模架技術在超高層建筑工程中的應用

文/陸云 高吉龍 王美華

1 ．我國超高層建筑的發展

隨著我國經濟和科學技術的發展，超高層建筑逐漸盛行。我國的超高層建筑發展始于1990年，1990~2007年是超高層建筑的起步期，2008~2013年為超高層建筑的快速發展期。以高度為依據，本文將超高層建筑分為以下4個區段：250~300m，300~400m，400~500m以 及500m以 上。截至2013年，我國共建成及封頂超高層建筑119幢，其高度分布比例如圖1所示。250~300m的超高層建筑數量最多，約占建筑總數的60%；500m以上超高層建筑僅兩幢。

目前我國在建的250m以上超高層建筑共68幢，其中500米以上有4幢；預備的250m以上超高層建筑共122幢，規劃的250m以上的超高層建筑共計146幢。可見，在未來十年里，我國將迎來超高層建筑的繁榮期。

隨著超高層建筑的快速發展，各種新型復雜體型及復雜結構體系大量出現，其結構體系呈現多樣化。高度超過250m的超高層建筑結構一般采用筒體結構，包括框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撐4種結構體系，分別適用于不同高度的超高層建筑，表1列出部分超高層建筑的結構體系。

表1 國內部分超高層建筑結構體系（含已建成和在建工程）。

圖1 我國已建成超高層建筑高度統計（截止2013年）

2 ．超高層建筑模架技術

超高層建筑工程的施工技術主要包括混凝土泵送技術、垂直運輸技術、模架技術和測量定位技術等。其中，模架作為施工操作平臺和安全圍護，是超高層建筑結構施工的關鍵技術。科學合理的模架技術，不但事關建筑結構的質量、安全和施工進度，而且對工程造價也大有影響。

目前應用比較廣泛的超高層建筑模架技術，主要包括電動整體提升腳手架技術、液壓自動爬升模板技術和整體提升鋼平臺模板技術等，其各具特色。下面結合具體工程，分別對三種模架技術進行介紹。

3.電動整體提升腳手架技術

3.1工藝特點

電動整體提升腳手架技術是傳統落地腳手架、散拼散裝模板技術的重大發展，是現代機械工程技術、自動控制技術與傳統腳手架施工工藝相結合的產物。與落地腳手架和挑排腳手架相比，電動整體提升腳手架技術具有顯著的優點：

3.1.1 標準化程度高。電動整體提升腳手架采用標準化定型產品，通用性強，周轉率高。

3.1.2 施工成本低。采用定型化鋼管構件，相比液壓爬模和整體成本低。

3.1.3 體型適應性強。整體提升腳手架可以根據建筑體型靈活布置，滿足體型復雜的建筑工程的施工需要。

正是由于電動整體提升腳手架技術具有以上優點，才得以在超高層建筑模架技術中占有一席之地。同時，相比液壓爬模技術和整體提升鋼平臺技術，電動整體提升腳手架技術也存在著整體剛度弱、作業面狹窄和施工效率低等缺點。

3.2工程應用實例

3.2.1 工程特點

南昌綠地中央廣場工程A區雙子座主塔樓總高度為283m，結構共63層，如圖2所示。豎向結構體系采用框架—核心筒體系。標準層高為4.1m，非標層高度有3.2m、4.5m、5.0m、5.55m、6.0m等多種。結構平面形狀變化特別劇烈，由底部平面的圓角正方形，漸變成中部的圓形，再到上部的十字花瓣狀，其結構外形俯視圖如圖2所示。

