核心筒偏置結(jié)構(gòu)超高層工程施工安全管理

翁益民

上海市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站 上海 200032

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，內(nèi)置核心筒超高層建筑不斷增加。但內(nèi)置核心筒超高層建筑空間利用率低、無形成本大等缺點逐漸顯露，嚴(yán)重制約了超高層建筑的發(fā)展。為此，國內(nèi)外建筑設(shè)計師開始嘗試超高層核心筒偏置的設(shè)計理念。核心筒偏置設(shè)計理念在一定程度上緩解了超高層建筑面臨的經(jīng)濟、運行壓力。但相比內(nèi)置核心筒超高層建筑，核心筒偏置超高層建筑施工安全管控難度更高，在施工過程中，物體打擊、高處墜落、機械傷害等事故風(fēng)險巨大，因此如何通過安全技術(shù)創(chuàng)新，強化安全管理，最大限度地降低安全事故發(fā)生概率，有著重要的意義[1-4]。

1 核心筒偏置超高建筑定義及安全特點

超高層結(jié)構(gòu)體系多為核心筒-框架體系，為保證壓縮變形、剛度的均勻性，核心筒常采用內(nèi)置中心的形式，但內(nèi)置核心筒超高層建筑空間利用率低、無形成本投入大的缺點也成為超高層建筑發(fā)展過程中亟待解決的難題。

國內(nèi)外建筑設(shè)計師為打破這一設(shè)計壁壘，提出了超高層核心筒偏置設(shè)計的理念。核心筒偏置超高層結(jié)構(gòu)是指將核心筒結(jié)構(gòu)嵌套在建筑外框一側(cè)或設(shè)置在外框外側(cè)的超高層建筑。該類型結(jié)構(gòu)體系的主要特點是核心筒偏置一隅，具有外框空間大、利用率高等優(yōu)點，也存在由于核心筒墻與框架柱軸壓比不同，Y向結(jié)構(gòu)布置與質(zhì)量、剛度分布不均勻，造成塔樓在建設(shè)及使用過程中隨著荷載變化會產(chǎn)生不均勻壓縮變形，從而導(dǎo)致過大水平位移等問題。為協(xié)調(diào)核心筒與外框剛度，需減少結(jié)構(gòu)中非必要構(gòu)件，使得塔樓出現(xiàn)大量的臨空面、多工序無操作平臺等安全防護問題，如客用電梯不停樓層前室設(shè)置為空腔，操作平臺搭設(shè)困難；核心筒無外框包裹，立面交叉作業(yè)多；模架體系選擇、大型設(shè)備安拆對核心筒質(zhì)量影響大及無操作平臺滿足施工；核心筒外幕墻安裝無操作平臺等。上海市新江灣城F區(qū)F1-D超高層項目作為國內(nèi)唯一超過250 m的核心筒偏置超高層，目前正在建設(shè)中，本文將以此項目為例對上述安全管控難點進行具體描述。

2 工程概況

上海市新江灣城F區(qū)F1-D商辦項目包含1棟塔樓（280 m/49層）和2棟裙樓（23.1 m/4層），塔樓結(jié)構(gòu)形式采用鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)，塔樓單層建筑面積約2 100 m2，核心筒面積約716 m2，核心筒偏置在整體結(jié)構(gòu)東側(cè)，為國內(nèi)超過250 m建筑唯一采用此類設(shè)計理念的項目。

本項目主要特點為：核心筒偏置；核心筒墻與框架柱軸壓比不同；Y向結(jié)構(gòu)布置與質(zhì)量、剛度分布不均勻。綜合上述特點，塔樓建設(shè)完成后將發(fā)生水平變形，結(jié)構(gòu)封頂最大水平偏移量達176.9 mm，活載加載后達229.9 mm，活載加載5年后達242.0 mm。

