武漢長江中心輕量化集成平臺設計*

李健強，楊 勛，王 帥，滕洪園，沈仁菊

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064)

1 空中造樓機應用背景

1.1 超高層禁令

近年來，超高層建筑在國內(nèi)大規(guī)模興建，超高層塔樓核心筒施工中的問題越來越受到建設單位的關(guān)注，具有高效、安全等特性的“空中造樓機”也備受熱衷，從最開始的焊接低位頂模、模塊化低位頂模、貝雷架裝配式低位頂模，再到微凸支點頂模集成平臺，無一不是施工行業(yè)中的焦點。2020年4月住房和城鄉(xiāng)建設部出臺的《關(guān)于進一步加強城市與建筑風貌管理的通知》中提到：“嚴格限制各地盲目規(guī)劃建設超高層‘摩天樓’，一般不得新建500m以上建筑”“嚴格限制新建250m以上建筑”，明文“禁限超高層”。2021年7月國家發(fā)展改革委發(fā)文嚴格執(zhí)行《住房和城鄉(xiāng)建設部、國家發(fā)展改革委關(guān)于進一步加強城市與建筑風貌管理的通知》，再次明確“嚴格限制新建250m以上建筑”“不得新建500m以上超高層建筑”。超高層建筑“空中造樓機”迎來新的挑戰(zhàn)。

1.2 空中造樓機瑕瑜互見

空中造樓機雖優(yōu)勢明顯，但缺點也與之并存。首先，降本增效是施工過程中關(guān)注的重點，空中造樓機集成模塊多、體量大，導致其成本高，適當進行“瘦身減重”可達到降低成本的目的，進而推動超高層施工裝備集成平臺的推廣使用。其次，部分工序操作難度較高，如斜墻施工難度大、墻體預埋復雜、頂升過程操作繁瑣等；降低施工難度、提升操作便捷性不僅可提高現(xiàn)場施工效率，還能提升施工質(zhì)量，保障施工過程安全。最后，現(xiàn)行空中造樓機標準化程度低，可周轉(zhuǎn)率低，通用性亟待提高，因此繼續(xù)提高構(gòu)件標準化可進一步降低成本，實現(xiàn)減少污染、節(jié)能減排、持續(xù)綠色發(fā)展。

2 輕量化集成平臺創(chuàng)新點

為解決成本過高、操作難度較大、通用性差等問題，同時為提高集成平臺智能化程度、改善施工環(huán)境，在現(xiàn)有集成平臺技術(shù)的基礎上，從以下方面對輕量化集成平臺進行創(chuàng)新設計。

1)支點輕量化 本智能化集成平臺較前幾代空中造樓機總重縮減50%以上，全新支點頂升力設計值較之前縮減1/2。采用點式勾爪，不僅單支座體形小、自重輕(僅重570kg)，且能提高支座周轉(zhuǎn)效率。增設頂升導向及多級防墜裝置，安全性更可靠，確保平臺在突發(fā)異常情況下的絕對安全。同時，區(qū)別于傳統(tǒng)低位頂模大行程、重型油缸，項目采用中等行程、中型油缸(體形小)，為后期因結(jié)構(gòu)變化進行拆改周轉(zhuǎn)使用提供更大的安全保障。

2)構(gòu)件通用化 標準化高抗剪型貝雷片自重輕，周轉(zhuǎn)使用率高，對掛架進行通用化設計，根據(jù)現(xiàn)場尺寸模數(shù)進行組合拼裝，適用性強、封閉性好，可確保施工作業(yè)的安全。鋼平臺設計為標準尺寸，相互之間采用螺栓連接，可輕松拆卸，便于后續(xù)周轉(zhuǎn)。

3)操作便捷化 將模板、吊掛平臺集成化，為核心筒施工提供更寬敞的作業(yè)空間，提高平臺內(nèi)交通組織效率，并為后期斜墻施工及核心筒結(jié)構(gòu)變化提供更安全的作業(yè)基礎，大大降低斜墻施工難度，提高安全保障。

4)控制智能化 增加頂升過程可視化系統(tǒng)、油缸智能化控制系統(tǒng)，對頂升立柱實現(xiàn)實時監(jiān)控、實時壓力傳導等功能；控制系統(tǒng)增加一鍵頂升，操作簡便，有效提高頂升效率。

5)空間舒適化 雙層平臺設計增大空間利用率，外墻和內(nèi)筒掛架確保鋼筋綁扎、模板支設操作空間寬敞、安全，全封閉環(huán)境和噴淋系統(tǒng)可應對惡劣天氣，提高施工環(huán)境舒適性。

