鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備在上海國際航空服務中心塔樓施工中的應用*

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

上海國際航空服務中心W-1B地塊主樓上部結構為型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構，核心筒典型平面如圖1、圖2所示。塔樓核心筒平面呈切角三角形，筒體三邊尺寸約為46 m×18 m× 34 m，共設置4道內筒隔墻。地上標準層層高為4.30 m。非標準層層高有3.70 m、4.29 m、5.00 m、5.10 m、7.10 m等多種。核心筒在37層設有2道伸臂桁架，與巨型鋼柱相連，外伸桁架牛腿，桁架高度為4.29 m。跨度分別為38.40 m和35.30 m。核心筒內墻部分剪力墻在42層以后缺失，核心筒筒壁厚度地上部分最厚為1 000 mm，內墻最厚為800 mm。隨著高度變化，墻體厚度逐步減少。

2 工程特點及難點

1）結構平面不規則，核心筒布置呈切邊三角形。且結構平面尺寸大，縱向最大跨度達到50.50 m。對鋼平臺構件布置及結構受力影響大。

2）結構平面劃分為5個宮格，每個宮格的平面尺寸相差較大。整體鋼平臺在每個內筒的筒架支撐系統負擔的荷載區域相差較大，造成整體平臺系統受力極不均勻。

3）核心筒墻體多次收分，外墻由內向外收分，對鋼平臺模架裝備的立柱布置及牛腿變形適應能力要求較高。

圖1 核心筒平面布置示意一

圖2 核心筒平面布置示意二

4）核心筒在37層設置了2道伸臂桁架，桁架與外圍框架相連，這給鋼平臺模架裝備的設計以及爬升帶來了較大的困難。

5）本工程部分內墻結構在42層以上逐漸缺失，不再隨核心筒高度的升高而往上延伸，對鋼平臺模架裝備的布置帶來一定困難。

3 液壓爬升整體鋼平臺模架體系的設計

鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升鋼平臺模架體系主要由鋼平臺系統、內外掛腳手架系統、鋼柱爬升系統、筒架支撐系統及鋼大模系統等5部分組成，如圖3所示。

3.1 鋼平臺系統的設計

圖3 液壓爬升整體鋼平臺模架體系構成

鋼平臺系統的布置是沿核心筒平面進行的。為保證各種施工工序有序進行，鋼平臺鋼梁的布置應綜合考慮導軌立柱、內外掛腳手架、伸臂桁架的伸出情況、鋼平臺的整體受力等因素，對于局部連系梁采取以避讓為主的原則，如無法避讓則設計為可拆卸梁。為改善施工人員的作業環境，提高堆放材料和設備的承載能力，根據施工實際情況在鋼梁上鋪設鋪板。鋼平臺外圍一周設置高2 m的圍網，形成封閉的施工環境，防止高空墜落，消除高空施工安全隱患。上海國際航空服務中心鋼平臺面積約為795 m2。

3.2 內、外掛腳手架系統的設計

內、外掛腳手架系統以螺栓固定于鋼平臺底部，隨鋼平臺同步爬升。主要包括腳手架、走道板、側網、樓梯等。系統由槽鋼、鋼管組成框架，外側用側網封閉，共6層。上3層為鋼筋、模板施工區，下3層為拆模整修區。樓梯作為施工人員上下鋼平臺的通道，外掛腳手架設置2部，每個內筒構架內設置1部上下樓梯，并在其中一個構架筒內設置1部人貨電梯，直達鋼平臺操作面，完成施工人員垂直運輸工作。系統上5層走道板的鋪板由角鋼框架與鋼板網組成，底層的走道板及泵站平臺鋪板由角鋼框架與花紋鋼板組成。系統底部設可伸縮性防墜閘板，鋼平臺爬升時閘板收回，正常施工時閘板閘緊墻面，防止構件墜落。