為此，項目設(shè)計階段在充分保證核心筒剛度的同時，盡量減少核心筒的質(zhì)量，以減少鋼混凝土不同壓縮變形量導(dǎo)致的核心筒水平傾斜，從而避免因質(zhì)心偏移導(dǎo)致不均勻沉降。在施工階段，針對本項目采用水平預(yù)起拱，整體預(yù)調(diào)值根據(jù)有限元模型計算確定，施工過程中對塔樓分段變形/位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行迭代計算，對糾偏預(yù)調(diào)值進行修正。

3 核心筒偏置超高建筑施工現(xiàn)場存在的安全隱患

3.1 空腔區(qū)域施工安全防護與操作平臺搭設(shè)存在的問題

為減少核心筒質(zhì)量，確保整棟建筑質(zhì)心偏移量在可控范圍內(nèi)，防止不均勻沉降引發(fā)水平傾斜，結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用核心筒分為低、中、高3個區(qū)的收筒方式。同時，中區(qū)在低區(qū)（21層以下）無電梯前室樓板，高區(qū)電梯在低中區(qū)（36層以下）無電梯前室樓板。

該結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致核心筒在底、中區(qū)施工時，空腔區(qū)域的施工安全防護以及電梯軌道梁、砌體墻等施工操作平臺的設(shè)置成為本項目安全管控的重點。

3.2 大型設(shè)備安拆運行安全防護存在的問題

為減少施工荷載（尤其是塔吊電梯設(shè)備、核心筒與外框同步施工等）對核心筒質(zhì)量的影響，本工程塔吊采用內(nèi)爬式＋附墻式，內(nèi)爬式塔吊靠近外框筒內(nèi)，附墻式塔吊位于核心筒外側(cè)（基礎(chǔ)落至頂板上），塔吊布置形式在滿足施工垂直運輸?shù)臈l件下，對核心筒質(zhì)心產(chǎn)生正向影響。該大型設(shè)備布置需關(guān)注的安全管控重點如下：

1）內(nèi)爬式塔吊筒內(nèi)水平結(jié)構(gòu)后補、塔吊基礎(chǔ)梁倒梁等立體交叉作業(yè)安全防護、外附著塔吊附墻件安裝安全防護等成為本項目安全管控的重點。

2）由于塔樓采用預(yù)先調(diào)平技術(shù)，隨著塔樓建造進程，塔樓會逐步消化預(yù)調(diào)水平值，塔樓垂直度是一個動態(tài)變化的過程，這對塔樓外附的電梯、塔吊的垂直度控制有了更高的要求。因此，如何保證塔樓外附大型設(shè)備的垂直度，也成為本項目安全管控的重點。

3.3 模架體系安全防護存在的問題

為減少核心筒質(zhì)量，調(diào)整核心筒剛度，結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用核心筒分為低、中、高3個區(qū)的收筒方式；工程采用“外爬內(nèi)支”“南北流水”作業(yè)，核心筒低、中區(qū)2次收筒；爬?？罩行韪脑?次，爬升45次。

爬模空中改造和爬升安全防護、分段式爬升架體高低跨安全防護、爬模臨邊作業(yè)安全防護、內(nèi)外爬模走道布置等成為本項目安全管控的重點。

3.4 外置核心筒幕墻施工安全防護存在的問題

本項目為核心筒偏置結(jié)構(gòu)，需在核心筒上直接安裝幕墻單元，核心筒外側(cè)施工人員無法直接在樓層板上進行幕墻安裝，項目采用雙軌道安裝方式，幕墻單元板與安裝人員均通過雙軌道安全的吊索、吊籃進行運輸。

該方式涉及大量的吊籃、滑軌等高空、臨邊危險性作業(yè)，同時上部為核心筒作業(yè)面外架，立面防高空墜物的水平安全防護等成為本項目安全管控的重點。

3.5 活載加載導(dǎo)致立體交叉作業(yè)安全防護存在的問題

為減少活荷載變化對結(jié)構(gòu)的影響，本工程活載加載必須嚴(yán)格按照設(shè)計模擬荷載加載順序及時間節(jié)點進行施加，因此，項目需嚴(yán)格按照工序穿插施工，進而形成較多立體交叉作業(yè)面。