圖2 南昌綠地中央廣場工程

該工程結構體型復雜，建筑物外圍形狀、周長變化特別大，給外圍護模板工程帶來相當的難度，主要包括以下幾個方面：

3.2.1.1 仰爬及俯爬

結構外柱立面在十字方向向外圍傾斜后又內收，在45°的米字方向內側收縮傾斜，對外圍模架體系的選擇和布置造成了極大的困難。

3.2.1.2 扭轉爬升

如圖3所示，該工程爬架最大扭轉角為1.1°，機位由扭轉引起的偏移量為65mm。因此，架體需要扭轉爬升才能適應結構體系要求，對爬架的爬升要求提出了更高的要求。

圖3 爬架扭轉示意圖

由于其斜率和扭曲變化程度非常大，采用液壓自動爬升模板技術和整體提升鋼平臺模板技術都很難實施，最終選擇了結構體型適應性強的電動提升腳手架技術。

3.2.2 模架體系

圖4 電動整體提升腳手架結構示意

電動整體提升腳手架主要由提升動力系統、信息采集和控制臺、抗傾和防墜裝置、固定拉結裝置以及腳手架結構體系組成。模架結構體系采用兩機位加強單元型爬架體系，各斜爬架單元布置兩層桁架層以加強結構剛度，如圖4所示。

3.2.3 方案簡述

3.2.3.1 總體路線

考慮到結構體系的體型復雜多變，施工的速度難以加快，該工程采用核心筒和外圍框架同步施工的技術路線。

為適應四周邊長不斷變化的要求，將電動提升腳手架單元化，兩個機位為一個組合爬升單元，單元與單元之間設置自動伸縮擱板，背立面設置可伸縮圍護擋板。組合爬升單元進行了空間結構設計，使其滿足架體能仰爬、俯爬和扭轉爬升的剛度要求。在構造功能上，設置組合通長導軌和抗傾導向裝置，滿足各向爬升導向和受力的功能要求。

3.2.3.2 平面布置方案

圖5 整體提升腳手架機位布置圖

3.2.3.3 仰爬及俯爬

針對俯爬及仰爬這一難題，對每個機位設置雙抗傾裝置，同一平面設置4只抗傾導輪。每個單元豎向共布置3層，即12只抗傾導輪。

3.2.3.4 扭轉爬升

架體爬升過程中若發生扭轉，則各抗傾裝置間會由于相對位移而卡死，架體也會因較大的變形而承受巨大的內應力，因此，必須想辦法克服扭轉爬升的難題。通過采取“以折代扭”的思路，將扭轉爬升過程轉化為平面爬升和機位內縮兩個過程。此工藝路線可以解決扭轉爬升的難題。其工藝如圖6。待爬升就位且斜拉桿安裝受力后，通過拉動固定于支撐梁尾部的手動葫蘆來實現機位內移，從而實現架體扭轉。

南昌綠地中央廣場工程采用電動整體提升腳手架體系，保證了工程于2013年11月順利竣工。

4.液壓自動爬升模板技術

液壓自動爬升模板系統最早是由德國PERI公司于1978年研制成功，隨后許多大型模板公司，如奧地利DOKA、英國RMD等都相繼開發了液壓自動爬升模板系統。90年代后，我國開始引進、消化和吸收國外先進的液壓自動爬升模板工程技術，如深圳地王商業大廈（69層，高325米）采用了瑞士VSL液壓自動爬升模板工藝施工。近些年來，上海建工集團和北京市建筑工程研究院等單位相繼研制出具有自主知識產權的液壓自動爬升模板系統。目前，液壓自動爬升模板系統在我國應用已非常廣泛。

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圖6 爬架扭轉爬升工藝流程圖

4.1工藝特點

液壓自動爬升模板技術與其它模板工程技術相比，液壓自動爬升模板工程技術具有顯著優點：

4.1.1 自動化程度高。在自動控制系統作用下，以液壓為動力不但可以實現整個系統同步自動爬升，而且可以自動提升爬升導軌。平臺式液壓自動爬升模板系統還具有較高的承載力，可以作為建筑材料和施工機械的堆放場地。

4.1.2 施工安全性好。液壓自動爬升模板系統始終附著在結構墻體上，在6級風作用下可以安全爬升，8級風作用下可以正常施工。在爬升架上端增加拉結加固后液壓自動爬升模板系統能夠抵御12級風作用。

