超高層建筑施工垂直運(yùn)輸設(shè)備選型分析方法

周迎春，左 銀，賈興文

（1.重慶建工第二建設(shè)有限公司，重慶 400045；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

超高層建筑的高度是經(jīng)濟(jì)成長速度和發(fā)展規(guī)模的體現(xiàn)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國超高層建筑的數(shù)量也快速增加。據(jù)世界高層建筑與都市人居學(xué)會（CTBUH）統(tǒng)計(jì)，截至2021年7月8日，在全球TOP 100高樓中，我國大陸有45座，占比45%，加上中國香港和中國臺灣的摩天大樓，我國共有52座高度超過300m的摩天大樓進(jìn)入了全球TOP 100高樓行列。

目前的全球超高層建筑TOP 100中，有14座是2000年之前建造完成。2001—2009年，是超高層建筑建設(shè)低潮期，全球只有9座摩天大樓建造完成。2010年起，全球摩天大樓建設(shè)開啟飛速的模式，目前的全球超高層建筑TOP 100中有77座摩天大樓在此期間完成。2010年至今，我國的超高層建筑數(shù)量也快速增長，CTBUH發(fā)布《高層建筑年度回顧（2020）》報(bào)告顯示，我國已經(jīng)建成的150m以上的超高層建筑達(dá)到2581座，其中建筑高度200m以上的有861座，300m以上的99座，上述三項(xiàng)指標(biāo)均躍居全球第一。

我國的諸多大城市中，重慶市的超高層建筑數(shù)量居于前列，尤其是超高層住宅（建筑高度大于100m）的數(shù)量極為驚人。隨著重慶市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加之建設(shè)用地緊張，超高層建筑的數(shù)量快速增加。重慶市是非常典型的山地城市，地形較為復(fù)雜，且城市用地極為緊張，因此，重慶市主城區(qū)近年來建造了大量的超高層住宅和超高層商業(yè)建筑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年重慶市的超高層住宅和超高層商業(yè)建筑的數(shù)量合計(jì)已經(jīng)超過2200座。預(yù)計(jì)未來10年，重慶市規(guī)劃建造的超高層建筑將超過100座。

超高層建筑施工周期長，施工技術(shù)復(fù)雜，建造成本高，尤其是超高層商業(yè)建筑。因此，除了施工安全、施工進(jìn)度、施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，超高層建筑的施工成本也必須重點(diǎn)考慮。決定施工成本的因素主要包括人員技能、機(jī)械設(shè)備狀況、材料供應(yīng)、組織管理、施工方案、施工質(zhì)量以及施工進(jìn)度，其中機(jī)械設(shè)備的合理使用以及配置，尤其是施工垂直運(yùn)輸設(shè)備選型和配置對于加快施工進(jìn)度和降低施工成本具有非常關(guān)鍵的作用。盡管重慶市內(nèi)已經(jīng)建造了大量的超高層建筑，但是關(guān)于超高層建筑施工電梯的選型和配置仍然缺乏定量的分析方法，因此，論文依托本公司承建的重慶農(nóng)村商業(yè)銀行大廈（建筑高度200m，以下簡稱本工程）等工程，總結(jié)了超高層建筑施工垂直運(yùn)輸設(shè)備選型的基本原則和定量分析方法，期望能夠?yàn)槌邔咏ㄖ┕ご怪边\(yùn)輸設(shè)備選型與施工方案編制提供參考。

1 施工垂直運(yùn)輸設(shè)備選型的基本原則

施工垂直運(yùn)輸設(shè)備的選型和配置主要受超高層建筑高度和體量決定，由于超高層建筑施工垂直運(yùn)輸設(shè)備的選型和配置缺乏定量的分析方法和相關(guān)的指導(dǎo)規(guī)范，施工單位選擇施工電梯主要是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，因此，進(jìn)行垂直運(yùn)輸體系選型之前首先需要明確超高層建筑垂直運(yùn)輸設(shè)備選型與配置的基本原則。

