超高層建筑施工垂直運輸設備選型分析方法

周迎春，左 銀，賈興文

（1.重慶建工第二建設有限公司，重慶 400045；2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045）

0 引言

超高層建筑的高度是經濟成長速度和發(fā)展規(guī)模的體現，隨著經濟的高速發(fā)展，我國超高層建筑的數量也快速增加。據世界高層建筑與都市人居學會（CTBUH）統(tǒng)計，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量也快速增長，CTBUH發(fā)布《高層建筑年度回顧（2020）》報告顯示，我國已經建成的150m以上的超高層建筑達到2581座，其中建筑高度200m以上的有861座，300m以上的99座，上述三項指標均躍居全球第一。

我國的諸多大城市中，重慶市的超高層建筑數量居于前列，尤其是超高層住宅（建筑高度大于100m）的數量極為驚人。隨著重慶市經濟的快速發(fā)展，加之建設用地緊張，超高層建筑的數量快速增加。重慶市是非常典型的山地城市，地形較為復雜，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。據統(tǒng)計，截至2020年重慶市的超高層住宅和超高層商業(yè)建筑的數量合計已經超過2200座。預計未來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，施工技術復雜，建造成本高，尤其是超高層商業(yè)建筑。因此，除了施工安全、施工進度、施工技術風險，超高層建筑的施工成本也必須重點考慮。決定施工成本的因素主要包括人員技能、機械設備狀況、材料供應、組織管理、施工方案、施工質量以及施工進度，其中機械設備的合理使用以及配置，尤其是施工垂直運輸設備選型和配置對于加快施工進度和降低施工成本具有非常關鍵的作用。盡管重慶市內已經建造了大量的超高層建筑，但是關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，總結了超高層建筑施工垂直運輸設備選型的基本原則和定量分析方法，期望能夠為超高層建筑施工垂直運輸設備選型與施工方案編制提供參考。

1 施工垂直運輸設備選型的基本原則

施工垂直運輸設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輸設備的選型和配置缺乏定量的分析方法和相關的指導規(guī)范，施工單位選擇施工電梯主要是依據工程經驗，因此，進行垂直運輸體系選型之前首先需要明確超高層建筑垂直運輸設備選型與配置的基本原則。

施工垂直運輸設備的選型必須遵循技術可行、經濟合理的基本原則，首先必須保證技術可行。以塔式起重機選型為例，選型過程中應重點從起重幅度、起升高度、起重重量、起重力矩以及起重效率等方面進行分析和評價，以確保塔式起重機能夠滿足超高層建筑施工進度、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施工電梯和正式電梯相結合的方式，施工前期主要是臨時施工電梯，施工中后期主要采用正式電梯提前投入使用配合垂直運輸施工，從而保證垂直運輸的順利轉換。在技術可行的基礎上，還需要進行經濟性分析，兼顧考慮垂直運輸設備投入與產出比，力爭顯著提高經濟效益。

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

2 施工垂直運輸設備的選型和配置

對于超高層建筑，需要詳細分析和計算各專業(yè)材料、設備垂直運輸工程量，在此基礎上，通過設備技術性能分析，實現垂直運輸設備的定量分析與合理規(guī)劃[3]。同時，在施工過程中制定合理的運輸計劃，進行統(tǒng)一協(xié)調調度，保證塔吊、施工電梯等垂直運輸設備的有效搭配利用，確保工程整體協(xié)調同步作業(yè)以及垂直運輸工作安全有序。

2.1 垂直運輸工程量測算

超高層建筑體量巨大，不僅結構材料用量劇增，機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輸流量也相當大。超高層建筑運輸行程長、運輸量大、運輸頻次高、運輸密集、組織工作繁重、安全防護等問題突出，垂直運輸體系的工作效率極大影響了施工速度，甚至可以說：垂直運輸體系就是確保超高層建筑施工順利進行的生命線。因此，需要對原材料和設備等物料的吊裝和運輸量進行詳細的測算，編制好垂直運輸計劃。

目前確定垂直運輸設備?；诠こ探涷?，但是工程經驗法是近似方法，準確性較低。因此，在編制正式施工方案和進行施工組織設計時，應采用定量分析方法，以進度控制為目標，通過詳細測算運輸量和分析垂直運輸設備的運輸能力。來確定垂直運輸設備的配置數量。