4.1.3 施工組織簡單。液壓自動爬升模板施工工序關系清晰，銜接要求比較低，因此施工組織相對簡單。特別是采用單元模塊化設計，可以任意組合，以利于小流水施工，有利于材料、人員均衡組織。

4.1.4 標準化程度高。液壓自動爬升模板系統許多組成部分都是標準化定型產品，通用性強，周轉利用率高，因此具有良好的經濟性。

但是液壓自動爬升模板系統通過預埋螺桿附著在剪力墻上，與整體提升鋼平臺模板技術相比，承載力比較低，材料堆放控制嚴格。

4.2工程應用實例

4.2.1 工程特點

鄭州綠地中央廣場北塔樓地面以上結構總高度為283.9m，共64層，標準層層高為4.2m。非標準層高有7.8m、4.8m、3.6m、5.6m和4.3m等。主體核心筒結構采用混凝土結構。核心筒平面如圖，是典型的九宮格，如圖7。

該工程主要特點表現在核心筒內部區格尺寸較大，達到10.3x9.75m，采用液壓爬模頂升平臺，單個平臺的受荷面積高達100.425m2，相比普通核心筒區格面積增加約20%，這對液壓爬模的承載能力提出了嚴格要求。

圖7 鄭州綠地中央廣場

4.2.2 模架體系

液壓自動爬升模板體系是一個復雜的系統，集模架、機械、液壓、自動控制技術于一體；其主要可分為：模板系統、操作平臺系統、爬升機械系統、液壓動力系統和自動控制系統五大部分，如圖8。

4.2.3 方案簡述

4.2.3.1 總體路線

該工程總體工藝路線為豎向結構先行施工，水平結構滯后施工；核心筒豎向結構先行施工，領先周邊外框結構6層左右。模架技術總體施工方案為：核心筒外圍和內部采用液壓爬模方案，鋼大模隨模架同步爬升。

4.2.3.2 平面布置方案

共布置23組液壓爬模單元，其中2機位外爬架14組，6機位內爬架9組，共82個機位。

4.2.3.3 大噸位承載要求

該工程采用的液壓爬模內平臺相比普通承載力要求提高近20%，這對液壓爬模的承載能力提出了更高的要求。

由于爬模承載能力主要由預埋構件及承重螺栓確定，一定程度上限制了整體承載力的提升。綜合考慮后，該工程液壓爬模采用了承重大梁承載，通過將承重梁端部擱置腿伸入剪力墻預留洞內，大大提高了爬模承載能力。

圖8 液壓自動爬升模板結構示意

5.整體提升鋼平臺模板技術

整體提升鋼平臺模板工程技術是具有我國自主知識產權的超高層建筑結構施工模板工程技術，是由鋼筋混凝土結構升板法技術發展而來的。二十世紀80年代末由上海市第五建筑有限公司首創，并成功應用于上海聯合大廈工程。目前，在我國僅有上海建工集團和中建集團擁有該項技術。

