超高層建筑垂直運(yùn)輸設(shè)備使用要點(diǎn)分析

閆濱

摘? 要：國內(nèi)某超高層建筑物的高度超過310 m，隨著樓層的增加，人員、機(jī)具、施工材料的垂直運(yùn)輸成為一大難題。為探索有效的解決方案，研究過程廣泛查閱文獻(xiàn)資料，參考同類項(xiàng)目的施工方法，針對塔式起重機(jī)、施工電梯、混凝土輸送泵、液壓布料機(jī)4種關(guān)鍵設(shè)備，較為詳細(xì)地分析設(shè)備選型方法及使用要點(diǎn)，重點(diǎn)內(nèi)容包括塔式起重機(jī)吊次分析、配置數(shù)量計(jì)算、力學(xué)安全驗(yàn)算、系統(tǒng)顯示精度檢驗(yàn)，以及施工電梯的選型方法、附墻架受力計(jì)算、螺栓承載力驗(yàn)算等。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；垂直運(yùn)輸設(shè)備；使用要點(diǎn)；受力計(jì)算；施工方法

中圖分類號(hào)：TU974? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）06-0172-04

Abstract： The height of a super high-rise building in China is more than 310 m. With the increase of floors， the vertical transportation of personnel， machinery and construction materials has become a major problem. In order to explore effective solutions， the research process extensively consults the literature and refers to the construction methods of similar projects， aiming at four key equipment： tower crane， construction elevator， concrete pump and hydraulic material distributor. the selection method and application points of the equipment are analyzed in detail. The key contents include tower crane hoisting analysis， configuration quantity calculation， mechanical safety check calculation， system display accuracy test and construction elevator selection method， force calculation of attached wall frame， checking calculation of bolt bearing capacity and so on.

Keywords： super high-rise building; vertical transportation equipment; key points of use; force calculation; construction method

在超高層建筑施工中，模板、混凝土、鋼管腳手架、施工機(jī)具，以及人員的垂直運(yùn)輸具有較大的難度，要求施工方案兼顧安全性、運(yùn)輸效率、作業(yè)成本、設(shè)備裝拆的便捷性等一系列影響因素。根據(jù)現(xiàn)有的施工技術(shù)水平，高壓及超高壓混凝土輸送泵是實(shí)現(xiàn)混凝土材料垂直運(yùn)輸?shù)谋厝贿x擇，人員及小型物資運(yùn)輸依賴于施工電梯，其他施工材料主要通過塔吊提升至高樓層。因此要針對以上關(guān)鍵設(shè)備，強(qiáng)化工程應(yīng)用方法探索，以便提高作業(yè)效率及安全性。

1? 工程背景

某超高層建筑物采用雙子塔設(shè)計(jì)方案，建筑高度超過310 m，地下部分為6層，地上部分為70層，其功能涵蓋辦公、酒店、餐飲、娛樂和停車服務(wù)，建筑結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架核心筒，結(jié)構(gòu)平面為正方形，1層～12層平面的邊長為58.22 m，13～66層平面的邊長為52.10 m，剩余樓層平面邊長為32.75 m。

2? 超高層建筑垂直運(yùn)輸設(shè)備使用要點(diǎn)

對于超高層建筑施工，隨著作業(yè)高度的逐漸增加，人、機(jī)、材運(yùn)輸成為一大難點(diǎn)。根據(jù)JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，當(dāng)建筑高度超過15層或40 m時(shí)，應(yīng)設(shè)置施工電梯。在物料垂直運(yùn)輸方面，主要采用塔式起重機(jī)，混凝土材料垂直輸送由專門的液壓布料機(jī)和高壓輸送泵完成[1]。以下分析施工電梯、塔式起重機(jī)、液壓布料機(jī)、高壓輸送泵4種設(shè)備的使用要點(diǎn)。