施工垂直運(yùn)輸設(shè)備的選型必須遵循技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的基本原則，首先必須保證技術(shù)可行。以塔式起重機(jī)選型為例，選型過程中應(yīng)重點(diǎn)從起重幅度、起升高度、起重重量、起重力矩以及起重效率等方面進(jìn)行分析和評價(jià)，以確保塔式起重機(jī)能夠滿足超高層建筑施工進(jìn)度、效率和施工作業(yè)安全的要求[1-2]。而施工電梯通常采用臨時(shí)施工電梯和正式電梯相結(jié)合的方式，施工前期主要是臨時(shí)施工電梯，施工中后期主要采用正式電梯提前投入使用配合垂直運(yùn)輸施工，從而保證垂直運(yùn)輸?shù)捻樌D(zhuǎn)換。在技術(shù)可行的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，兼顧考慮垂直運(yùn)輸設(shè)備投入與產(chǎn)出比，力爭顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。

基于上述基本原則，在進(jìn)行垂直運(yùn)輸設(shè)備選型時(shí)，需要綜合考慮原材料（包括設(shè)備）吊運(yùn)量和施工人員交通量與垂直運(yùn)輸設(shè)備能力的匹配，然后配置運(yùn)輸設(shè)備。對于超高層建筑，由于施工周期長，在保證施工安全和進(jìn)度的前提條件下，必須進(jìn)行施工成本的精細(xì)化測算，其中必須包括垂直運(yùn)輸設(shè)備的使用費(fèi)用的精細(xì)化測算，才能有效控制施工成本。

2 施工垂直運(yùn)輸設(shè)備的選型和配置

對于超高層建筑，需要詳細(xì)分析和計(jì)算各專業(yè)材料、設(shè)備垂直運(yùn)輸工程量，在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)備技術(shù)性能分析，實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)輸設(shè)備的定量分析與合理規(guī)劃[3]。同時(shí)，在施工過程中制定合理的運(yùn)輸計(jì)劃，進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度，保證塔吊、施工電梯等垂直運(yùn)輸設(shè)備的有效搭配利用，確保工程整體協(xié)調(diào)同步作業(yè)以及垂直運(yùn)輸工作安全有序。

2.1 垂直運(yùn)輸工程量測算

超高層建筑體量巨大，不僅結(jié)構(gòu)材料用量劇增，機(jī)電安裝與裝飾工程所需的材料耗用量也顯著增大，此外，施工人員頻繁上下的運(yùn)輸流量也相當(dāng)大。超高層建筑運(yùn)輸行程長、運(yùn)輸量大、運(yùn)輸頻次高、運(yùn)輸密集、組織工作繁重、安全防護(hù)等問題突出，垂直運(yùn)輸體系的工作效率極大影響了施工速度，甚至可以說：垂直運(yùn)輸體系就是確保超高層建筑施工順利進(jìn)行的生命線。因此，需要對原材料和設(shè)備等物料的吊裝和運(yùn)輸量進(jìn)行詳細(xì)的測算，編制好垂直運(yùn)輸計(jì)劃。

目前確定垂直運(yùn)輸設(shè)備?；诠こ探?jīng)驗(yàn)，但是工程經(jīng)驗(yàn)法是近似方法，準(zhǔn)確性較低。因此，在編制正式施工方案和進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用定量分析方法，以進(jìn)度控制為目標(biāo)，通過詳細(xì)測算運(yùn)輸量和分析垂直運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸能力。來確定垂直運(yùn)輸設(shè)備的配置數(shù)量。

基于定量分析方法，根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖、結(jié)構(gòu)施工圖和施工方案，測算出本工程的鋼筋用量10851.09t，鋼結(jié)構(gòu)量1531.15t，石材幕墻、玻璃幕墻、鋁蜂巢板幕墻合計(jì)2900t，上述設(shè)備采用塔式起重機(jī)運(yùn)輸。模板，鋼管、機(jī)電設(shè)備，空調(diào)設(shè)備以及施工人員等采用施工電梯運(yùn)輸，而后期裝修材料和施工人員由正式電梯運(yùn)輸。根據(jù)運(yùn)輸量測算，將施工各階段預(yù)測的運(yùn)輸量按照工程分部和施工進(jìn)度繪制成柱狀圖供施工技術(shù)人員參考。

