIM技術(shù)提前模擬塔吊基礎(chǔ)的位置，并把塔樓基礎(chǔ)鋼筋逐根畫出精確定位避免后期塔樓施工預(yù)留鋼筋的偏差問題。

圖8 塔吊基礎(chǔ)BIM模型

圖9 塔吊基礎(chǔ)實體

13#、14#塔吊因主要服務(wù)于車庫區(qū)域施工可以避開沉降后澆帶的影響，該兩臺塔吊采用塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)完全共用的方式；其他12臺塔吊采用塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)部分共用的方式。

3.2 塔吊基礎(chǔ)設(shè)計情況

表2 塔吊參數(shù)統(tǒng)計表

3.3 塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)共用受力分析

以13#塔吊為例分析塔吊基礎(chǔ)與地庫筏板共用；驗算交界面筏板沖切驗算和配筋。計算考慮塔吊基礎(chǔ)外延1米，外延筏板厚度按最薄的筏板厚度700mm取值。兩方向?qū)ΨQ僅計算一個方向即可[3]。計算基礎(chǔ)總長 7.500m，計算基礎(chǔ)總寬7.500m。

3.3.1 豎向荷載計算：

基礎(chǔ)自重：Gk=γ×Bx×By×dh=25.000×7.500×7.500×1.300=1828.125kN

塔吊荷載：F1=1.35×Fk=1.35×464.100=626.535kN

3.3.2 彎矩計算：

3.3.3 水平力計算：

3.3.4 作用在基礎(chǔ)底部彎矩值：

3.3.5 變截面處抗剪計算：

因(YH≤800) βhp=1.0

x沖切不利位置

x沖切面積

x沖切截面上的地基凈反力設(shè)計值

變階處對底板的沖切滿足規(guī)范要求

3.3.6 變截面處配筋計算：

計算變截面彎矩

因x方向小偏心

因y方向小偏心

計算Asx=γo×MI_2/(0.9×(h-as)×fy)

計算配筋取大值422.2mm2構(gòu)造配筋即可滿足要求；即塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)共用滿足結(jié)構(gòu)安全。

3.4 塔吊基礎(chǔ)橫跨塔樓、裙樓基礎(chǔ)做法

塔吊基礎(chǔ)與塔樓基礎(chǔ)部分共用；塔吊基礎(chǔ)頂面位于車庫區(qū)域基礎(chǔ)下部，為避免塔吊基礎(chǔ)對車庫區(qū)域、塔樓區(qū)域不均勻沉降的影響，塔吊基礎(chǔ)頂部與車庫區(qū)域采用砂石墊層軟連接。（詳見圖10）。

圖1 項目整體效果圖

圖10 塔吊基礎(chǔ)與車庫基礎(chǔ)軟連接

3.5 塔吊遇建筑基礎(chǔ)后澆帶的做法

塔吊遇建筑基礎(chǔ)后澆帶時，塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)外擴500mm范圍預(yù)留后澆筑；預(yù)留區(qū)域需留設(shè)止水鋼板，止水鋼板位置與后澆帶止水鋼板標(biāo)高一致，預(yù)留區(qū)域待塔吊拆除后與后澆帶一同澆筑。

圖11 塔吊遇后澆帶平面圖

圖12 塔吊遇后澆帶剖面圖

3.6 塔吊基礎(chǔ)防水做法

塔吊基礎(chǔ)下部及側(cè)面防水分別與車庫、塔樓區(qū)域形成封閉的防水體系；塔吊基礎(chǔ)防水做法同地下室底板做法；在與塔樓結(jié)構(gòu)相連的部位設(shè)置止水鋼板，防止預(yù)留施工縫的位置發(fā)生滲漏[4]。

圖13 塔吊基礎(chǔ)防水構(gòu)造節(jié)點詳圖

3.7 塔吊基礎(chǔ)遇錨桿處理方式

塔吊基礎(chǔ)與抗浮錨桿相遇時采用油氈對錨桿進行保護豎直穿過塔吊基礎(chǔ)；盡量減少塔吊基礎(chǔ)影響抗浮錨桿對建筑物的作用力（詳見圖14）。

圖14 塔吊基礎(chǔ)遇抗浮錨桿時節(jié)點詳圖

3.8 塔吊優(yōu)化經(jīng)濟效益

塔吊基礎(chǔ)與塔樓基礎(chǔ)部分共用可以使塔身盡可能靠近塔樓避免塔吊出現(xiàn)超長附臂（附臂長度大于8m），超長附臂每道需增加費用1.5萬元，現(xiàn)場所有塔吊需安裝47道附臂，為項目節(jié)約70.5萬元。采用塔吊基礎(chǔ)與建筑基礎(chǔ)部分共用的方式，合理布置節(jié)約混凝土約150m3、鋼筋約30t，為項目節(jié)約費用約25萬元。通過塔吊基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計合理布置為項目合計節(jié)約約100萬元。

