超高層建筑核心筒墻體爬模系統(tǒng)設(shè)計要點及施工工藝

唐元鵬

（山東華邦建設(shè)集團有限公司，山東 濰坊 262500）

超高層建筑核心筒墻體施工存在模板搭設(shè)困難、操作不便等難題，爬模系統(tǒng)具有動態(tài)支模和分段循環(huán)作業(yè)等優(yōu)勢，可以有效解決問題。但設(shè)計和應(yīng)用該系統(tǒng)面臨模板支撐體系較復(fù)雜、協(xié)同控制要求高以及安全風(fēng)險大的挑戰(zhàn)，因此施工單位須充分掌握爬模系統(tǒng)的設(shè)計要點、驗算方法以及工藝流程，進而科學(xué)指導(dǎo)作業(yè)過程。

1 工程概況

深圳某超高層建筑共123 層，地下部分為5 層，地上部分為118 層，主塔樓高度超過600m，總建筑面積約46.2 萬m2，建筑結(jié)構(gòu)體系采用巨型框架—核心筒，建筑功能涵蓋商業(yè)辦公、酒店服務(wù)、觀光旅游以及餐飲。核心筒平面為正方形結(jié)構(gòu)，邊長為33m，層高度設(shè)計有3 種規(guī)格，分別為4.5m、5.0m 和8.0m，外墻厚度為500mm～1500mm，內(nèi)墻厚度為400mm～800mm。核心筒墻體采用爬模施工工藝，最大使用高度為55.7m。

2 超高層建筑核心筒墻體爬模體系設(shè)計及計算

2.1 核心筒液壓爬模體系設(shè)計

2.1.1 液壓爬模系統(tǒng)構(gòu)成及性能指標(biāo)

該項目使用ZL-ZPM-100 型液壓爬模機，爬模體系由預(yù)埋件、附墻裝置、液壓動力裝置、支架、導(dǎo)軌以及模板等組成，其主要性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)見表1。爬模系統(tǒng)設(shè)計有多種寬度的平臺，其功能各不相同。寬為1.4m 的平臺用于綁扎鋼筋和澆筑混凝土，承載能力不超過3kN/m2；寬為1.2m 的平臺用于模板裝拆，載荷能力不超過1.5kN/m2；主操作平臺寬度為3.0m，載荷不超過1.5kN/m2；寬為1.8m 的平臺用于砼表面修飾和預(yù)埋件拆除，承載能力設(shè)計不超過0.75kN/m2[1]。

表1 項目液壓爬模系統(tǒng)性能指標(biāo)

2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計要點

2.1.2.1 模板設(shè)計

模板系統(tǒng)由木工字梁、膠合板、木梁連接爪和其他組件構(gòu)成，該項目最大層高為8m，最小層高為4.5m，為滿足不同層高的墻體澆筑需求，將模板高度設(shè)置為4.65m。模板主背楞和次肋分別采用12#槽鋼和木工字梁，同時設(shè)置對拉螺栓（45#鋼材，規(guī)格為M20），以達到較好的加固效果[2]。

2.1.2.2 預(yù)埋設(shè)計

預(yù)埋件用于承受爬模裝置的自重、風(fēng)載荷以及施工載荷，其設(shè)計方案對系統(tǒng)安全有很大影響。該項目預(yù)埋設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)的雙埋件系統(tǒng)，主要組件包括預(yù)埋板、受力螺栓、高強螺桿、爬錐以及墊片[3]。螺桿直徑為D25mm，螺栓規(guī)格為M42。在模板安裝完成后，施工人員應(yīng)該精確標(biāo)定預(yù)埋件的孔位，完成打孔，再將預(yù)埋螺栓插入模板上的孔位，檢查無誤后可進行混凝土澆筑。