3.3 鋼柱爬升系統的設計

鋼柱爬升系統包括爬升導軌立柱、上下爬升靴和液壓動力系統以及控制系統等。爬升導軌立柱是提升整體鋼平臺系統的導軌。爬升立柱已經進行標準化設計，可以周轉使用。在保證體系受力合理的前提下，立柱布置以方便整體鋼平臺的施工為主要原則，綜合考慮結構中勁性柱、門洞的位置，伸臂桁架等多個方面，共設置了24根爬升立柱。液壓動力系統主要由4臺液壓泵站和24套短行程雙作用液壓油缸等組成。每個液壓泵站可以驅動6套液壓頂升油缸。液壓頂升油缸固定在導軌立柱上，并且液壓頂升油缸配有上、下爬升靴，可以實現整個鋼平臺的整體同步爬升。也可以通過手動控制，實現對單個油缸進行單獨控制。控制系統主要為中央控制室、PLC控制系統等。控制系統安置在中央控制室中，控制系統對整個施工鋼平臺及內、外掛腳手的爬升進行全程監控。通過PLC控制系統高精度的同步控制，保證了鋼平臺爬升過程中的平穩和安全。

3.4 筒架支撐系統的設計

支撐系統由5個內筒的內筒架、吊架及底部鋼梁等組成，內筒架系統與鋼平臺連接成整體，正常施工時鋼平臺及外掛腳手架的載荷通過內筒架底部的支撐牛腿傳遞到核心筒墻體上。鋼平臺提升時，筒架底部的支撐牛腿縮回，立柱底座支撐在核心筒墻體上，支撐整個鋼平臺的質量。

3.5 模板系統的設計

上海國際航空服務中心項目核心筒大模板從3層施工時開始起用。整體液壓爬升鋼平臺大模板系統由面板、橫向圍檁和豎向圍檁、角模、對拉螺栓等組成。橫向圍檁采用雙拼槽鋼制作，豎向圍檁采用單根槽鋼制作；大模板的設計有標準規格和多種非標準規格，非標準層施工時在標準規格的模板上接合適的非標準規格的模板，大模板隨鋼平臺整體爬升[1]。

4 標準層施工技術

1）初始狀態，整體液壓爬升鋼平臺模架裝備停留在第n層混凝土的頂面，此時核心筒混凝土澆筑完成，處于混凝土養護階段，鋼平臺準備提升。

2）通過液壓油缸不斷循環伸縮變換，使鋼平臺架體爬升4.30 m。內筒支撐系統的牛腿支撐伸出并支撐在剪力墻的預留洞內。此時，模架裝備上升至n+1層。

3）啟動液壓油缸，扳轉爬升操作手柄，使爬升導軌處于反向頂升狀態。提升導軌4.30 m。

4）吊裝勁性柱，綁扎n+1層的結構鋼筋，設置預埋件，安裝立柱導軌。

5）大模板安裝，緊固對拉螺栓，進行工程驗收，準備澆筑n+1層核心筒墻體混凝土。

6）混凝土澆筑、混凝土養護。

7）如此循環利用液壓油缸和爬升靴實現鋼平臺和爬升立柱的交替支撐提升，完成n+1個標準層的施工。

5 施工難點解決方案

5.1 核心筒平面布置不規則

由于結構平面的布置不規則，整個核心筒區域被內墻分為面積相差較大的5個內筒。整體鋼平臺在每個內筒的筒架支撐系統負擔的荷載區域相差較大，造成整體平臺系統受力極不均勻。通過對所需承擔較小荷載的筒架支撐系統進行優化設計，降低其承載能力；對所需承擔較大荷載的筒架支撐系統進行加強，增加其承載能力，使整個鋼平臺既能滿足整體承載能力，又不浪費，有效減少了工程材料，降低了工程成本。

