高聳塔式構(gòu)筑物施工整體模架設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊德生/YANG De-sheng

（1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2.上海建工裝備工程有限公司，上海 201114）

在超高層建（構(gòu)）筑物工程的結(jié)構(gòu)建造方案設(shè)計(jì)中，模架技術(shù)的選擇是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于結(jié)構(gòu)施工的安全、質(zhì)量以及總體效率有著重要的影響，是施工組織設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。高聳塔式構(gòu)筑物有其作為超高構(gòu)筑物的共性，如采用鋼筋混凝土核心筒+鋼結(jié)構(gòu)外框的組合結(jié)構(gòu)形式；也有其自身的獨(dú)特性，如筒體較小，筒內(nèi)空間狹小，筒體外形多為異形構(gòu)造等。

如圖1 所示，上港濱江城總體開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中的地標(biāo)建筑——風(fēng)塔，是一幢高聳塔式構(gòu)筑物。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，該項(xiàng)目采用了上海建工自主研發(fā)的整體鋼平臺(tái)模架體系。與傳統(tǒng)模架相比，該模架在結(jié)構(gòu)體型適應(yīng)性、封閉性、安全性、高效性等方面優(yōu)勢(shì)明顯?；谀K化設(shè)計(jì)、構(gòu)件化加工的設(shè)計(jì)理念，整體鋼平臺(tái)體系的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均在加工廠生產(chǎn)制作，加工完成后進(jìn)行預(yù)拼裝，然后在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體安裝[1-6]。

圖1 上港濱江城項(xiàng)目效果圖

1 項(xiàng)目概況

如圖2 所示，風(fēng)塔地下3 層，地上18 層，建筑高度179.900m。核心筒為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，平面由不同曲率多段圓弧組成且內(nèi)部空間狹?。辉?1F、13F 核心筒墻體分別變形一次，部分墻體消失；隨著高度變化，核心筒墻體厚度逐步減少；核心筒結(jié)構(gòu)中沿高度設(shè)置3道伸臂桁架。

圖2 風(fēng)塔核心筒平面布置圖

2 項(xiàng)目難點(diǎn)

1）風(fēng)塔核心筒平面由不同曲率多段圓弧組成且內(nèi)部空間狹小，增大了整體鋼平臺(tái)模架設(shè)計(jì)難度。整體鋼平臺(tái)模架不僅要適應(yīng)小空間復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)施工，而且要充分考慮與塔機(jī)、施工電梯等施工機(jī)械的空間關(guān)系及協(xié)同施工問(wèn)題。鋼大模設(shè)計(jì)要適應(yīng)多段圓弧混凝土墻體，并適應(yīng)墻體收分及伸臂桁架層等復(fù)雜工況施工。外掛腳手設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)外附塔機(jī)附墻的平面、立面位置，確定外腳手底部開(kāi)洞及下掛吊籠的位置，并對(duì)下掛吊籠位置處的外腳手進(jìn)行加固處理。

2）本工程核心筒外墻收分2 次，由600mm收分至350mm，部分內(nèi)墻收分1 次，由600mm收分至500mm，需對(duì)腳手進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)滿足墻體收分需求；核心筒墻體平面在11F 及13F 分別有一次變形，根據(jù)墻體變化特點(diǎn)，需對(duì)鋼平臺(tái)進(jìn)行改造，包括平臺(tái)梁的拆除、內(nèi)外掛腳手的拆除和補(bǔ)缺、外部側(cè)網(wǎng)封閉、支撐及動(dòng)力系統(tǒng)移位等。設(shè)計(jì)時(shí)既要保持整體剛度，又要鋼平臺(tái)體系便于高空拆除和組裝，在確保高空作業(yè)安全的前提下迅速調(diào)整，滿足墻體變化后的施工要求。

3）核心筒沿高度方向設(shè)置兩道伸臂桁架。伸臂桁架鋼結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)須從鋼平臺(tái)頂部穿過(guò)，施工過(guò)程中與鋼平臺(tái)部分聯(lián)系鋼梁相碰，鋼平臺(tái)必須通過(guò)臨時(shí)解體才能滿足其吊裝要求；鋼平臺(tái)外掛腳手部分同樣存在與伸臂桁架牛腿相沖突的問(wèn)題，部分外掛腳手必須采取相應(yīng)的避讓措施針對(duì)性措施。

3 整體鋼平臺(tái)模架部件設(shè)計(jì)