2.1.2.3 爬模裝置設(shè)計

爬模裝置設(shè)計包括以下幾種：1）平臺設(shè)計。核心筒外側(cè)爬模設(shè)置5 層平臺，按照從高到低的順序，第一層為上平臺，第二層為模板安裝平臺，第三層為主操作平臺，第四層為液壓控制平臺，第五層為吊平臺。各層的工作平臺均由50mm 寬腳手板搭建而成，為達到防水、防滑和防火效果，專門在腳手板表面鋪設(shè)具有花紋的鋼板。2）通道設(shè)計。為便于通行，各層平臺間應(yīng)設(shè)計上下通道，以人孔的方式形成通行空間，平臺間設(shè)置專門的樓梯。人孔設(shè)計圍欄，樓梯設(shè)置扶手，高度均為850mm。3）架體爬升同步性設(shè)計。在實際的工作中，爬模架體常需要整體爬升。該爬模系統(tǒng)有同步控制技術(shù)，可將爬升誤差控制在20mm 內(nèi)，整體同步爬升的順序如下：所有外爬架→南側(cè)內(nèi)筒爬架（3 個）→中部內(nèi)筒爬架（3 個）→北側(cè)內(nèi)筒爬架（3 個）。

2.2 爬模體系計算

爬模系統(tǒng)對安全性要求很高，作業(yè)前必須進行力學(xué)計算，從理論上確保各組件及子系統(tǒng)的承載力，該文將介紹部分計算內(nèi)容及方法。

2.2.1 計算墻體混凝土對模板的側(cè)壓力

為確保模板能承受核心筒墻體混凝土澆筑產(chǎn)生的側(cè)壓力，需要精確計算側(cè)壓力值，進行力學(xué)判斷，計算如公式（1）和公式（2）所示。

式中：F1和F2為F的兩種計算方法；t0為砼的初凝時間，該項目混凝土初凝時間為5h；γc為混凝土的重力密度，項目混凝土取值為25kN/m3；β1為針對外加劑的修正系數(shù)，取值為1.2；β2為針對混凝土坍落度的修正系數(shù)，取值為1.15[4]；H為混凝土側(cè)壓力計算位置到新澆混凝土頂面的總高度，取值為5m。F的最終取值以兩種計算方法中的較小值為準(zhǔn)。將以上參數(shù)代入計算公式，得到F1=54kN/m2，F(xiàn)2=75kN/m2，因此F=F1=54kN/m2，模板剛度應(yīng)大于該指標(biāo)。

2.2.2 模板計算

模板體系是爬模系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，為保證核心筒墻體澆筑的質(zhì)量，必須合理設(shè)計模板體系的面板、槽鋼背楞和木梁，保證其強度和撓度滿足工程要求[5]。該文將介紹模板面板的強度和撓度計算方法，得出支撐木梁的間距。

2.2.2.1 強度計算

該項目膠合板采用進口的WISA 板，厚度為18mm。模板的截面抗彎模量為W，其計算如公式（3）所示。

式中：b為底板木板的寬度，取值為1000mm；h為底板木板的厚度，取值同WISA 板的厚度。將參數(shù)代入公式（3），得出W=5.4×104mm3。在工程力學(xué)中，模板截面抗彎模量W應(yīng)滿足公式（4）。

式中：Mmax為模板面板的計算最大彎矩；fm為木材的抗彎強度設(shè)計值。工程計算中fm取值為13N/mm2，由此可計算Mmax≤W·fm=5.4×104×13=7.02×105N·mm。Mmax=0.1q·l2，其中0.1 為負(fù)彎矩系數(shù)，l為模板支撐木梁的最大間距，q為模板強度計算載荷[6]。

q的取值與模板上的可變載荷相關(guān)，超高層建筑核心筒墻面屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)、并且墻體厚度超過100mm，其模板計算載荷由2 個部分構(gòu)成，分別為新澆筑混凝土對模板側(cè)面的壓力F和傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平載荷F'，計算q的值如公式（5）所示。

式中：r1、r2為可變載荷的分項系數(shù)，分別取值1.2 和1.4。F的計算結(jié)果為54kN/m2，混凝土水平?jīng)_擊載荷F'取值為2.0kN/m2。代入數(shù)值參數(shù)，計算q=68kN/m2=0.068N/mm2，l值如公式（6）所示。

將各項參數(shù)代入公式（6），得l≤321mm，因此在強度驗算中，支撐木梁的最大間距≤321m。

2.2.2.2 撓度計算

將模板面板的撓度記為ω，工程實踐中要求模板的容許撓度不能超過支撐木梁間距l(xiāng)的1/400，ω的計算如公式（7）所示。

式中：I為底板的截面慣性矩；E為木質(zhì)模板的彈性模量，WISA板的取值為8.73×103N/mm2；l是支撐木梁的間距。q1=F1×1m=54kN·m。I的計算如公式（8）所示。