3 工程概況

武漢長江中心位于武漢市武昌區(qū)，塔樓地上80層，地下4層，總建筑面積21.9萬m2，建筑高度380m，標準層高4.4，4.5m，避難層高5m，結(jié)構(gòu)體系為密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)形式為由48根外框柱、鋼梁組成的鋼框架及56根核心筒鋼骨柱組成的勁性結(jié)構(gòu)。外框柱混凝土強度等級為C60，核心筒剪力墻混凝土強度等級為C50～C60，墻柱混凝土強度等級為C60。為滿足垂直運輸需求，在核心筒內(nèi)布置ZSL750型，ZSL1250型2臺起重機和1部SC200/200施工電梯。塔樓核心筒典型平面布置如圖1所示。

圖1 塔樓核心筒典型平面布置

4 重難點分析

1)核心筒內(nèi)塔式起重機、電梯占用空間大；核心筒面積隨高度上升逐漸從860m2縮減到640m2，其內(nèi)部剪力墻將核心筒分為9個筒體，其中2個筒體內(nèi)布置塔式起重機，1個筒體內(nèi)布置雙籠電梯，致使內(nèi)部空間狹小，嚴重影響集成平臺支點和內(nèi)墻掛架的布置。

2)核心筒內(nèi)、外墻體收縮大，隨結(jié)構(gòu)高度的上升，外墻厚由1 500mm變?yōu)?00mm，內(nèi)墻厚由400mm變?yōu)?00mm，同時還伴隨北側(cè)墻體內(nèi)收1.7m，南側(cè)墻體內(nèi)收2.25m，增加了集成平臺的設計難度。

3)核心筒鋼骨柱數(shù)量多，排布密集；核心筒內(nèi)鋼骨起始于L1層，其中L1，L11層有56根鋼骨柱，L2～L10，L12～L17層有55根鋼骨柱，L18～L19層減少為17根鋼骨柱，L20～L23層減少為2根，L24～L28層減少為1根。

5 輕量化集成平臺設計

武漢長江中心一期工程輕量化支點智能頂模集成平臺由支撐與頂升系統(tǒng)、鋼平臺系統(tǒng)、掛架系統(tǒng)、模板系統(tǒng)及附屬設施等組成(見圖2)。集成平臺平面約為35m×30m，立面高23m，覆蓋3.5個結(jié)構(gòu)層(包括鋼筋綁扎層、混凝土澆筑層、混凝土養(yǎng)護層)施工。平臺共設置12個輕型支點，每個支點由可周轉(zhuǎn)附墻支座、油缸支架、液壓油缸、上立柱等組成。支點支撐在墻體一側(cè)的附墻支座上，平臺荷載通過上立柱、油缸支撐架及頂升油缸傳遞至附墻支座，最后傳至結(jié)構(gòu)墻體。頂部平臺一體化集成包括控制室、布料機等設施(焊接設備、施工機具、材料堆場、消防系統(tǒng)、移動廁所)。核心筒施工期間，采用1臺ZSL1250型及1臺ZSL750型內(nèi)爬塔式起重機作為垂直運輸設備，同時核心筒內(nèi)部布置1臺雙籠SC200/200電梯作為上人電梯，施工人員通過該電梯可直接進入頂模頂部鋼平臺。

圖2 輕量化集成平臺立面

5.1 支撐與頂升系統(tǒng)

武漢長江中心項目塔樓核心筒被內(nèi)墻分為9個筒體，根據(jù)內(nèi)墻變動方向大致選擇支點布置位置，然后采用MIDAS Gen對頂模平臺進行有限元分析及設計驗算，以確定具體支點數(shù)量及位置。模型建立時，鋼框架系統(tǒng)、格構(gòu)柱式支撐立柱、支撐架、液壓油缸及吊掛托盤系統(tǒng)由梁單元組成；掛架、模板、布料機及附屬設置等系統(tǒng)則采用荷載形式施加在鋼框架系統(tǒng)中。

計算工況包括施工、頂升及停工3種工況。荷載類型包括恒荷載和活荷載，恒荷載即結(jié)構(gòu)自重，包括支撐系統(tǒng)、油缸、立柱、鋼平臺自重(考慮節(jié)點附加重量，自重系數(shù)取1.2)；活荷載包括平臺堆載、掛架施工荷載、平臺施工荷載和風荷載。通過計算，最終確定12個支點滿足集成平臺3種工況的荷載，支點平面布置如圖3所示。

