工具式外掛操作防護(hù)架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

龔偉東

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

在超高層建筑的施工過程中，防護(hù)架是保證高處作業(yè)安全、順利的重要設(shè)備。由于不同工程外立面不同，樓層邊線不斷變化，傳統(tǒng)落地腳手架體系經(jīng)常無(wú)法滿足施工需求。因此，針對(duì)不同項(xiàng)目，需獨(dú)立設(shè)計(jì)工具單元式外掛操作防護(hù)架，結(jié)合項(xiàng)目自身特點(diǎn)進(jìn)行深化和研究。本文以蘇州吳江太湖新城核心區(qū)B1地塊超高層項(xiàng)目為背景，進(jìn)行工具單元式外掛操作防護(hù)架施工技術(shù)的研究，并對(duì)其設(shè)計(jì)及相關(guān)施工工藝進(jìn)行總結(jié)。

1 工程概況

蘇州吳江太湖新城核心區(qū)B1地塊超高層項(xiàng)目（圖1），東鄰水秀街、南接吳韻路、西眺太湖蘇州灣、北靠高新路。項(xiàng)目用地面積3.6萬(wàn) m2，總建筑面積32萬(wàn) m2，包括一棟358 m高的綜合體塔樓和4層商業(yè)裙房，地下室共3層，擁有辦公、酒店、酒店式公寓、商業(yè)等多種業(yè)態(tài)。塔樓地上78層，為帶伸臂桁架＋框架＋核心筒結(jié)構(gòu)。其中，30層以下為傳統(tǒng)混凝土框架＋核心筒結(jié)構(gòu)，30層以上為鋼框梁＋核心筒結(jié)構(gòu)，30層以下標(biāo)準(zhǔn)層層高4.4 m，30層以上標(biāo)準(zhǔn)層層高3.9 m（圖2）。

圖1 項(xiàng)目效果圖

圖2 核心筒三維效果圖

塔樓外結(jié)構(gòu)邊線呈空間弧線形，豎向各個(gè)樓層邊線不斷變化。其中，南北向外邊線先不斷外擴(kuò)，后向內(nèi)收縮；東西向外邊線則不斷向內(nèi)收縮，至34層結(jié)構(gòu)后保持不變。塔樓外圍共計(jì)22根勁性圓柱，其中南北向共14根（對(duì)稱7根布置）勁性柱沿豎向先不斷外傾后不斷內(nèi)縮，始終呈傾斜角度向上；東西方向共計(jì)8根（對(duì)稱4根布置）勁性柱不斷內(nèi)收后，至34層結(jié)構(gòu)后開始保持垂直向上。

塔樓34～76層核心筒外圍東、西向結(jié)構(gòu)邊線呈垂直向上，4根勁性柱邊距離結(jié)構(gòu)邊線最小處僅185 mm，隨結(jié)構(gòu)高度變化，勁性柱截面不斷收縮、結(jié)構(gòu)輪廓邊線保持不變，柱邊距離結(jié)構(gòu)邊線最大處僅為285 mm。為滿足勁性柱結(jié)構(gòu)施工所需操作空間和安全圍擋要求，故采用工具式外掛操作防護(hù)架進(jìn)行勁性圓柱結(jié)構(gòu)施工。外掛防護(hù)架平面長(zhǎng)度為3 920 mm、寬度為1 300 mm，高度為15 200 mm，整體呈“凹”形，通過防護(hù)架頂部的4根掛臂梁固定在樓層鋼梁上方，主架體垂直下掛至施工作業(yè)層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.9 m，外掛架下掛高度范圍覆蓋3個(gè)樓層。

外框結(jié)構(gòu)每施工完成一層，水平、豎向混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)期間，利用現(xiàn)場(chǎng)2臺(tái)塔吊對(duì)其進(jìn)行提升作業(yè)，最大提升高度170 m，提升就位并固定牢固后，將模板、抱箍、鋼管排架等利用外掛防護(hù)架與結(jié)構(gòu)邊線之間空隙進(jìn)行材料上下垂直傳遞運(yùn)輸，如此往復(fù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工（圖3）。

圖3 外掛操作防護(hù)架

2 工具式外掛操作防護(hù)架的設(shè)計(jì)