由于核心筒外側(cè)無外框防護作為緩沖，導(dǎo)致爬模架體、施工作業(yè)層各種材料、廢渣等均存在物體打擊的風(fēng)險，安全管控難度較大，故立體防護成為本項目安全管理重點。

4 核心筒偏置超高建筑安全技術(shù)措施

4.1 空腔區(qū)域安全防護與操作臺搭設(shè)技術(shù)

為減少和避免施工過程中的安全風(fēng)險，電梯前室利用鋼梁鋪設(shè)工字鋼搭設(shè)操作架，懸挑工字鋼型號為20a#，鋼管采用盤扣架，每3層懸挑1次，外側(cè)設(shè)置2道攔腰桿及擋腳板；攔腰桿外側(cè)滿設(shè)安全密目網(wǎng)，每層架體與梁之間增設(shè)縱向桿并鋪設(shè)安全網(wǎng)。懸挑工字鋼配置3套周轉(zhuǎn)，待兩側(cè)井道砌體結(jié)構(gòu)施工后，方可拆除下方懸架體，架體通過卸料平臺周轉(zhuǎn)至上方使用。在實現(xiàn)材料高效利用的同時，又從根本上提供了施工安全保障。

4.2 大型設(shè)備安拆運行安全防護技術(shù)

4.2.1 塔吊井道隔離平臺

項目部根據(jù)內(nèi)爬式塔吊施工特點，增設(shè)塔吊井道隔離平臺，安全有效地解決井道高空墜物問題。塔吊井道隔離平臺由鋼結(jié)構(gòu)平臺、翻板、懸掛系統(tǒng)等組成。隔離平臺的爬升操作與塔吊爬升穿插進行，實現(xiàn)全封閉式安全防護，給下方施工人員提供隔離屏障，確保施工作業(yè)環(huán)境條件安全可靠。

4.2.2 塔吊附墻操作平臺

本工程為偏心筒結(jié)構(gòu)，核心筒側(cè)無樓板，且無洞口，塔吊附墻難度大，且存在極大的安全隱患，塔吊附墻采用自主研發(fā)的集成于爬模下架體的操作平臺，附墻耳板在爬模上焊接，連接銷軸在下架體上安裝，安全高效。

4.2.3 外附電梯、塔吊垂直度調(diào)整

塔樓采用預(yù)調(diào)平技術(shù)，進行水平方向預(yù)起拱，導(dǎo)致塔樓為非垂直狀態(tài)，外附設(shè)備在該狀態(tài)下為保證垂直度，附墻桿件長度并不相同；而隨著塔樓的逐層建造，荷載逐步增加，塔樓會由預(yù)調(diào)狀態(tài)回歸，勢必牽引外附設(shè)備側(cè)移；最終，塔樓逐步由預(yù)調(diào)狀態(tài)回歸到垂直狀態(tài)，外附設(shè)備卻由垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜狀態(tài)。因此，在建造過程中需逐步對外附設(shè)備的所有附墻桿件長度進行調(diào)整，以實現(xiàn)外附設(shè)備的垂直度滿足要求。

根據(jù)塔樓健康監(jiān)測數(shù)據(jù)、塔樓垂直度變化數(shù)據(jù)，反算外附設(shè)備水平位移值，外附施工電梯與塔吊每安裝一次附墻件便進行一次計算，預(yù)計垂直度超過規(guī)范允許值時，對所有受影響的附墻桿件進行長度調(diào)節(jié)。通過每次計算調(diào)整，將預(yù)計垂直度控制在安全范圍之內(nèi)，確保電梯安全平穩(wěn)運行。

4.3 模架體系安全防護技術(shù)