式中：b、h分別為底板木板的寬度和厚度。代入各參數(shù)值，得到I=48.6×104mm4。再根據(jù)ω＜l/400，可得出l3＜（150EI/400q），代入?yún)?shù)得l＜308mm。綜合強度驗算和撓度驗算的結(jié)果，支撐木梁的間距可設(shè)置為300mm。

2.2.2.3 對拉螺栓間距計算

該項目模板對拉螺栓規(guī)格為M20，將螺栓的橫縱向最大間距分別記為L1、L2，將模板對拉螺栓承受的拉力設(shè)計值記為P，計算如公式（9）所示。

式中：A為對拉螺栓的截面積，M20 螺栓的截面積為314mm2；f為對拉螺栓的強度設(shè)計值，根據(jù)材質(zhì)，計算時取值為248N/mm2；q為模板強度計算載荷，用上文的計算結(jié)果（68kN/m2）。將各參數(shù)值代入，可得出L1×L2=A×f÷q=1.145m2，為便于施工，讓對拉螺栓的橫縱間距相等，得出L1=L2=1.07m ≈1.0m。

3 超高層建筑核心筒墻體爬模施工工藝及應(yīng)用效果分析

3.1 爬模安裝及驗收

3.1.1 爬模安裝要點

準(zhǔn)備工作如下：1）檢查模板底部、承載螺栓以及錐形承載接頭的標(biāo)高、平直度等參數(shù)，必要時進行調(diào)整，確保滿足爬模的安裝要求。一旦發(fā)現(xiàn)錐形承載接頭、預(yù)留承載螺栓孔超過允許偏差，應(yīng)采取剔鑿修正的措施。2）在安裝爬模前，應(yīng)根據(jù)模板高度，提前綁扎模板范圍內(nèi)的鋼筋。3）安裝預(yù)埋管線、預(yù)埋件、預(yù)留洞口模板以及門窗洞口模板。4）當(dāng)架體安裝位置靠近門洞時，應(yīng)提前設(shè)置導(dǎo)軌上升時的門洞支承架。

3.1.2 爬模安裝流程

當(dāng)安裝爬模系統(tǒng)時，應(yīng)該嚴(yán)格按照爬模體系計算的結(jié)果，包括對拉螺栓的橫縱間距、木工字梁的間距和槽鋼背楞的間距等，保證落實設(shè)計方案。該項目使用的液壓爬模機具有油缸和專門的架體，其安裝程序為架體預(yù)拼裝→安裝錐形承載接頭→安裝掛鉤連接座→安裝導(dǎo)軌、外吊架、下架體→安裝縱向連系梁→鋪設(shè)平臺腳手板→安裝模板和上架體→安裝、調(diào)試液壓系統(tǒng)→安裝系統(tǒng)測量觀測裝置。

3.1.3 爬模安裝質(zhì)量驗收

爬模系統(tǒng)安裝完成后，應(yīng)檢查安裝質(zhì)量，具體包括截面尺寸、模板平整度、模板垂直度、支承桿垂直偏差和背楞位置偏差等，檢查內(nèi)容、允許偏差以及檢查方法見表2。

表2 爬模裝置安裝質(zhì)量檢查內(nèi)容及允許偏差示例

3.2 基于爬模系統(tǒng)的墻體施工流程及驗收方法

3.2.1 核心筒標(biāo)準(zhǔn)層爬模施工工藝流程

施工工藝流程如下：1）如果墻體施工中存在鋼結(jié)構(gòu)柱，應(yīng)該先完成結(jié)構(gòu)柱安裝。2）根據(jù)施工圖紙在模板上預(yù)留穿墻螺桿和爬錐的安裝位置，同時綁扎墻體鋼筋。3）預(yù)埋穿墻電氣管線以及其他結(jié)構(gòu)件。4）在墻體上預(yù)留機電設(shè)備洞口。5）組織各專業(yè)人員驗收混凝土澆筑前的準(zhǔn)備工作，及時調(diào)整問題。6）組織進行核心筒墻體混凝土澆筑，液壓爬模機和爬模系統(tǒng)主要在這一階段發(fā)揮作用，施工流程為外架爬升→安裝外墻模板的爬錐→組裝外墻模板、設(shè)置模板對拉螺栓→提升內(nèi)架→安裝爬錐并固定穿墻螺桿→檢驗?zāi)０寮案鞣N預(yù)埋件的安裝質(zhì)量→澆筑混凝土、處理施工縫→退?！M行下一個循環(huán)的測量放線→安裝下一循環(huán)的預(yù)埋件→提升導(dǎo)軌→拆除當(dāng)前已完成循環(huán)的爬錐、掛座以及其他預(yù)埋件→檢查并清理模板→進入下一個循環(huán)。