工具式外掛操作防護(hù)架主要由主架體、掛臂梁、上部操作平臺(tái)、夾具、底部橫撐等部件組成，外掛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。所有構(gòu)件及操作平臺(tái)均在專業(yè)工廠組裝完成。

圖4 工具式外掛操作防護(hù)架設(shè)計(jì)

2.1 主架體

主架體上部連接掛臂梁與操作平臺(tái)，通過可調(diào)行程夾具固定在樓層鋼梁上，為核心構(gòu)件。主架體共7層，長(zhǎng)3.92 m，寬0.8 m，每層層高1.8 m，內(nèi)含過道板、豎向承重構(gòu)件、圍擋和簡(jiǎn)易樓梯。

工具式外掛操作防護(hù)架除底層操作平臺(tái)外，標(biāo)準(zhǔn)層操作平臺(tái)長(zhǎng)3.92 m，寬兩端頭1.3 m，中間0.8 m，呈“凹”形，操作平臺(tái)主框采用8#槽鋼，次框采用40 mm× 4 mm角鋼，上面鋪設(shè)厚3 mm鋼板網(wǎng)，每層預(yù)留一個(gè)743 mm×450 mm樓梯口（圖5）。

圖5 主體架平面示意

2.2 掛臂梁

掛臂梁為工具式外掛操作防護(hù)架主要受力構(gòu)件之一，它傳遞整個(gè)防護(hù)架對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力。采用設(shè)置4根H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm掛臂梁，每根掛臂梁長(zhǎng)3.5 m，滿足勁性柱結(jié)構(gòu)施工所需的操作空間及安全圍護(hù)要求。掛臂梁與主架體連接形成整體，一端固定在樓層鋼梁上（圖6）。

圖6 掛臂梁布置示意

2.3 上部操作平臺(tái)

上部操作平臺(tái)為工具式外掛操作防護(hù)架進(jìn)行吊裝、固定的主要操作面，對(duì)操作人員起到安全圍護(hù)的作用，由操作平臺(tái)和封閉圍擋組成。

2.4 可調(diào)夾具

夾具為外掛操作防護(hù)架與主體結(jié)構(gòu)鋼梁連接的構(gòu)件，夾具采用定型化設(shè)計(jì)，工廠內(nèi)預(yù)制加工完成。利用雙拼夾具將掛臂梁固定在樓層鋼梁上翼緣，采用4根M24螺栓夾緊。夾具根據(jù)樓層鋼梁布置的情況，分為普通夾具（圖7）和加節(jié)夾具（圖8）。普通夾具主要用于掛臂梁所固定在單根鋼梁位置，加節(jié)夾具主要用于掛臂梁處于雙梁連接位置?？紤]結(jié)構(gòu)施工所需操作空間和安全圍擋需要，外掛式防護(hù)架可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，利用可調(diào)行程夾具在掛臂梁上來(lái)回水平移動(dòng)，最終固定，起到控制架體與樓層邊線的位置關(guān)系的作用。為防止夾具滑脫，在掛臂梁上方兩端設(shè)置限位角鋼，起到保險(xiǎn)作用。

圖7 普通夾具

圖8 加節(jié)夾具

2.5 輔助構(gòu)件

吊耳：本操作平臺(tái)吊耳設(shè)置于懸臂梁上。

安全繩網(wǎng)：本操作平臺(tái)使用密目安全網(wǎng)，設(shè)置在樓層邊線距離架體空間較大的底層、操作層；必要時(shí)在操作層和結(jié)構(gòu)樓面之間鋪設(shè)鋼管＋木板作為硬隔離。

安全繩掛點(diǎn)：在操作面鄰邊頂部設(shè)置若干掛點(diǎn)。

3 工具式外掛操作防護(hù)架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

外掛式腳手架受到水平風(fēng)荷載與豎向人、機(jī)、材荷載作用，通過有限元軟件建立模型，模擬不同的工況，對(duì)外掛操作防護(hù)架的核心部位與薄弱部位進(jìn)行驗(yàn)算，并分析整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性。

3.1 整體穩(wěn)定性計(jì)算

防護(hù)架鋼材型號(hào)為Q235，掛架主要構(gòu)件截面數(shù)據(jù)見表1。

表1 掛架主要構(gòu)件截面數(shù)據(jù)

