鋼梁與筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺(tái)模架的模塊化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

秦鵬飛 王小安 穆蔭楠 扶新立

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心 上海 201114

整體爬升鋼平臺(tái)模架技術(shù)具有承載力大、整體性好、安全可靠度高等優(yōu)點(diǎn)，在超高層結(jié)構(gòu)，尤其是300 m以上超高層結(jié)構(gòu)的建造中應(yīng)用比較廣泛，相比傳統(tǒng)的整體提升腳手架、液壓爬模等模架形式具有明顯的優(yōu)勢[1-3]。但長期以來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也表明，整體鋼平臺(tái)模架裝備的用鋼量大、周轉(zhuǎn)使用率不高，其應(yīng)用市場難以得到進(jìn)一步擴(kuò)大，且難以滿足國家深入推進(jìn)的綠色化、工業(yè)化發(fā)展要求，急需在模架的構(gòu)造方式優(yōu)化升級方面有新的突破。為了解決上述問題，對整體鋼平臺(tái)模架裝備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)大部分構(gòu)件周轉(zhuǎn)使用是重要工作之一。整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備有鋼梁與筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備和鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備2種形式。本文主要針對鋼梁與筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備的模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，并將介紹這種新型模塊化模架裝備在南京金鷹天地廣場T1塔樓項(xiàng)目中的應(yīng)用。

1 模架系統(tǒng)組成

鋼梁與筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備由鋼平臺(tái)系統(tǒng)、腳手架系統(tǒng)、筒架支撐系統(tǒng)、鋼梁爬升系統(tǒng)和模板系統(tǒng)共5部分組成（圖1）[4]。其高度可覆蓋4層結(jié)構(gòu)高度，能滿足2層同時(shí)施工的需求。正常施工狀態(tài)下，模架裝備通過筒架支撐系統(tǒng)將自重及施工荷載傳遞于核心筒剪力墻體上；爬升狀態(tài)下，模架裝備通過爬升鋼梁與筒架支撐系統(tǒng)的交替支撐，依靠動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整體爬升。

圖1 鋼梁與筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺(tái)模架組成示意

1.1 鋼平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

鋼平臺(tái)系統(tǒng)位于整體鋼平臺(tái)模架裝備的頂部，由鋼平臺(tái)框架、鋼平臺(tái)蓋板、格柵蓋板及鋼平臺(tái)圍擋組成。鋼平臺(tái)系統(tǒng)框架采用縱橫向主次梁方式布置，主梁通常與混凝土結(jié)構(gòu)平行布置，并與混凝土墻體保持一定距離，次梁通常根據(jù)構(gòu)造要求設(shè)計(jì)。鋼平臺(tái)蓋板固定于鋼平臺(tái)鋼梁上，提供施工作業(yè)面。混凝土結(jié)構(gòu)上方位置采用格柵蓋板覆蓋，既提供安全作業(yè)平面，也方便鋼筋向下傳遞。鋼平臺(tái)系統(tǒng)外圍臨邊設(shè)置鋼平臺(tái)圍擋，防止人、物從側(cè)面發(fā)生墜落，其通常由型鋼立柱和鋼框網(wǎng)板組成。

1.2 腳手架系統(tǒng)構(gòu)成

腳手架系統(tǒng)由腳手吊架、走道板、圍擋板、滑移軌道等組成，沿核心筒墻體側(cè)面布置（圖2）。外部腳手架可設(shè)計(jì)為固定形式和滑移形式這2種形式。采用固定形式時(shí)，腳手吊架上端與鋼平臺(tái)框架梁固定；采用滑移形式主要是為了滿足混凝土結(jié)構(gòu)墻體向內(nèi)收分的需要，腳手吊架通過滑移滾輪連接于固定在鋼平臺(tái)框架梁上的滑移軌道上。內(nèi)掛腳手系統(tǒng)位于核心筒內(nèi)筒中，上端通過螺栓與鋼平臺(tái)框架梁固定。