2.1? 塔式起重機(jī)的使用要點(diǎn)分析

2.1.1? 確定塔吊數(shù)量

由于該建筑物樓層過高，故分兩個(gè)階段進(jìn)行施工，第一階段為建筑基礎(chǔ)至第38層，第二階段為第39層至頂層。

1）第一階段吊裝需求分析。施工所需的材料包括鋼筋、模板、腳手架鋼管、扣件、木枋、腳手架頂托和鋼梁等，根據(jù)各類施工材料的用量，計(jì)劃吊裝次數(shù)見表1，共計(jì)19 937次。針對材料的特點(diǎn)和吊裝方式，可將其劃分為3類，第一類是需要以吊裝輔助焊接的構(gòu)件（如方鋼），占比為5%；第二類是要求準(zhǔn)確定位的大型構(gòu)件（如鋼梁、卸料平臺(tái)），占比為3%；剩余的施工材料統(tǒng)稱為第三類，占比為92%，吊裝3類材料所需的平均時(shí)間見表2。綜合3類施工材料的占比及其平均吊裝用時(shí)，可計(jì)算出第一階段塔吊單次平均吊裝用時(shí)，計(jì)算過程為43×5%+15×92%+34×3%=16.97≈17 min。

2）第二階段吊裝需求分析。按照同樣的分析方法估算第39層至頂層的吊裝需求，吊裝次數(shù)為7 072次，3類構(gòu)件的占比分別為3%、6%、91%，由于高度有所增加，吊裝平均耗時(shí)也相應(yīng)延長，分別達(dá)到49 min、40 min和21 min，因此，第二階段塔吊單次吊裝的平均耗時(shí)為49×3%+40×6%+21×91%=22.98≈23 min。

3）塔吊數(shù)量配置。塔吊的施工成本較高，必須進(jìn)行精確計(jì)算，從而制定出最經(jīng)濟(jì)的配置方案，可根據(jù)式（1）計(jì)算塔吊的配置數(shù)量。

式中：Ni為作業(yè)期間的機(jī)械設(shè)備配置數(shù)量，Qi為作業(yè)期間的計(jì)劃完成工作量，將塔吊的產(chǎn)量指標(biāo)（8 h內(nèi)平均可完成的吊裝次數(shù)）記為qi，Ti為作業(yè)期內(nèi)的計(jì)劃工作天數(shù)，bi為工作班次，K表示不均衡系數(shù)（在1.1～1.4之間）[2]。根據(jù)實(shí)際情況，第一階段需要配置的塔吊數(shù)量為19 937×1.4÷（28×669×1.3）=1.146，因此，至少需要配置2個(gè)。第二階段的塔吊數(shù)量為7 072×1.3÷（21×355×1.3）=0.948 6，配置1個(gè)塔吊即可滿足施工要求。

2.1.2? 選型及布置方式

塔吊選型應(yīng)考慮一系列因素，包括作業(yè)半徑、安拆便捷性、起重能力、起升高度、地基承載能力和布置方式等[3]。例如，從布置方式來看，該項(xiàng)目第一階段施工從地面開始，宜采用外附式塔吊。第二階段施工從第38層開始，應(yīng)采用內(nèi)爬式塔吊。綜合各類因素，選擇Potain MCT370塔式起重機(jī)，其工作幅度在2.4～75 m之間，最大起升重量為4 t，足以滿足該項(xiàng)目的施工要求。

2.1.3? 安全管理要點(diǎn)

1）力學(xué)驗(yàn)算。塔吊屬于特種設(shè)備，對安全性提出了很高的要求，在作業(yè)之前必須進(jìn)行系統(tǒng)性的安全驗(yàn)算，包括地基承載力驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算、風(fēng)載荷計(jì)算、彎矩計(jì)算、起重力矩限制器試驗(yàn)等[4]。例如，塔吊的抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算方法為

e=Mk /（Fk+Gk）≤Bc/3，? ?（2）

式中：e為偏心距（地面反力的合力與基礎(chǔ)中心的距離），Mk為作用在基礎(chǔ)上的彎矩，F(xiàn)k為作用在基礎(chǔ)上的垂直載荷，Gk為混凝土基礎(chǔ)的重力，Bc為基礎(chǔ)底板的寬度。