3.2.2 施工質(zhì)量驗收內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)

超高層建筑核心筒墻體施工主要為混凝土工程，在施工過程中及施工后，應(yīng)按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50204—2015）進行質(zhì)量檢查及驗收，重點檢查內(nèi)容包括預(yù)埋件和預(yù)留孔洞安裝偏差、鋼筋安裝允許偏差、現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量缺陷、現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)位置及尺寸偏差等。結(jié)合爬模施工的特點，針對核心筒墻體混凝土結(jié)構(gòu)，提出檢查內(nèi)容見表3。

表3 核心筒墻體爬模施工混凝土結(jié)構(gòu)允許偏差及檢驗方法

3.3 爬模系統(tǒng)實際應(yīng)用效果分析

3.3.1 超高層建筑爬模工藝工效分析

提高工效是節(jié)約施工成本、擴大施工企業(yè)經(jīng)濟效益的重要途徑。對超高層建筑來說，搭建和拆除模板系統(tǒng)是難點，同時也影響工效。與傳統(tǒng)的散拼散支模板體系相比，爬模系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，下面對爬模系統(tǒng)的工效進行分析。

以該項目的標(biāo)準(zhǔn)層為分析對象，以第55 層為例，使用爬模工藝，其吊裝需求主要集中在巨型鋼柱、外框小鋼柱、巨型斜撐、爬梯、腳手板和腳手鋼管等，降低了對模板以及各種模板支撐組件的吊裝需求。該項目標(biāo)準(zhǔn)層吊裝時間計算示例見表4，經(jīng)過嚴(yán)密地計算和分析，該項目標(biāo)準(zhǔn)層理論計算施工用時為6.36d，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，采用傳統(tǒng)散拼散支模板體系，鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)層的施工用時通常為7d～8d，比理論計算時間約多1d，在實際施工階段，標(biāo)準(zhǔn)層施工用時僅為4.8d。由此可見，爬模系統(tǒng)減少了吊裝工作量，明顯提升了標(biāo)準(zhǔn)層的施工效率。

表4 標(biāo)準(zhǔn)層吊裝時間計算示例

3.3.2 超高層建筑爬模工藝經(jīng)濟性分析

分析爬模施工工藝的經(jīng)濟性，將大鋼模施工工藝作為對照，分別計算工期和施工成本。當(dāng)采用大鋼模工藝時，工期為600d，模板的租金為0.3 元/m2·天，每標(biāo)準(zhǔn)層需要2916m2模板，因此標(biāo)準(zhǔn)層模板租金為0.3×2916=875 元/d，大鋼模的租賃總成本為875 元/d×600d=52.5 萬元。爬模系統(tǒng)需要一次性投入1000 萬元，但標(biāo)準(zhǔn)層工期縮短，節(jié)約工期為80d，日均施工成本約為30 萬元，80d 節(jié)省成本為2400 萬元，總節(jié)約成本為2400 萬元-1000 萬元+52.5 萬元=1452.5 萬元。說明與大鋼模施工工藝具相比，爬模施工工藝有節(jié)約成本、提高施工效率、縮短工期等優(yōu)勢。

4 結(jié)語

根據(jù)超高層建筑核心筒墻體的施工特點，在爬模系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)該將重點放在模板體系計算以及系統(tǒng)協(xié)同控制等方面。通過計算確定模板的剛度、強度和撓度是否符合技術(shù)要求，并且明確模板支撐木梁、槽鋼背楞和對拉螺桿的間距，提高其對混凝土的承載能力。在施工階段，根據(jù)設(shè)計方案和指標(biāo)，安裝爬模系統(tǒng)、制定科學(xué)的核心筒標(biāo)準(zhǔn)層爬模施工工藝流程，同時建立施工過程、施工成品質(zhì)量檢驗指標(biāo)體系。