圖2 腳手架系統(tǒng)示意

1.3 筒架支撐系統(tǒng)構(gòu)成

筒架支撐系統(tǒng)包括多個(gè)筒架支撐結(jié)構(gòu)，每個(gè)筒架支撐結(jié)構(gòu)布置于一個(gè)核心筒內(nèi)，由多個(gè)筒架支撐單元與支撐底梁組成，支撐底梁上設(shè)置有豎向支撐裝置。筒架支撐結(jié)構(gòu)通過頂部的鋼平臺(tái)系統(tǒng)連接形成整體（圖3）。

圖3 筒架支撐結(jié)構(gòu)

1.4 鋼梁爬升系統(tǒng)構(gòu)成

鋼梁爬升系統(tǒng)包括爬升鋼梁、豎向支撐裝置、雙作用液壓缸動(dòng)力系統(tǒng)等，爬升鋼梁通常位于筒架支撐系統(tǒng)的第6～7層之間。

1.5 模板系統(tǒng)構(gòu)成

模板系統(tǒng)由面板、圍檁、背肋、對拉螺桿等組成。模板系統(tǒng)的提升借助于鋼平臺(tái)系統(tǒng)框架吊點(diǎn)梁上的電動(dòng)葫蘆來完成。

2 模塊化設(shè)計(jì)方法

整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備由5個(gè)系統(tǒng)組成，5個(gè)系統(tǒng)均可由預(yù)制定型模塊化產(chǎn)品拼裝而成。由此形成的整體鋼平臺(tái)模架裝備不僅加工、安裝方便，而且可很方便地進(jìn)行更換、補(bǔ)缺等操作，滿足結(jié)構(gòu)體型變化適應(yīng)性要求。此外，在混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后，模架裝備還可按模塊進(jìn)行拆除，各模塊按規(guī)格分類存放，可在后續(xù)其他工程施工中重新拼裝使用，從而實(shí)現(xiàn)了重復(fù)利用，大幅減小了材料消耗，符合綠色建造的發(fā)展趨勢。

下面分別對鋼平臺(tái)系統(tǒng)、腳手架系統(tǒng)、筒架支撐系統(tǒng)和鋼梁爬升系統(tǒng)開展模塊化部件設(shè)計(jì)研究。

2.1 鋼平臺(tái)系統(tǒng)模塊化部件設(shè)計(jì)

鋼平臺(tái)系統(tǒng)部件充分采用標(biāo)準(zhǔn)集成開發(fā)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼平臺(tái)框架由規(guī)格不一的標(biāo)準(zhǔn)單元框架、標(biāo)準(zhǔn)跨墻連桿及非標(biāo)準(zhǔn)單元框架通過螺栓連接形成，鋼平臺(tái)蓋板、格柵蓋板、圍擋則采用工具化拼配技術(shù)（圖4）。

圖4 鋼平臺(tái)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)部件開發(fā)

1）鋼平臺(tái)框架梁可劃分為筒體內(nèi)鋼梁、外框鋼梁和跨墻連桿3個(gè)部分。

① 筒體內(nèi)鋼梁由陰角鋼梁框架、內(nèi)順墻鋼梁框架及中間鋼梁組成。陰角鋼梁框架由4根鋼梁組成井字形框架，鋼梁長1 900 mm，間距1 100 mm，自由外伸長300 mm；內(nèi)順墻鋼梁框架由縱橫向鋼梁組成，縱鋼梁長度分為1 800、3 600、5 400 mm等規(guī)格，間距為1 100 mm，橫鋼梁長1 900 mm，間距為1 800 mm，不同核心筒長度變化可以通過內(nèi)順墻鋼梁框架來進(jìn)行匹配，以滿足不同長度要求。