2）安全監(jiān)控管理系統(tǒng)精度試驗(yàn)。塔吊的幅度顯示精度、起重顯示精度、力矩顯示精度是作業(yè)人員判斷其運(yùn)行狀態(tài)是否安全的重要依據(jù)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，正式吊裝之前應(yīng)針對以上三項(xiàng)指標(biāo)開展精度試驗(yàn)[5]。以起重顯示精度為例，分別按照額定載荷的30%、60%、90%進(jìn)行起升試驗(yàn)，讀取起重顯示值Q0.3、Q0.6、Q0.9，再按照以下表達(dá)式計(jì)算出起重精度。

式中：Q為3次起重的實(shí)際重量算數(shù)平均值，Q1為3次起重顯示值的算數(shù)平均值，R實(shí)為3次起重塔吊實(shí)際幅度的算數(shù)平均值。

2.2? 施工電梯的使用要點(diǎn)分析

2.2.1? 施工電梯分類

施工電梯主要用于人員垂直運(yùn)輸，同時(shí)，可滿足小型工具和安裝材料的運(yùn)輸需求，通常按照驅(qū)動(dòng)方式、提升方式、導(dǎo)軌架構(gòu)造方式對其進(jìn)行分類，表3為施工電梯分類結(jié)果。該項(xiàng)目物資運(yùn)輸需求較大，要求貨運(yùn)電梯的額定載重不低于2 t，同時(shí)，要配置數(shù)量足夠的輕型電梯，滿足人員快速垂直運(yùn)輸。

2.2.2? 施工電梯選型

作為全球超高層建筑數(shù)量最多的國家，國內(nèi)企業(yè)擁有豐富的超高層建筑施工經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)目在施工電梯選型中，廣泛調(diào)研同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工方案，獲得了可靠的參考依據(jù)。例如，廣州西塔（432 m）、武漢中心（438 m）、上海環(huán)球金融中心（492 m）、深圳平安金融中心（600 m）等項(xiàng)目均選用了國產(chǎn)“京龍”品牌的施工電梯，涉及型號(hào)為SC200/200 G、SCD300/300 V、SC270/270 G，說明該系列產(chǎn)品具有良好的可靠性，因此將貨運(yùn)電梯的型號(hào)選定為SC200/200 G，其基本性能參數(shù)見表4。

2.2.3? 施工電梯附著方式

1）附墻架受力計(jì)算。附墻架是施工電梯的重要結(jié)構(gòu)，為保證安全性，應(yīng)計(jì)算附墻架對墻體的作用力，計(jì)算方法為F=L×6/（B×2.05），其中F為附墻架對墻體的拉壓力，將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)中心與附著面的距離記為L，附著點(diǎn)間距記為B。作業(yè)前應(yīng)按照該計(jì)算方法確定作用力，并且評(píng)估墻體的承受能力。

2）連接螺栓的承載力驗(yàn)算。螺栓是附墻架各個(gè)組件的主要連接裝置，其承載力決定了附墻架的安全性，螺栓承載力的計(jì)算方法為

式中：N為普通螺栓的承載力設(shè)計(jì)值，nv為螺栓的受剪面數(shù)目，d為螺桿直徑，f是螺栓的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。承載力驗(yàn)算要求螺栓上承受的剪力Nv=F/2

3）附墻架施工要點(diǎn)。附墻架由附墻座、斜拉桿、支撐管、大橫桿、小橫桿、升降動(dòng)力設(shè)備和導(dǎo)軌等組成。附墻座的連接方式分為3種，其一是與墻體上的預(yù)埋件連接，其二是通過穿墻螺栓進(jìn)行固定，其三是與鋼結(jié)構(gòu)焊接在一起，該項(xiàng)目采用第一種連接固定方式，附墻架的間距控制在10 m以內(nèi)。在結(jié)構(gòu)施工過程中，應(yīng)提前預(yù)埋附墻件的埋件。安裝附墻架時(shí)對圓管和預(yù)埋件進(jìn)行焊接，同時(shí)在導(dǎo)軌上安裝2根方管，利用螺栓緊固到位，再將2根方管與附墻座連接在一起，所有螺栓緊固到位后，慢速啟動(dòng)升降機(jī)，確保吊籠及對重不會(huì)碰撞附墻架。

2.2.4? 施工電梯安裝次序設(shè)計(jì)