基于定量分析方法，根據建筑設計圖、結構施工圖和施工方案，測算出本工程的鋼筋用量10851.09t，鋼結構量1531.15t，石材幕墻、玻璃幕墻、鋁蜂巢板幕墻合計2900t，上述設備采用塔式起重機運輸。模板，鋼管、機電設備，空調設備以及施工人員等采用施工電梯運輸，而后期裝修材料和施工人員由正式電梯運輸。根據運輸量測算，將施工各階段預測的運輸量按照工程分部和施工進度繪制成柱狀圖供施工技術人員參考。

2.2 大噸位設備吊裝運力分析

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

以超高層建筑的空調機組吊裝和安裝為例，封閉型離心式冷水機組的重量輕則4～5t，重則超過10t，甚至接近20t，冷水機組的重量會對大型垂直運輸設備的選擇和布置提出更高要求。合理的選擇吊裝設備，并將大型設備安全的吊裝就位，對于整個工程順利實施、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備吊裝安裝過程中的安全風險也較大。因此，超高層建筑的大型設備安裝施工前必須仔細的測算垂直運輸設備的起吊能力是否滿足大型設備吊裝要求，同時選擇合理的吊運方式，并做好安全預案。

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

表1 冷水機組技術參數

Q＝k1×k2×G=1.1×1.1×8.0＝9.68t。

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

根據測算結果可知，滿足重量8t的冷水機組的吊裝要求時，塔吊在吊裝半徑允許范圍內的額定起重能力不應小于9.68t。

2.3 施工垂直運輸設備技術指標

本工程的垂直及水平運輸機械選擇是設備選型的重點，關系到工程的整體進度、質量和施工安全，設備選擇也直接影響到工程成本和效益，因此，設備選型分析是垂直運輸設備配置的關鍵[4-5]。國內超高層建筑垂直運輸通常采用塔式起重機和施工電梯組合的方式[6]。對于塔式起重機，主要考慮其額定起重力矩、最大起重量、最大工作幅度和獨立起升高度等技術參數（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參數（表3）

表2 塔吊技術參數

表3 施工電梯技術參數

2.4 施工垂直運輸設備選型

垂直運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備和構件的吊裝安裝能力，還需要重點考慮高空作業(yè)的安全風險[7-8]。因此，選擇吊裝設備時，需要根據具體情況提出針對性的合理方案，才能實現吊裝設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、人工與機械費用，節(jié)約施工工期。

2.4.1 塔式起重機選用

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

此外，塔式起重機選型除了應綜合考慮起重機布置、構件吊裝工藝等要求，正確處理塔式起重機配置和現場作業(yè)量的關系，還需要考慮主要建筑物和附屬建筑物吊裝運力需求的差異。本工程主樓高度200.0m，附屬裙樓建筑高度24.0m，因此，需要單獨考慮附屬裙樓的塔吊。根據運輸量計算結果和表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。所選品種塔機具有造型新穎，外形美觀，結構緊湊，組裝高度低，安裝、拆卸方便迅速，升降平穩(wěn)，回轉平穩(wěn)，工作覆蓋面大，塔機高度可根據需要增減。工程開工時采用2臺塔吊（QTZ125型及QTZ250型）進行垂直運輸（混凝土垂直運輸除外），大型建筑構件和設備，包括鋼構件、預制混凝土構件、鋼筋、大型機電設備、幕墻構件以及組合式模板由塔式起重機運輸。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

根據表2和表3，由于建筑高度為200.0m，加上屋頂附屬建筑構件，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。塔樓在結構施工至10層時安裝2臺SCD200/200WPZ型的施工電梯。中小型建筑材料和設備主要由施工電梯運輸。主體結構封頂之后，正式電梯（貨運電梯和消防電梯）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輸。

3 結語

超高層建筑施工垂直運輸設備的選型必須遵循技術可行、經濟合理的基本原則，首先必須保證技術可行，在此基礎上進行經濟性分析，同時兼顧垂直運輸設備投入與產出比。在此基礎上，通過詳細測算工程量和垂直運輸量，對施工階段的垂直運輸需求進行定量測算，可以為垂直運輸設備選型提供定量的分析依據，不僅有助于合理選用塔式起重機和施工電梯的型號與數量，也有助于確定了塔式起重機、施工電梯和正式電梯的進場安裝與拆除時間段。