4.3.1 爬模架體與墻體的防護及架體間的防護

爬模設(shè)置5層主要平臺，上平臺滿鋪鋼跳板；主平臺、液壓平臺及吊平臺均鋪滿鋼跳板；綁筋輔助平臺根據(jù)實際需要鋪設(shè)鋼跳板；液壓平臺和吊平臺與墻體間間隙用鋼制翻板封閉，導(dǎo)軌與平臺鋼跳板間縫隙用木質(zhì)封板封閉。

4.3.2 外立面防護

由于核心筒偏置一側(cè)，無外框結(jié)構(gòu)做臨邊緩沖，因此，在爬模設(shè)計時架體外圍采用帶孔彩鋼板，相對于安全網(wǎng)及木模板，帶孔彩鋼板具有較高的防刺破強度，可有效防止高空物體墜落。

4.3.3 內(nèi)外架體安全通道

為滿足設(shè)計模擬荷載加載時序的需求，保證施工進度與模擬時序相吻合，客梯核心筒采用內(nèi)外爬模，由于內(nèi)架體為獨立架體，施工人員需跨越架體進行施工操作。因此，內(nèi)外架體采用導(dǎo)軌推拉式安全通道，兩側(cè)設(shè)置踢腳板，端頭使用插銷固定，相對于木跳板安全防護標(biāo)準(zhǔn)大大提高。

4.4 外置核心筒幕墻施工安全防護技術(shù)

4.4.1 核心筒幕墻安裝

本工程為偏心筒結(jié)構(gòu)，核心筒東側(cè)無樓板，無人員操作面提供給幕墻單位安裝單元板塊，解決方案為分別在23層和39層及屋面安裝“雙軌吊籃”，一條吊籃用于提升單元板塊，另外一條吊籃用于人員站立和安裝單元板塊（圖1、圖2）。

圖1 核心筒幕墻施工平面

圖2 核心筒大面部位軌道節(jié)點

4.4.2 核心筒外水平防護

幕墻硬防護安裝與軌道安裝采用一體化施工，利用雙軌道懸挑鋼梁作為懸挑棚骨架，懸挑工字鋼采用18#工字鋼懸挑，總長度4 500 mm，采用上拉懸臂方式，滿鋪30 mm厚木跳板作為硬質(zhì)隔離防護層，避免了材料或垃圾掉落發(fā)生的物體打擊事故（圖3）。

圖3 硬防護與軌道一體化搭設(shè)

4.5 立面交叉作業(yè)安全防護技術(shù)

核心筒內(nèi)側(cè)電梯井區(qū)域采用安全平網(wǎng)鋪設(shè)，框架采用扣件鋼管單層雙向搭設(shè)，橫向鋼管采用搭接方式連接，縱向鋼管選用直徑6 m鋼管?？蚣芟路脚c樓板固定，使安全平網(wǎng)與水平面形成30°夾角。在樓板區(qū)域內(nèi)搭設(shè)安全平網(wǎng)，有效避免了搭設(shè)安全防護過程增加的安全風(fēng)險。

為加快施工作業(yè)層各種材料、廢渣等轉(zhuǎn)運的處理效率，減少物體打擊風(fēng)險，本工程采用液壓自爬升卸料平臺，在現(xiàn)場簡單拼裝后吊裝至使用位置，利用預(yù)埋結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)可靠連接，使用時通過液壓千斤頂沿導(dǎo)軌提升至指定位置使用即可，一次安裝循環(huán)使用，操作簡單快捷，使用安全高效。

5 結(jié)語

核心筒偏置超高層建筑施工過程業(yè)態(tài)復(fù)雜，安全管控難度大，只有通過安全技術(shù)設(shè)計手段，使生產(chǎn)系統(tǒng)本身具有安全性，才能在發(fā)生失誤或故障時也不會發(fā)生安全事故。除此之外，還應(yīng)與行為安全及智能管控相互結(jié)合，實現(xiàn)真正意義上的本質(zhì)安全，保障建筑施工安全有序生產(chǎn)。