2.2 大噸位設(shè)備吊裝運(yùn)力分析

除了常規(guī)的原材料垂直運(yùn)輸，超高層建筑還需要重點(diǎn)考慮大型設(shè)備的垂直運(yùn)輸和安裝。超高層建筑的機(jī)電設(shè)備安裝施工和普通建筑的最大差別在于大型設(shè)備的重量更大，數(shù)量更多，且吊裝高度和安裝難度更高。此外，大型設(shè)備吊裝作業(yè)過程與其他專業(yè)的交叉和配合也需要做好計(jì)劃。因此，超高層建筑的設(shè)備吊裝作業(yè)在其施工過程中至關(guān)重要，同時(shí)也是吊裝設(shè)備選型過程中需要重點(diǎn)考慮的因素。

以超高層建筑的空調(diào)機(jī)組吊裝和安裝為例，封閉型離心式冷水機(jī)組的重量輕則4～5t，重則超過10t，甚至接近20t，冷水機(jī)組的重量會對大型垂直運(yùn)輸設(shè)備的選擇和布置提出更高要求。合理的選擇吊裝設(shè)備，并將大型設(shè)備安全的吊裝就位，對于整個(gè)工程順利實(shí)施、成本的控制，施工效率的提升有非常重要的影響。此外，超高層建筑的大型設(shè)備吊裝安裝過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)也較大。因此，超高層建筑的大型設(shè)備安裝施工前必須仔細(xì)的測算垂直運(yùn)輸設(shè)備的起吊能力是否滿足大型設(shè)備吊裝要求，同時(shí)選擇合理的吊運(yùn)方式，并做好安全預(yù)案。

本工程的水冷變頻離心式冷水機(jī)組單機(jī)最大重量為8.0t（表1），且設(shè)備外形尺寸較大，塔吊起重能力校核時(shí)首先需要考慮單機(jī)重量最大的冷水機(jī)組的吊裝運(yùn)力要求，還需要考慮塔式起重機(jī)吊裝半徑的允許范圍。塔吊吊裝能力驗(yàn)算如下。

表1 冷水機(jī)組技術(shù)參數(shù)

Q＝k1×k2×G=1.1×1.1×8.0＝9.68t。

其中：k1——高空吊裝考慮風(fēng)載的影響，k1=1.1；k2——吊裝的動載系數(shù)，k2=1.1。

根據(jù)測算結(jié)果可知，滿足重量8t的冷水機(jī)組的吊裝要求時(shí)，塔吊在吊裝半徑允許范圍內(nèi)的額定起重能力不應(yīng)小于9.68t。

2.3 施工垂直運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

本工程的垂直及水平運(yùn)輸機(jī)械選擇是設(shè)備選型的重點(diǎn)，關(guān)系到工程的整體進(jìn)度、質(zhì)量和施工安全，設(shè)備選擇也直接影響到工程成本和效益，因此，設(shè)備選型分析是垂直運(yùn)輸設(shè)備配置的關(guān)鍵[4-5]。國內(nèi)超高層建筑垂直運(yùn)輸通常采用塔式起重機(jī)和施工電梯組合的方式[6]。對于塔式起重機(jī)，主要考慮其額定起重力矩、最大起重量、最大工作幅度和獨(dú)立起升高度等技術(shù)參數(shù)（表2）。對于施工電梯，主要考慮最大提升高度、提升速度、額定載重量和吊籠尺寸等技術(shù)參數(shù)（表3）

表2 塔吊技術(shù)參數(shù)

表3 施工電梯技術(shù)參數(shù)