整體鋼平臺(tái)模架由鋼平臺(tái)系統(tǒng)、筒架支撐系統(tǒng)、鋼柱爬升系統(tǒng)、腳手架系統(tǒng)、模板系統(tǒng)五部分組成。為了適應(yīng)該項(xiàng)目的施工特點(diǎn)，鋼平臺(tái)在各系統(tǒng)模塊均進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，能夠較好地適應(yīng)該項(xiàng)目的施工要求。

3.1 鋼平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）鋼平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)造 如圖3 所示，鋼平臺(tái)系統(tǒng)在正常施工時(shí)處于整個(gè)體系的頂部，由鋼平臺(tái)框架、蓋板、格柵蓋板、圍擋板、安全欄桿等部件組裝而成。其平面覆蓋施工層混凝土結(jié)構(gòu)，并延伸至外墻腳手架區(qū)域，具有較大的承載能力，起到頂部施工作業(yè)平臺(tái)以及物料中轉(zhuǎn)堆場(chǎng)的作用。鋼平臺(tái)的主梁及次梁均由H 型鋼組成，位于同一水平面，鋼梁上根據(jù)施工實(shí)際情況覆蓋鋪板，平臺(tái)的外周邊一圈設(shè)置2m 高的擋板網(wǎng)，以防止人、物等高空墜落。

圖3 風(fēng)塔核心筒整體鋼平臺(tái)

2）適用于伸臂桁架施工的可拆裝構(gòu)造 風(fēng)塔核心筒整體鋼平臺(tái)頂平臺(tái)布置如圖4 所示，針對(duì)伸臂桁架施工，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)圖紙及分段，鋼平臺(tái)鋼梁設(shè)置部分可拆裝式連系梁，桁架結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)，局部相碰的連系梁臨時(shí)拆除，吊裝結(jié)束后再重新連接。

圖4 風(fēng)塔核心筒整體鋼平臺(tái)頂平臺(tái)布置

3.2 腳手架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）腳手架系統(tǒng)構(gòu)造 如圖5 所示，內(nèi)外掛腳手系統(tǒng)由腳手吊架、走道板、圍擋板、樓梯、防墜閘板等組成，懸掛在鋼平臺(tái)梁上，為混凝土結(jié)構(gòu)施工提供高空立體作業(yè)空間，位于鋼平臺(tái)系統(tǒng)下方、混凝土結(jié)構(gòu)的側(cè)面。內(nèi)外腳手共6 層，上3 層為鋼筋、模板施工區(qū)，其中頂層高度為2.05m，其余2 層高度為1.90m/層；下3 層為拆模整修區(qū)，其高度為1.90m/層。腳手架系統(tǒng)1～5 層走道板采用鋼板網(wǎng)，底部走道板采用薄鋼板，同時(shí)必須安裝防墜閘板，在鋼平臺(tái)模架裝備施工作業(yè)時(shí)，防墜閘板與混凝土墻面緊貼，起到防止高空墜物的作用。

圖5 整體鋼平臺(tái)腳手系統(tǒng)

2）適用于外墻面收分變化的滑移式腳手 針對(duì)墻體的收分，將整個(gè)外掛腳手設(shè)計(jì)為可滑移腳手，腳手架頂部與整體頂平臺(tái)采用滑輪連接，在墻面收分以后，通過(guò)外掛腳手的滑移，能夠滿足施工時(shí)腳手與墻面的距離要求。

3.3 鋼柱爬升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）鋼柱爬升系統(tǒng)構(gòu)造 鋼柱爬升系統(tǒng)在鋼平臺(tái)體系爬升過(guò)程支撐在混凝土結(jié)構(gòu)頂面上，并提供爬升動(dòng)力。鋼柱爬升系統(tǒng)由爬升立柱、爬升靴組件裝置、雙作用液壓缸動(dòng)力系統(tǒng)組成。鋼柱爬升系統(tǒng)與筒架支撐系統(tǒng)配套使用，可在爬升過(guò)程、施工作業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)交替支撐，從而實(shí)現(xiàn)重復(fù)周轉(zhuǎn)使用。鋼柱支撐爬升動(dòng)力系統(tǒng)包括液壓泵站、短行程雙作用液壓油缸、液壓閥組、管路和中央控制系統(tǒng)等。本工程動(dòng)力系統(tǒng)由2 臺(tái)液壓泵站，12 套液壓頂升油缸和1 套集中控制系統(tǒng)組成。每個(gè)導(dǎo)軌立柱裝有2 套上、下爬升靴，每套爬升靴配有一個(gè)頂升油缸。在液壓系統(tǒng)中，采用比例同步技術(shù)，可以有效提高整個(gè)系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)功能。