圖9 承重大梁示意圖

5.1工藝特點

整體提升鋼平臺模板工程技術是一項特色極為鮮明的模板工程技術，與其它模板工程技術相比，具有顯著優點：

5.1.1 整體穩定性強。整體提升鋼平臺模板系統通過鋼梁組成的鋼平臺與掛腳手架連接，整體穩定性強，可滿足超高層建筑全封閉的施工要求。

5.1.2 作業條件好。材料堆放場地開闊，為施工作業提供了良好條件。下掛腳手架通暢性和安全性好，施工作業安全感強。

5.1.3 施工速度快。提升準備可與鋼筋工程、混凝土澆搗平行進行，可減少塔吊的運輸量，且大模板原位進行拆卸、提升和組裝，極大地提高了工效。

5.1.4 施工安全性好。整體提升鋼平臺模板系統始終附著在結構墻體上，能夠抵御較大風力作用。

5.2工程應用實例

5.2.1 工程特點

上海中心大廈結構地下5層，地上121層，總建筑面積為 574058m2，地上總建筑面積為 410139m2，建筑總高度 632m，如圖10。

上海中心大廈在模架技術方面主要存在以下難點：

圖10 上海中心大廈

圖11 墻體收分示意

5.2.1.1 伸臂桁架

設置在設備避難層中，伸臂桁架在平面上由兩部分組成：一部分設置在核心筒內的腹墻和翼墻內；另一部分設置在核心筒外圍鋼框架結構中。

5.2.1.2 徑向樓面桁架層

核心筒外圍梁柱框架結構中增設了徑向樓面桁架層。

5.2.1.3 墻體收分、空中變形施工

墻體厚度隨高度上升而遞減，腹墻厚度從900mm變化至500mm 翼墻厚度從1200mm變化至500mm。核心筒輪廓從九宮格變化為五宮格，最后變為三宮格，如圖11。

5.2.1.4 剪力鋼板層

上海中心大廈在三個區段中采用剪力鋼板層，以增強整體抗震性能，這對模架技術來說是個挑戰。

5.2.2 模架體系

整體頂升鋼平臺模板系統由鋼平臺、內、外掛腳手系統、支撐系統、液壓動力及電氣控制系統和大模板系統共五部分組成，如圖12。

5.2.3 方案簡述

5.2.3.1 總體路線

該工程屋頂皇冠結構以下主體結構施工在豎向共分3個流水節拍，首先進行核心筒墻體結構施工，其次進行核心筒外圍框架結構施工，最后進行核心筒內樓板結構施工。

5.2.3.2 伸臂桁架層頂升

先拆除中間鋼平臺聯系鋼梁，逐一吊裝中部伸臂桁架的斜腹桿和上弦桿，完成后馬上恢復拆除的鋼梁；然后再拆除井字外部鋼平臺聯系鋼梁，吊裝外部伸臂桁架的斜腹桿和上弦桿，吊裝完成后進行混凝土施工。伸臂桁架位置如圖13中所示。

圖13 伸臂桁架位置圖

圖12 整體提升鋼平臺模板系統

5.2.3.3 施工電梯方案

通過在鋼平臺上設置2道拉結，施工電梯可直達鋼平臺面，增加了垂直交通的舒適度，提高了施工效率。

圖14 施工電梯示意圖

6.結論

超高層建筑施工有賴于先進的模板工程技術，同時超高層建筑的蓬勃發展又極大地促進了模板工程技術的進步。下面對現有模架技術在不同高度區段應用的優缺點、性價比作一點經驗評價，對未來的超高層模架的發展趨勢做一點展望。

6.1 電動整體提升腳手架技術以其結構適應性強及經濟性等優勢在250~300m段超高層建筑工程中仍占有一席之地，但其由于整體剛度弱、作業面狹窄和無法帶模板同步爬升等缺陷，難以在筒體結構超高層核心筒中推廣應用，而主要適用于外框架結構的圍護腳手。

6.2 液壓自動爬升模板系統與電動整體提升腳手架相比，承載力強且施工安全性好，與整體提升鋼平臺模板技術相比，布置更為靈活，且經濟性較好。目前，在我國250~400m段超高層建筑工程中應用最為普遍。隨著液壓爬模在承載結構體系等方面的創新，其適用范圍進一步擴大。

6.3 整體提升鋼平臺模板技術整體穩定性好、承載力強且施工舒適度高，適用于350米以上超高層建筑。但隨著鋼板剪力墻和勁性內置鋼梁結構的日益增多，它的適用范圍也在受到挑戰，同時由于自身成本費用較高，在350米以下超高層中應用其性價比較差。

6.4 隨著超高層建筑的蓬勃發展，將出現更多的技術難題，如結構體型變換、伸臂桁架的隔斷，鋼板剪力墻的布置，施工舒適性要求等，對模架體系提出挑戰的同時，極大地促進了模架技術的進步，對于結構體系適應性強、承載能力高、自動化程度高的技術將得到進一步的發展。

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