圖3 輕量化支點平面布置

為解決輕量化問題，支點方面，本設計采用最新點式勾爪形式替代凸點形式，極大地減輕了支點結(jié)構(gòu)自重和支點對結(jié)構(gòu)的影響；立柱方面，采用分布分幅設計，利用小油缸和立柱上短間距承力棒有序布置，實現(xiàn)短進程循環(huán)頂升。

支點布置選擇上，優(yōu)先選擇墻面不變化的部位，避免空中支點轉(zhuǎn)化問題。對于無法避開墻面變化的地方，采用加厚支點的形式，通過墊高支點來彌補墻面內(nèi)收。對于部分強度不夠的墻體進行加固，增加配筋，提升墻體承載力。

考慮到頂升立柱過長難以周轉(zhuǎn)，將頂升立柱分為頂部托梁、支撐立柱接長節(jié)、導軌立柱、附墻支座、液壓油缸及爬升框等部位，各部位通過法蘭盤及插銷連接。

頂升立柱高約20m，設計頂升力1 500kN，設計回收力500kN，附托在墻面掛爪上，最大行程1.6m。為保證支撐系統(tǒng)與墻體連接的可靠性和安全性，對支撐系統(tǒng)進行限側(cè)導向功能和防墜功能設計。在附墻支座上設置限側(cè)導向輪，在立柱上設置T形導軌槽，現(xiàn)場安裝時導向輪套在T形槽內(nèi)，確保頂升過程中立柱不發(fā)生較大位移；支撐系統(tǒng)的防墜功能主要通過在支撐立柱上布置承力棒實現(xiàn)，頂升過程中若出現(xiàn)異常，可在1個步距內(nèi)將架體落位，進行檢修。

液壓頂升系統(tǒng)按整體控制、單獨運行的原則，采用12只頂升主液壓缸單獨控制12根頂升立柱。電氣系統(tǒng)采用12組負責主頂升缸的液壓站，由PLC控制中心及各類壓力傳感器、位移編碼器等組成一個完善的智能化控制系統(tǒng)。主頂升缸主要參數(shù)為：油缸最大頂升力1 500kN，頂升速度150mm/min，液壓系統(tǒng)額定工作壓力21MPa，油缸內(nèi)徑280mm，活塞桿直徑200mm，頂升有效行程1 600mm。

5.2 鋼平臺系統(tǒng)

以往造樓機平臺為整體焊接而成，周轉(zhuǎn)率低，新型造樓機對平臺節(jié)點進行優(yōu)化。平臺系統(tǒng)由標準化構(gòu)件拼接形成，貝雷片選用市面上常見的200型標準貝雷片、200型非標準片(長 1 542mm)， 同時設計適應貝雷片結(jié)構(gòu)形式的節(jié)點連接件和標準化上、下鋪板。

布置貝雷片時，將主桁架與次桁架通過十字連接件、一字連接件及柱頭等連接成一個整體平臺，平臺上鋪設花紋鋼板。鋼平臺骨架結(jié)構(gòu)由4道貝雷片并列連接成1個單元(稱為1榀貝雷架)，頂升立柱上方布置柱頭連接件，柱頭連接件間通過各榀貝雷架采用銷軸進行連接。根據(jù)頂模系統(tǒng)支點位置，鋼平臺系統(tǒng)由東西向4根主梁、南北向2根主梁組成整個鋼平臺框架體系；其余位置根據(jù)鋼平臺走道板及掛架布置在主梁間安裝次梁，次梁由單根貝雷片通過連接件與主梁連接。由于核心筒結(jié)構(gòu)設有勁性柱，布置主梁時，其平面位置應盡量避免與勁性結(jié)構(gòu)沖突，不能避讓的位置，通過調(diào)整勁性鋼柱分段解決。布置次梁時，要根據(jù)上、下鋪板進行適當增減，確保鋪板懸挑距離不會過長。

鋼平臺頂部主要作為核心筒施工的材料堆場及施工平臺使用，施工過程中根據(jù)不同結(jié)構(gòu)承載力將平臺劃分為重載區(qū)、輕載區(qū)及非載區(qū)，貝雷架內(nèi)部可布設頂升控制室、液壓泵站、臨水臨電設施和工具存放處，平臺底部作為掛架及模板掛設的承力吊點。

上鋪板使用3mm厚花紋鋼板冷彎制成，設計時考慮可周轉(zhuǎn)性，本項目采用500～3 500mm長度標準尺寸，寬度均設計為250mm。鋪板鋪設在貝雷片上弦處，通過螺栓進行連接。布置上鋪板時，墻體上方需為鋼骨柱留出空間，同時方便支模澆筑。吊裝口位置不設鋪板，以便材料垂直運輸。為滿足更多設施的布置，在貝雷片下弦鋪設下鋪板。頂升控制室、液壓泵站、臨水臨電等放置在下鋪板上，為鋼平臺上方堆場預留出足夠空間，以便放置更多材料進行緩沖，有效提升空間利用率。鋼平臺系統(tǒng)上、下平臺功能布置如圖4,5所示。