2）適用于異形鋼平臺(tái)的同步爬升控制技術(shù)液壓同步控制系統(tǒng)是超高層自爬升模架裝備重要組成部分，其中，多點(diǎn)位同步性控制方法是模架裝備核心技術(shù)之一[7]。異形平臺(tái)對(duì)同步爬升控制技術(shù)提出了更高的要求。本項(xiàng)目中央系統(tǒng)安置在中央控制室中，位于鋼平臺(tái)模架設(shè)備的第六層，負(fù)責(zé)整個(gè)液壓系統(tǒng)同步工作，保證頂升作業(yè)的順利完成。爬升鋼柱配有壓力傳感器和位移傳感器，平臺(tái)系統(tǒng)頂升作業(yè)過(guò)程中的測(cè)定數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器采集并傳送到計(jì)算機(jī)上。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，可以控制液壓油缸工作的同步性，及時(shí)進(jìn)行偏差處理，提高了施工的安全性和自動(dòng)化水平。為保證工作鋼平臺(tái)爬升過(guò)程中的平穩(wěn)和安全，在每一次爬升過(guò)程中，利用PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的同步控制。

3.4 筒架支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）筒架支撐系統(tǒng)構(gòu)造 如圖6 所示，筒架支撐系統(tǒng)包括豎向型鋼桿件、橫向型鋼桿件、豎向支撐限位裝置（牛腿）、水平支撐限位裝置（附墻導(dǎo)輪）等。筒架支撐系統(tǒng)在鋼平臺(tái)體系施工作業(yè)狀態(tài)提供支撐作用，通過(guò)其上設(shè)置的豎向支撐限位裝置與水平限位支撐裝置分別將鋼平臺(tái)體系承受的豎向荷載、水平荷載傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)。筒架支撐系統(tǒng)與腳手架系統(tǒng)相連接，沿著混凝土結(jié)構(gòu)縱向二者相通，協(xié)同實(shí)現(xiàn)腳手功能，故其底部走道板同樣采用薄鋼板，且必須設(shè)置防墜閘板。本工程設(shè)置設(shè)22 個(gè)牛腿，通過(guò)牛腿頂推油缸控制牛腿自動(dòng)伸縮。

圖6 整體鋼平臺(tái)筒架支撐系統(tǒng)

2）適用于狹小空間的筒架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 高聳塔式構(gòu)筑物不同于建筑物，其核心筒內(nèi)并不用于居住以及辦公等要求，多為管道井等，因此部分空間較為狹小，而通常用于建筑物的筒架結(jié)構(gòu)缺乏有效的支撐空間。針對(duì)這一情況，本項(xiàng)目將核心筒內(nèi)較大的區(qū)域設(shè)計(jì)為筒架支撐，進(jìn)行強(qiáng)化，承受整個(gè)平臺(tái)的荷載；局部狹小空間（7～10#筒）則設(shè)計(jì)為下掛腳手架，如圖7 所示，這樣可以滿足狹小空間內(nèi)工人的安全施工要求。

圖7 狹小空間筒架布置

3.5 模板系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）模板系統(tǒng)構(gòu)造 本工程采用鋼大模進(jìn)行核心筒施工。模板采用-5mm 板作為面板，雙拼10號(hào)槽鋼為橫向主圍檁，6.3#槽鋼為豎向圍檁。大模板分為3 350mm 和接高段300mm 和400mm配置，底部配置100mm×80mm 活動(dòng)角鋼，可滿足所有層高的模板施工。大模板采用?16mm 螺桿為拉桿螺栓。每塊大模板上設(shè)置2 個(gè)吊耳，每個(gè)鋼板吊耳用可通過(guò)卸扣和3t 手動(dòng)葫蘆掛在鋼平臺(tái)鋼大梁吊點(diǎn)耳板上。