② 外框鋼梁由陽角鋼梁框架、中間鋼梁框架和外順墻鋼梁框架組成。陽角鋼梁框架由四縱四橫鋼梁組成，整體長度為4 700 mm；中間鋼梁框架由2根1 900 mm長度縱向鋼梁和2根1 350 mm長度橫向鋼梁組成，通過跨墻連桿與陰角鋼梁框架連接；外順墻鋼梁框架由縱橫向鋼梁組成，縱鋼梁長度分為1 800、3 600、5 400 mm等規(guī)格，間距為900 mm，橫鋼梁長度1 350 mm，間距為1 800 mm，外順墻鋼梁框架通過跨墻連桿與內(nèi)順墻鋼梁框架連接。

③ 跨墻連桿長度根據(jù)墻體厚度來設(shè)置，為非標(biāo)構(gòu)件。

2）鋼平臺(tái)蓋板模塊化尺寸按1 800 mm× 1 800 mm來設(shè)置，局部非標(biāo)部位可以單獨(dú)設(shè)計(jì)非標(biāo)蓋板尺寸，蓋板面板采用厚4 mm以上花紋板，肋條采用小方管或其他型鋼。

3）格柵蓋板：格柵板在模板吊點(diǎn)梁布置完成后進(jìn)行。格柵板的孔距宜為100 mm×100 mm，寬度分為600 mm和300 mm這2種規(guī)格，長度根據(jù)墻厚來設(shè)置。

4）鋼平臺(tái)圍擋：鋼平臺(tái)圍擋高度為2 000 mm，寬度分為1 800、1 500、1 200、600、300 mm等規(guī)格，以滿足不同尺寸的需要。

2.2 腳手架系統(tǒng)模塊化部件設(shè)計(jì)

腳手架系統(tǒng)的腳手吊架、走道板、圍擋板、防墜活動(dòng)閘板和樓梯均采用工具化拼配技術(shù)，各部件間通過螺栓連接形成整體（圖5），具體設(shè)計(jì)為：

圖5 腳手架系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)部件開發(fā)

1）吊架：吊架由前立桿、后立桿、橫桿、節(jié)點(diǎn)板等組成。前立桿采用鋼管腳手架，以便于施工過程中采用標(biāo)準(zhǔn)扣件與其他部位進(jìn)行臨時(shí)連接，后立桿采用槽鋼，兩肢打孔與側(cè)向圍擋連接。內(nèi)吊架寬度為900 mm，外吊架分為上下兩部分，上部分寬度為900 mm，下部分寬度為700 mm，為標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件。

2）走道板：走道板由角鋼框架加花紋板或鋼板網(wǎng)組成。外掛腳手架走道板寬900 mm，內(nèi)掛腳手架走道板寬1 100 mm，走道板長度均采用1 800、1 500、1 200、600、300 mm等規(guī)格。

3）側(cè)網(wǎng)：側(cè)網(wǎng)由角鋼框、鍍鋅鋁絲網(wǎng)、壓鐵組成。側(cè)網(wǎng)的寬度與對應(yīng)走道板一致，寬度采用1 800、1 500、1 200、600、300 mm等規(guī)格。兩側(cè)孔距設(shè)置與吊架相對應(yīng)，一般采用腰形孔。

4）閘板：閘板可由厚4 mm鐵板折邊而成，其寬度與吊架布置寬度一致，寬度采用1 800、1 500、1 200、600、300 mm等規(guī)格。

5）樓梯：上下樓梯寬度為550 mm，每步樓梯要設(shè)置防護(hù)欄桿，欄桿高度宜為900 mm。樓梯的傾斜度宜為45°～50°，踏步寬度宜為250 mm。樓梯上下連接應(yīng)為焊接固定。

2.3 筒架支撐系統(tǒng)模塊化部件設(shè)計(jì)

筒架支撐系統(tǒng)由支撐底梁、筒架支撐單元及豎向支撐裝置等組成，豎向支撐裝置采用通用標(biāo)準(zhǔn)件，支撐底梁與筒架支撐單元具體設(shè)計(jì)為：