2.4 施工垂直運(yùn)輸設(shè)備選型

垂直運(yùn)輸是超高層建筑施工的瓶頸，不僅要考慮吊裝過程中的物料平衡以及大型設(shè)備和構(gòu)件的吊裝安裝能力，還需要重點(diǎn)考慮高空作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。因此，選擇吊裝設(shè)備時(shí)，需要根據(jù)具體情況提出針對性的合理方案，才能實(shí)現(xiàn)吊裝設(shè)備和吊裝方案的合理選擇，從而提高吊裝效率，最大程度地降低材料、人工與機(jī)械費(fèi)用，節(jié)約施工工期。

2.4.1 塔式起重機(jī)選用

根據(jù)前期測算，吊裝冷水機(jī)組時(shí)，塔吊的最大吊裝能力不應(yīng)小于9.68t，綜合考慮吊裝半徑和最大吊裝重量，同時(shí)考慮吊裝的安全性，根據(jù)表2中的塔吊技術(shù)參數(shù)，至少應(yīng)選擇一臺最大起吊重量12t的QTZ250型塔式起重機(jī)。

此外，塔式起重機(jī)選型除了應(yīng)綜合考慮起重機(jī)布置、構(gòu)件吊裝工藝等要求，正確處理塔式起重機(jī)配置和現(xiàn)場作業(yè)量的關(guān)系，還需要考慮主要建筑物和附屬建筑物吊裝運(yùn)力需求的差異。本工程主樓高度200.0m，附屬裙樓建筑高度24.0m，因此，需要單獨(dú)考慮附屬裙樓的塔吊。根據(jù)運(yùn)輸量計(jì)算結(jié)果和表1，塔樓采用QTZ-125型及QTZ250型塔吊各1臺，附屬裙樓及車庫部分采用QTZ63型塔吊1臺。所選品種塔機(jī)具有造型新穎，外形美觀，結(jié)構(gòu)緊湊，組裝高度低，安裝、拆卸方便迅速，升降平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作覆蓋面大，塔機(jī)高度可根據(jù)需要增減。工程開工時(shí)采用2臺塔吊（QTZ125型及QTZ250型）進(jìn)行垂直運(yùn)輸（混凝土垂直運(yùn)輸除外），大型建筑構(gòu)件和設(shè)備，包括鋼構(gòu)件、預(yù)制混凝土構(gòu)件、鋼筋、大型機(jī)電設(shè)備、幕墻構(gòu)件以及組合式模板由塔式起重機(jī)運(yùn)輸。裙房施工開始后QTZ63型塔吊1臺投入使用，后續(xù)共同使用塔吊和施工電梯。

2.4.2 施工電梯選用

根據(jù)表2和表3，由于建筑高度為200.0m，加上屋頂附屬建筑構(gòu)件，選擇最大提升高度為250m的施工電梯，采用SCD200/200WPZ型的施工電梯2臺。塔樓在結(jié)構(gòu)施工至10層時(shí)安裝2臺SCD200/200WPZ型的施工電梯。中小型建筑材料和設(shè)備主要由施工電梯運(yùn)輸。主體結(jié)構(gòu)封頂之后，正式電梯（貨運(yùn)電梯和消防電梯）也完成安裝，裝飾工程施工人員和原材料主要由正式電梯運(yùn)輸。

3 結(jié)語

超高層建筑施工垂直運(yùn)輸設(shè)備的選型必須遵循技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的基本原則，首先必須保證技術(shù)可行，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，同時(shí)兼顧垂直運(yùn)輸設(shè)備投入與產(chǎn)出比。在此基礎(chǔ)上，通過詳細(xì)測算工程量和垂直運(yùn)輸量，對施工階段的垂直運(yùn)輸需求進(jìn)行定量測算，可以為垂直運(yùn)輸設(shè)備選型提供定量的分析依據(jù)，不僅有助于合理選用塔式起重機(jī)和施工電梯的型號與數(shù)量，也有助于確定了塔式起重機(jī)、施工電梯和正式電梯的進(jìn)場安裝與拆除時(shí)間段。