結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際情況，施工電梯分4次完成安裝。當(dāng)?shù)叵率翼敯逋瓿墒┕ず?，組織開展S1段施工電梯的安裝工作，從地下室頂板延伸至第10層。S2段施工電梯從第10層頂部（標(biāo)高為46.56 m）開始，安裝至第25層（標(biāo)高110.66 m）。S3段施工電梯從第25層頂部延伸至第46層（標(biāo)高199.30 m），S4段施工電梯從第46層頂部延伸至頂層，各段電梯安裝隨樓層逐步推進(jìn)。

2.3? 混凝土高壓輸送泵及液壓布料機(jī)的使用要點(diǎn)分析

2.3.1? 混凝土輸送泵使用要點(diǎn)分析

混凝土輸送泵通過壓力實(shí)現(xiàn)混凝土材料的水平或垂直輸送，其垂直輸送高度與壓力呈正相關(guān)，根據(jù)壓力大小，可將混凝土輸送泵劃分為低壓（2.0～5.0 MPa）、中壓（6.0～9.5 MPa）、高壓（10.0～16.0 MPa）、超高壓（22.0～28.5 MPa）4種類型。該項(xiàng)目地上部分為70層，隨著高度的增加，對混凝土輸送泵的壓力提出了更高的要求，因此，需要根據(jù)施工樓層的高度合理配置輸送泵。

1）輸送泵選型。該項(xiàng)目中使用2種型號(hào)的混凝土輸送泵，低于100 m的樓層采用HBT80.18.132SU型輸送泵，高于100 m的樓層采用HBT90.40.572RS型輸送泵，前者為高壓泵，后者為超高壓泵，各配置2臺(tái)，2種混凝土輸送泵的主要性能參數(shù)見表5。

2）泵管配置要求。超高壓泵的最高壓力可達(dá)到96.9 MPa，普通的泵管難以承受，因而要配置耐高壓的泵管，同時(shí)要考慮管徑、管壁厚度、接頭形式、密封圈等因素的影響。例如，泵管壓力與管徑大小呈負(fù)相關(guān)，適當(dāng)增加管徑有利于降低泵管的壓力，綜合評(píng)估混凝土輸送效率和泵管承受力，將輸送管徑設(shè)計(jì)為125 mm。再如，泵管壁厚與其承壓能力密切相關(guān)，以200 m為分界，低于200 m部分采用9 mm厚高強(qiáng)耐磨輸送管道，超過200 m部分采用12 mm厚管壁。

2.3.2? 液壓布料機(jī)使用要點(diǎn)分析

液壓布料機(jī)用于將混凝土精準(zhǔn)投送到待澆筑的部位，在設(shè)備選型時(shí)要綜合考慮布料范圍、換向控制方式，較大的布料范圍有利于減少泵管的接拆次數(shù)。在換向控制中，可優(yōu)先采用電控方式，降低施工人員的工作強(qiáng)度。布料時(shí)應(yīng)均勻推進(jìn)，避免混凝土料在個(gè)別部位堆料。該項(xiàng)目采用HGY33型液壓布料機(jī)，其布料半徑可達(dá)到33 m，能實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，具有良好的適應(yīng)性。

3? 結(jié)束語

面對超高層建筑物人員、物資運(yùn)輸難的問題，施工單位應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸需求，設(shè)計(jì)多元化的垂直運(yùn)輸方案。模板、腳手架、木枋等型材主要通過塔式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)輸，此類設(shè)備的使用要點(diǎn)為根據(jù)吊次需求合理配置數(shù)量、達(dá)到足夠的作業(yè)半徑、采取恰當(dāng)?shù)牟贾梅绞?。人員運(yùn)輸依賴于施工電梯，其使用要點(diǎn)為選擇適宜的運(yùn)輸速度和載重量、檢驗(yàn)附墻座對墻體的作用力、評(píng)估連接螺栓的承載力。混凝土垂直運(yùn)輸由高壓或超高壓混凝土輸送泵完成，在設(shè)備選型時(shí)要確保其輸送高度、輸送效率，同時(shí)配置耐壓型泵管。

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