根據(jù)GB51210—2016《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》選擇模擬的荷載。外掛架承受機(jī)械設(shè)備帶來(lái)的豎向恒荷載，主要考慮立桿及腳手板自重，取gk＝0.1 kN/m2。計(jì)算施工荷載時(shí)，考慮頂部2層掛架承受施工荷載，取qk＝2 kN/m2。在水平方向上，外掛架主要承受風(fēng)荷載，考慮地面10級(jí)風(fēng)，基本風(fēng)壓w0＝0.5 kN/m2，透風(fēng)系數(shù)取0.5，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓wk＝0.25 kN/m2，根據(jù)掛架立桿從屬面積換算為線荷載，分別取0.1、0.3 kN/m。對(duì)以上荷載進(jìn)行荷載組合，驗(yàn)算水平向桿件承載力及變形采用1.2×恒載＋1.4×施工荷載，驗(yàn)算立桿、型鋼懸挑梁承載力、穩(wěn)定及變形采用1.2×恒載＋1.4×0.9×（施工荷載＋風(fēng)荷載）。

荷載選取完成后建立有限元模型。掛架立桿及水平支撐桿件、型鋼懸挑梁采用梁?jiǎn)卧?，腳手板采用板單元，吊籃部分采用鉸接約束，掛架底部采用滑輪約束y向位移。

經(jīng)計(jì)算，掛架鋼構(gòu)件最大應(yīng)力值為200 MPa＜210 MPa，掛架型鋼懸挑梁最大位移值7.7 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。由上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)掛架上端與結(jié)構(gòu)梁可靠連接，下端采用滑輪抵在墻或樓板上時(shí)，在地面10級(jí)風(fēng)荷載及施工荷載作用下，掛架鋼構(gòu)件的強(qiáng)度滿足要求，且型鋼懸挑梁的變形較小，適合使用。

3.2 外圍結(jié)構(gòu)鋼梁驗(yàn)算

掛臂梁作為主要受力構(gòu)件，應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。取掛架自重為45 kN，施工活載為2 kN/m2，采用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為0.9。結(jié)構(gòu)梁GL-1：HN450 mm×200 mm×9 mm×14 mm為懸挑梁，長(zhǎng)度為700 mm，材料為Q345B（圖9）。經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)梁最大應(yīng)力為360 MPa，小于其材料極限抗拉強(qiáng)度f(wàn)u＝470 MPa，結(jié)構(gòu)梁滿足強(qiáng)度要求。

圖9 結(jié)構(gòu)鋼梁計(jì)算

3.3 吊耳驗(yàn)算

吊耳分布如圖10所示。

圖10 吊耳分布示意

掛架自重為45 kN，塔式起重機(jī)吊裝取動(dòng)力系數(shù)為1.3，4個(gè)吊耳分別承重19.7 kN。

根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)吊耳強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

耳板65#截面為PL16 mm×144.6 mm，鋼材牌號(hào)為Q345B，耳板承受的正截面應(yīng)力為13.04 MPa＜310 MPa。耳板強(qiáng)度滿足要求。

連接板64#截面為PL10 mm×60 mm，鋼梁截面尺寸為HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，鋼材牌號(hào)均為Q345B。連接板與鋼梁焊縫尺寸hf＝8 mm，因此焊縫尺寸滿足規(guī)范要求。正面角焊縫應(yīng)力為8.4 MPa＜200 MPa。焊縫強(qiáng)度滿足要求。

4 外掛操作防護(hù)架的應(yīng)用

4.1 外掛操作防護(hù)架的施工部署

4.1.1 平面布置

項(xiàng)目塔樓30層以上為鋼框梁＋核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外圍共有22根勁性圓柱。南、北方向的18根勁性圓柱采用附著式升降腳手架施工；東、西方向4根勁性圓柱由于結(jié)構(gòu)輪廓變化較大，無(wú)法采用附著式升降腳手架施工，故采用工具式外掛操作防護(hù)架進(jìn)行施工。工具式外掛操作防護(hù)架在標(biāo)準(zhǔn)層覆蓋3個(gè)樓層，每施工完成一層利用塔吊提升（圖11）。