圖4 上平臺功能布置

5.3 掛架系統(tǒng)

掛架系統(tǒng)由工字鋼梁、掛架吊點、立桿、橫桿、走道板和翻板組成，主要為施工過程提供作業(yè)面，同時作為人員上下通道。掛架系統(tǒng)不作為頂模結(jié)構(gòu)的主承力體系。掛架覆蓋3.5個施工層，從上至下分別為鋼筋綁扎層、混凝土澆筑層、混凝土養(yǎng)護層。每個分層跨度4.4m，對應塔樓標準層高。本工程整個掛架系統(tǒng)共7層，層高為2.2m，分為外掛架及內(nèi)筒掛架。掛架立桿通過滑動連接件、固定連接件與上方軌道梁相連，內(nèi)、外側(cè)立桿間通過螺栓連接掛架橫桿和走道板。考慮到墻體外部尺寸變化較大，外部掛架采用可滑動連接件進行連接，當墻體內(nèi)收時掛架可沿墻體收縮方向滑動，縮短掛架與墻體間的距離，提升施工便捷性和安全性；內(nèi)掛架大部分采用固定連接件進行連接，增強施工時掛架的穩(wěn)定性?；瑒舆B接件與固定連接件連接在軌道梁上，軌道梁再采用4種形式的吊點夾具與上方貝雷架連接，形成一個整體?？紤]到操作面較小，采用600～800mm活動翻板以拓展操作面空間，同時翻板也起到防止物品墜落的作用，保障施工安全。

5.4 模板系統(tǒng)及附屬設施

模板系統(tǒng)包括滑梁、電動葫蘆、鋼絲繩、鋁模板、背楞、對拉螺栓等構(gòu)件?；翰贾迷谪惱准芟孪?，電動葫蘆布置在滑梁上，可在滑梁上前后移動，鋁模板通過鋼絲繩整體吊掛在電動葫蘆上；脫模時，控制電動葫蘆收縮，快速將模板整體與墻面脫離；頂升時，鋁模板可隨鋼平臺整體提升而上升，節(jié)省人力、時間。

塔樓結(jié)構(gòu)施工主要采用鋁合金模板，分整體吊掛隨頂模同步頂升、現(xiàn)場拼裝隨結(jié)構(gòu)施工往上周轉(zhuǎn)2種形式。樓層層高主要有4.4，4.5，5m 3種，4.4m為普遍層高，5m僅為避難層層高，考慮到鋁模板配置應適應樓層高度，外掛鋁模板統(tǒng)一按4.6m高度標準進行配置。模板標準墻板寬400mm，為減小螺栓間距，本項目主要使用300mm寬模板。墻板與樓面采用C槽銷釘連接，墻板通過背楞和對拉螺栓進行加固，對拉螺栓水平間距最大為600mm，豎直方向距離為250～600mm。本工程內(nèi)墻面設置7道背楞，外墻面設置8道背楞。

集成平臺附屬設施包括頂升控制室、布料機、焊機房、噴淋消防系統(tǒng)、臨電、移動廁所等。頂升控制室位于集成平臺中部上、下鋪板間，確保與各頂升立柱距離最小，室內(nèi)放置液壓控制臺和頂模集成平臺實時監(jiān)測系統(tǒng)；2臺19m臂長布料機分別放置在東北、西南側(cè)，確保對核心筒結(jié)構(gòu)澆筑實現(xiàn)全覆蓋；噴淋消防系統(tǒng)既能滿足防火要求，又能應對高溫天氣；臨電設施包括掛架燈帶、頂升立柱燈帶及其他用電設施電纜線。

6 結(jié)語

輕量化集成平臺從支點輕量化、構(gòu)件通用化、操作便捷化、控制智能化、空間舒適化5個方面對以往空中造樓機進行優(yōu)化，成本方面做減法，智能化方面做加法，提高經(jīng)濟性、通用性、可周轉(zhuǎn)性，使其更加適應國家和建筑行業(yè)發(fā)展方向。同時，輕量化集成平臺也可為施工行業(yè)中更多的智能裝備提供平臺，在此基礎上孕育出新智能化輔助作業(yè)設施，如智能移動式布料機、搬運機器人、智能測量機器人等，提升工地智慧化程度，為建筑工業(yè)化添磚加瓦。