5.2 鋼平臺在伸臂桁架處的“凸”字形設計

本工程核心筒在37層設置了2道伸臂桁架，且伸出墻面距離最大為1.55 m，已經超出正常外圈鋼梁的范圍，為避免鋼平臺體系出現鋼結構吊裝時的分體組合問題，鋼平臺平面設計時，充分考慮上下弦桿的吊裝空間，將有伸臂桁架伸出的4個部位按“凸”字形設計，使外圈鋼梁覆蓋伸出牛腿，部分鋼梁平面設置為可拆卸鋼梁，有牛腿伸出部位的各層走道板做成可拆卸的，部分做成翻板。因此在桁架層爬升流程中，只需在需要時打開牛腿伸出處的踏步板、翻板，拆掉可拆卸的鋼梁，就可滿足桁架吊裝，實現桁架層的施工。鋼梁平面布置如圖4所示。

圖4 鋼梁平面布置

5.3 鋼平臺部分支撐點缺失的處理

本工程核心筒部分墻體在42層以上逐漸缺失，不再隨核心筒高度的升高而向上延伸，致使鋼平臺在此處缺少支撐點，鋼平臺體系不能正常工作。我們通過在42層以上墻體消失部位做臨時支撐墻體（臨時墻體厚度為消失墻體厚度），來滿足在墻體缺失處鋼平臺的支承的需要，同時對臨時支撐墻體進行了承載力計算并對爬升流程進行了優化設計，盡可能降低臨時支撐墻體高度，保證了臨時墻體支撐的安全性。臨時墻體如圖5所示[2]。

圖5 臨時墻體示意

5.4 墻體收分距離大的處理

本工程核心筒墻體多次收分，且外墻由內向外收分，部分墻體收分達到200 mm，已經超出了標準化設計的牛腿所能達到的最大范圍，為滿足牛腿支承架體的要求，對牛腿重新設計并利用有限元方法進行牛腿安全性的驗證。牛腿在筒架支撐系統上的位置進行整體調整，解決了牛腿支撐的問題。對全封閉閘板進行可伸縮性設計，解決了墻體收分無法滿足封閉性問題。

6 有限元模擬驗證

采用有限元結構分析軟件Midas Gen 7.95，按照鋼柱筒架交替支撐式整體液壓爬升鋼平臺模架體系設計圖紙建立結構的三維有限元模型，如圖6所示。

圖6 鋼平臺整體結構示意

平臺施工分為正常施工工況和爬升工況，正常施工工況考慮極限為12級風力（該風力為平臺頂部風速儀所測風速，以下相同），爬升工況考慮8級風荷載。

鋼平臺有限元計算結果分析：對鋼平臺正常施工、爬升以及臺風情況下的受力進行分析計算，從各項數據中可以得出鋼平臺結構體系均滿足使用要求[3]。

此外，由受力分析結果也可以看到正常施工工況下的組合應力和支座反力最大，此時模板未拆下，鋼筋堆載量起主要作用，因此鑒于安全考慮，頂部鋼平臺上堆放鋼筋等材料時，應盡量均勻分布于核心筒內側的鋼平臺上，不得集中堆載；由于結構平面布置的不規則性引起鋼平臺體系受力極不均勻，局部應力過大，需要進行局部加強設計，均衡鋼平臺體系的整體承載能力，使鋼平臺能滿足整體承載能力；正常施工工況階段的計算時考慮各層均布1 kN/m2施工活荷載，而實際使用中各層同時有大量工人施工的概率很小，因此，本次計算結果有較大的安全儲備。

7 結語

本文通過上海國際航空服務中心項目，對鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺模架體系及其施工工藝作了詳細闡述，并就工程施工難點提出了具體的解決方案，通過有限元計算驗證了該鋼平臺模架體系運用的合理性。在施工中，鋼平臺模架裝備具有承載能力大，加快建筑材料周轉速度，縮短施工工期；作業環境安全可靠，施工方便；關鍵核心部件能夠工具式周轉使用，最大限度地節約工程材料；能適應不同的復雜結構體系，并滿足結構體型變化要求等優點。此套模架體系在上海航空國際服務中心項目的成功應用，擴大了鋼平臺體系在施工中應用，為今后我國不規則核心筒的超高層施工起到了良好的示范作用。