2）適用于圓弧墻面的模板設(shè)計(jì) 針對(duì)多段圓弧混凝土墻體收分及伸臂桁架層等復(fù)雜工況針對(duì)性的設(shè)計(jì)鋼大模，采用收分后模板加收分條的形式近似收分前的模板，誤差較小且降低成本。模板包含一個(gè)外側(cè)圓弧基礎(chǔ)模板，一個(gè)內(nèi)側(cè)圓弧基礎(chǔ)模板及多個(gè)收分模板，外側(cè)圓弧基礎(chǔ)模板和內(nèi)側(cè)圓弧基礎(chǔ)模板是以圓弧平面結(jié)構(gòu)立面最后一次收分后的圓弧半徑尺寸為依據(jù)制成，收分前及收分過(guò)程中的圓弧平面結(jié)構(gòu)的外側(cè)圓弧模板共用外側(cè)圓弧基礎(chǔ)模板和內(nèi)側(cè)圓弧基礎(chǔ)模板，并增設(shè)一個(gè)相應(yīng)的收分模板以滿足所在分段的圓弧平面結(jié)構(gòu)的外徑尺寸要求，采用最后一次收分后的外側(cè)圓弧基礎(chǔ)模板加收分模板的形式組成近似收分前及收分過(guò)程中的外側(cè)圓弧模板，使得收分前后的鋼大模板盡可能多地共用，以減少材料浪費(fèi)。

4 鋼平臺(tái)與垂直運(yùn)輸設(shè)備的協(xié)同施工

4.1 鋼平臺(tái)與塔機(jī)的協(xié)同施工

本項(xiàng)目由于核心筒內(nèi)空間狹小，因此塔機(jī)采用在核心筒外墻附著的模式，塔機(jī)附墻支座始終位于鋼平臺(tái)以下，為了滿足塔機(jī)附墻支座安裝的需要，鋼平臺(tái)設(shè)置下掛的操作平臺(tái)，該區(qū)域局部鋼平臺(tái)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

4.2 鋼平臺(tái)與人貨電梯的協(xié)同施工

為了提高工人施工效率，鋼平臺(tái)模架與人貨電梯一體化集成設(shè)計(jì)，將鋼平臺(tái)作為人貨電梯的支撐結(jié)構(gòu)，電梯標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上的活動(dòng)附墻通過(guò)型鋼柱與鋼平臺(tái)連接，并隨鋼平臺(tái)一起爬升。這使得工人及小型物料能夠乘坐電梯直達(dá)核心筒施工層，施工層的廢料也可以運(yùn)輸至地面，這充分的釋放了塔機(jī)的垂直運(yùn)輸重任，極大地提高了施工效率。

5 有限元分析

按照鋼平臺(tái)實(shí)際構(gòu)造，建立有限元模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算，本次計(jì)算分為鋼筋綁扎狀態(tài)和模板提升狀態(tài)兩個(gè)不同的工況，應(yīng)力比和變形均滿足要求，具體計(jì)算結(jié)果如下。

1）鋼筋綁扎狀態(tài) 鋼平臺(tái)綁扎鋼筋工作狀態(tài)，模板固定在剪力墻上，鋼平臺(tái)主要承受鋼筋堆載、鋼平臺(tái)重量和施工操作的活荷載。同樣對(duì)綁扎鋼筋狀態(tài)的整體鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，可以看出，鋼平臺(tái)主梁及方鋼立柱的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力比為0.78，其他大部分構(gòu)件的應(yīng)力比在0.6 以內(nèi)。

結(jié)構(gòu)豎向最大變形位于鋼平臺(tái)外圍弧角部，變形值為21.3mm。

2）模板提升狀態(tài) 對(duì)模板提升狀態(tài)的整體鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，可以看出，鋼平臺(tái)主梁及方鋼立柱的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力比為0.78，其他大部分構(gòu)件的應(yīng)力比在0.6 以內(nèi)。

結(jié)構(gòu)最大豎向變形發(fā)生在鋼平臺(tái)外圍弧角部，變形值為25.9mm。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高聳塔式構(gòu)筑物核心筒異形、墻面收分、伸臂桁架以及狹小空間等特點(diǎn)，研究了整體鋼平臺(tái)模架施工關(guān)鍵技術(shù)，并在上港濱江城總體開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目風(fēng)塔工程中進(jìn)行應(yīng)用，總體達(dá)到了2 天/層的施工效率。

1）在桁架層施工中，通過(guò)可拆裝式連系梁的臨時(shí)拆除實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)吊裝就位，避免了整體結(jié)構(gòu)空中進(jìn)行分體組合，大大提高了作業(yè)的安全性和工效。

2）針對(duì)墻體收分，通過(guò)滑移裝置實(shí)現(xiàn)了腳手架定向滑移，隨著墻面變化，腳手架能夠與墻面之間保持安全距離。

3）通過(guò)筒架與吊架相結(jié)合，解決了筒內(nèi)狹小空間的架體布置問(wèn)題。

4）通過(guò)塔機(jī)、人貨電梯與模架的協(xié)同施工，大大提高了施工效率。

5）經(jīng)有限元分析，鋼平臺(tái)滿足承載力和變形要求，安全可靠。