4 塔吊運行及監(jiān)測

4.1 群塔防碰撞

4.1.1 群塔防碰撞策劃。塔吊基礎(chǔ)的定位是防碰撞的關(guān)鍵，在布置塔吊前要嚴(yán)格控制塔吊之間的運轉(zhuǎn)半徑，預(yù)防塔吊之間碰撞塔身的情況。根據(jù)規(guī)范要求，兩塔之間的距離應(yīng)大于2.0m，確保塔身不會碰撞大臂[5]。

塔吊布置階段充分考慮塔吊交叉作業(yè)對樓棟施工進度的影響，通過策劃塔吊布局、優(yōu)化塔吊大臂長度，確保每臺塔吊服務(wù)一棟主樓，盡量避免一塔多用的現(xiàn)象；避免因一棟塔樓進度緩慢導(dǎo)致其他塔樓施工受到制約的現(xiàn)象。

4.1.2 群塔防碰撞智能軟件應(yīng)用。目前塔吊防碰撞設(shè)備的應(yīng)用可以極大的提高塔吊安裝作業(yè)的安全系數(shù)。塔吊可視化系統(tǒng)是采用球狀監(jiān)控儀安裝在塔吊大臂最前端，自動對吊裝區(qū)域進行聚焦并傳輸視頻數(shù)據(jù)到司機操作屏幕上，塔吊司機無死角監(jiān)控吊運范圍，減少盲吊所引發(fā)的安全事故，對地面指揮起到有效的補充作用。

塔吊防碰撞系統(tǒng)和吊裝可視化系統(tǒng)的應(yīng)用可以實時判斷兩臺塔吊或塔吊與障礙物之間的距離，當(dāng)此距離接近安全距離時，該系統(tǒng)能及時報警提示司機并控制塔吊運行。

4.2 塔吊監(jiān)測

塔吊使用的過程中，現(xiàn)場每15天安排專業(yè)測量隊對項目所有塔吊進行檢測，檢查塔吊垂直度及塔吊沉降量確保塔吊使用安全，監(jiān)測數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 塔吊使用過程監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

通過施工全過程對塔吊運行全過程的檢測，塔吊垂直度及塔吊基礎(chǔ)沉降量均滿足規(guī)范要求，塔吊安全有序運行[6]。

5 塔吊附臂管理

5.1 塔吊附臂原則

5.1.1 根據(jù)塔吊使用說明書及每棟塔樓的結(jié)構(gòu)特點，策劃每臺塔吊最經(jīng)濟附臂位置；

5.1.2 梳理每臺塔吊附臂提升受制約條件，塔吊與塔吊之間的相互制約；塔吊服務(wù)塔樓以外是否還與其他塔樓外架等附臂構(gòu)件相交；

5.1.3 策劃每棟塔樓的施工進度，避開塔樓及其外架與塔吊相交。

5.2 5#、6#塔吊附臂分析

5.2.1 單臺塔吊附臂分析。5#樓6013型塔吊，塔吊在塔樓施工過程中需要6次附臂，從圖15發(fā)現(xiàn)塔吊在21層附臂階段塔吊已頂升至塔吊懸臂最大高度才能滿足5#樓的結(jié)構(gòu)施工，由此可知該塔吊的附臂位置在不增加附臂次數(shù)的前提下沒有調(diào)整空間。

圖15 5#樓6013型塔吊附臂

6#樓采用6015型塔吊，塔吊在塔樓施工過程中需要6次附臂，從圖16發(fā)現(xiàn)塔吊在20層附臂階段塔吊并未頂升至塔吊懸臂最大高度即可滿足2#、6#樓的結(jié)構(gòu)施工，由此可知該塔吊的附臂位置在施工過程中根據(jù)塔樓的施工進度可以適當(dāng)調(diào)整。

圖16 6#樓6015型塔吊附臂

5.2.2 5#、6#塔吊工況分析。5#塔吊大臂與6#樓外架有交叉，6#塔吊對5#塔樓無影響；5#、6#塔吊附臂特性相同；項目策劃優(yōu)先施工5#樓，確保5#樓施工進度快于6#樓。

5.2.3 5#、6#塔吊附臂設(shè)計。5#～6#塔樓采用60型塔吊，塔吊在獨立高度施工階段，采用高低相錯的方式（6#塔吊安裝高度39.2m，5#塔吊安裝高度33.6m）；待塔樓施工至地上二層后，根據(jù)塔吊的相互制約條件分析，優(yōu)先施工5#樓，6#樓施工重點轉(zhuǎn)移至車庫施工，為后期塔吊最經(jīng)濟的附臂創(chuàng)造條件[7]。

6 結(jié)束語

大型城市綜合體項目塔吊的選型和布置是能否滿足項目正常施工的前提；高密度塔吊群作業(yè)需提前規(guī)劃每臺塔吊的附臂位置，有效的協(xié)調(diào)空間關(guān)系。本項目合理布設(shè)14臺塔吊，通過合理的選型、科學(xué)的布置、有效的管理、協(xié)調(diào)空間關(guān)系等措施確保塔吊群施工安全、可靠、有序運行，為協(xié)作隊伍提供優(yōu)質(zhì)的運輸服務(wù)，對類似工程具有一定的借鑒意義。