圖11 外掛架平面布置示意

4.1.2 施工流程

工具式外掛操作防護(hù)架采用塔樓塔吊進(jìn)行提升安裝，每次吊裝一套防護(hù)架，每完成一層勁性柱后外掛式防護(hù)架提升至上層施工。具體流程如下：

1）外掛操作防護(hù)架掛于N＋2層，綁扎N＋1層勁性柱鋼筋并支模。

2）外掛操作防護(hù)架掛于N＋2層，澆筑N＋1層勁性柱混凝土并養(yǎng)護(hù)。

3）外掛操作防護(hù)架采用塔吊提升并掛于N＋3層。

4）外掛操作防護(hù)架掛于N＋3層，綁扎N＋2層勁性柱鋼筋并支模，循環(huán)上述流程至封頂。

4.2 外掛操作防護(hù)架的安裝、提升及使用

4.2.1 現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)主體結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度計(jì)劃要求，需要明確合理的外掛式防護(hù)架進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，并提前書面通知廠家按要求時(shí)間運(yùn)輸材料。

施工作業(yè)前，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)安全人員組織操作班組成員集中熟悉主體結(jié)構(gòu)圖紙，了解主體外立面結(jié)構(gòu)變化情況。吊裝前，應(yīng)對(duì)操作工人進(jìn)行書面安全技術(shù)交底和操作技能培訓(xùn)。

外掛式防護(hù)架安裝前，必須將前階段施工所用的落地腳手架清除，保證安裝面所需空間。其中，下支撐點(diǎn)處樓板（預(yù)埋短鋼管與架體連接）混凝土至少保證2 d齡期。在掛臂梁操作面安裝前，必須確保搭設(shè)完畢安全通道，用于其固定。

掛臂梁及可調(diào)夾具部位的相關(guān)桁架模板已按預(yù)定方案的區(qū)域進(jìn)行暫緩鋪設(shè)，便于外掛架的固定和安裝。同時(shí)也要確保相關(guān)圓柱模板、腳手架鋼管、方木等施工材料已運(yùn)輸至施工樓層內(nèi)，避免外掛架就位后相關(guān)材料無(wú)法傳遞。

4.2.2 安裝

外掛操作防護(hù)架采用現(xiàn)場(chǎng)地面拼裝，拼裝處地面應(yīng)有較好的平整度。拼裝順序?yàn)椋贺Q向吊架底部節(jié)→標(biāo)準(zhǔn)節(jié)→吊架轉(zhuǎn)換接頭→底板→踏板→側(cè)網(wǎng)→端網(wǎng)→爬梯→頂部鋼梁→專用夾具→上部圍網(wǎng)。現(xiàn)場(chǎng)拼裝應(yīng)按施工圖嚴(yán)格控制幾何尺寸，結(jié)構(gòu)的工作線與桿件的重心線應(yīng)交會(huì)于節(jié)點(diǎn)中心，二者誤差不得大于3 mm。

在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，應(yīng)遵循以下順序進(jìn)行安裝：鋼結(jié)構(gòu)梁吊裝、焊接→巨型柱施工鋼管腳手架搭設(shè)→防護(hù)架吊裝、提升→防護(hù)架固定、拉結(jié)、隔離圍護(hù)→綁扎鋼筋→傳遞、支撐、封閉模板→澆筑混凝土→防護(hù)架吊裝、提升。豎向主框架的垂直偏差應(yīng)小于0.3%，整體垂直度偏差應(yīng)小于0.4%。

外掛式防護(hù)架吊裝就位后，將外掛式防護(hù)架鋼梁與主體結(jié)構(gòu)H型鋼梁用專用夾具和螺栓連接牢固，及時(shí)將外掛式防護(hù)架吊架內(nèi)立桿與硬拉結(jié)鋼管用扣件＋鋼管連接起來(lái)，底部做好安全隔離。

外掛防護(hù)架拼裝完成并驗(yàn)收合格后，方可進(jìn)行吊裝、提升、施工。

4.2.3 提升及使用

現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成后的外掛防護(hù)架，采用2臺(tái)安裝于核心筒內(nèi)的M900D、M440D型塔吊進(jìn)行吊裝。其中，M900D塔吊塔身56 m，扒桿50.4 m，半徑47.5 m，起重量為18.4t；M440D塔吊塔身56 m，扒桿48.5 m，半徑30 m，起重量為18.3t。工具式外掛防護(hù)架標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為4.5 t。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塔吊位置、外掛防護(hù)架拼裝位置以及外掛架質(zhì)量綜合比較，M900D和M440D塔吊完全滿足吊裝需要。

外掛防護(hù)架采用塔樓塔吊進(jìn)行提升，每次吊裝一套防護(hù)架，每完成一層勁性柱后外掛式防護(hù)架提升至上層施工。第1次吊裝外掛式防護(hù)架的施工工況：在36層鋼結(jié)構(gòu)梁吊裝、焊接完成，結(jié)構(gòu)進(jìn)行34框巨型柱、35層樓板的鋼筋綁扎、預(yù)埋件設(shè)置、模板支撐、混凝土澆筑；以此類推，直到施工至77層。

外掛操作防護(hù)架提升前必須確保防護(hù)架體上所有零星配件、材料都清理干凈，無(wú)建筑垃圾或其他材料遺留在上方。同時(shí)，必須確保先拆除掛架與結(jié)構(gòu)上硬拉結(jié)以及松開專用夾具，并搬離活動(dòng)荷載。

在提升防護(hù)架時(shí)，指揮、監(jiān)護(hù)人員到崗就位，由專職指揮人員統(tǒng)一發(fā)布升降信號(hào)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)通知總指揮，并停止提升，待故障排除后，方可重新提升。

防護(hù)架主架體下掛有7個(gè)操作層，覆蓋3框樓層結(jié)構(gòu)高度，每個(gè)操作層高度1.8 m，平均每個(gè)樓層覆蓋2個(gè)操作層高度，每個(gè)操作層在兩端均開設(shè)上下爬梯洞口，人員通過該爬梯，實(shí)現(xiàn)上下層的行走。外掛防護(hù)架覆蓋3框結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)施工處于中間框位置，待混凝土澆筑完成后，將外掛防護(hù)架進(jìn)行提升，此時(shí)施工層處于最下框位置，將原材料在下層傳遞至中間框后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，如此進(jìn)行往復(fù)作業(yè)。由于主架體掛臂梁固定在結(jié)構(gòu)鋼梁上，因此該區(qū)域桁架模板暫緩鋪設(shè)，此時(shí)每層需要搭設(shè)安全通道，用于安裝人員到達(dá)指定位置進(jìn)行掛臂梁安裝固定。

防護(hù)架在空中停用時(shí)間超過一個(gè)月后或遇六級(jí)以上（包括六級(jí)）大風(fēng)后復(fù)工時(shí)，均應(yīng)進(jìn)行檢查，檢查合格后方能投入使用。

外掛防護(hù)架在吊裝完成后，及時(shí)利用鋼管在架體與各樓層結(jié)構(gòu)之間設(shè)置硬拉結(jié)，各樓層在架體左右方向各設(shè)一道。外掛式防護(hù)架的操作面限定荷載≤2.0 kN/m2，設(shè)2步施工作業(yè)層，嚴(yán)禁超載。

4.2.4 拆除

防護(hù)架提升至77層（＋323.60 m），待巨型柱模板拆除，柱表面整修完成后即可拆除。防護(hù)架采用塔樓塔吊整體吊運(yùn)到地面后進(jìn)行解體、拆除。

防護(hù)架在地面解體時(shí)，分解鋼梁與吊架應(yīng)當(dāng)由塔吊配合，以防架體失穩(wěn)、傾覆倒地。

防護(hù)架地面分解過程與拼裝程序相反，遵循“由上而下、裝后拆、后裝先拆”的原則。

5 結(jié)語(yǔ)

蘇州吳江太湖新城核心區(qū)B1地塊超高層項(xiàng)目塔樓勁性柱施工研發(fā)的工具式外掛操作防護(hù)架，克服了建筑結(jié)構(gòu)邊線多變，常規(guī)防護(hù)架體難以滿足防護(hù)需求的難題，避免了防護(hù)架體高空重復(fù)安裝拆除等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，成功確保了項(xiàng)目的順利實(shí)施，為外立面復(fù)雜造型的超高層建筑施工提供了一種新型、高效、安全的施工防護(hù)體系，可為此類防護(hù)架適用范圍的拓展和類似工程提供借鑒。