1）支撐底梁：支撐底梁由角部支撐鋼梁和中間段支撐鋼梁組成。角部支撐鋼梁上連接豎向支撐裝置，中間段支撐鋼梁長度規(guī)格為1 800、3 600、5 400 mm等，角部支撐鋼梁和中間段支撐鋼梁由螺栓連接成框架。底梁寬度一般為1 100 mm，底梁上鋪?zhàn)叩腊濉㈤l板以實(shí)現(xiàn)底部全封閉。

2）筒架支撐單元：筒架支撐單元由筒架支撐柱與橫向筒架支撐梁組成。筒架支撐柱分為200 mm×8 mm、150 mm×8 mm這2種規(guī)格，可以根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行選擇。筒架支撐單元布置應(yīng)與上下鋼梁相對應(yīng)，通過螺栓連接。筒架支撐柱由方管組成，支撐梁為型鋼，單元框架平面一般為1 100 mm×1 100 mm的正方形。

2.4 鋼梁爬升系統(tǒng)模塊化部件設(shè)計(jì)

鋼梁爬升系統(tǒng)由爬升鋼梁、豎向支撐裝置與雙作用液壓缸動(dòng)力系統(tǒng)組成。豎向支撐裝置為通用模塊件，爬升鋼梁與雙作用液壓缸動(dòng)力系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)為：

1）爬升鋼梁是鋼平臺(tái)爬升時(shí)的承重鋼梁，采用雙拼H型鋼制作成平面受力框架，作為雙作用液壓缸的底部支撐。爬升鋼梁嵌于下段筒架支撐系統(tǒng)中，通過下段筒架支撐系統(tǒng)上的水平限位裝置進(jìn)行側(cè)向限位并可與筒架支撐系統(tǒng)產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)；爬升鋼梁上設(shè)置豎向支撐裝置。爬升鋼梁分為角部和中間段兩部分，角部采用一種規(guī)格即滿足要求，中間段可以分為1 800、3 600、5 400 mm等規(guī)格以滿足內(nèi)筒尺寸要求。

2）雙作用液壓缸動(dòng)力系統(tǒng)是筒架支撐式爬升整體鋼平臺(tái)模架裝備爬升的核心裝置，由長行程油缸、供油管路、液壓泵站等組成。由于結(jié)構(gòu)層高通常在4～6 m之間，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)采用一個(gè)樓層2次爬升的設(shè)計(jì)方案可以同時(shí)兼顧成本的經(jīng)濟(jì)性與施工的高效性，建議采用單行程可達(dá)3 m的液壓缸系統(tǒng)。根據(jù)整體鋼平臺(tái)模架的荷載分布情況及其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)考慮現(xiàn)場施工工況的復(fù)雜性，管路連接采用快速接頭，以保證更換時(shí)的快速方便。

3 工程應(yīng)用

南京金鷹天地廣場T1塔樓共76層、高368 m，T2塔樓68層、高328 m，T3塔樓60層、高300 m（圖6）。

T1塔樓核心筒施工采用鋼梁與筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺(tái)模架（圖7）。本工程整體鋼平臺(tái)模架完全按照模塊化理念進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作與施工。在設(shè)計(jì)階段，五大系統(tǒng)根據(jù)核心筒平面尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用將標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件與非標(biāo)構(gòu)件相結(jié)合的模式，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件從構(gòu)件庫中直接選擇，非標(biāo)構(gòu)件根據(jù)結(jié)構(gòu)特殊需求量身制作。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和非標(biāo)構(gòu)件通過連接件組裝成整體。模塊化設(shè)計(jì)方法極大地縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了工作效率。在制作加工階段，大部分構(gòu)件為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，非標(biāo)構(gòu)件數(shù)量較少，降低了加工出錯(cuò)概率，構(gòu)件制作質(zhì)量得到大幅度提高。在現(xiàn)場安裝階段，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件之間及標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和非標(biāo)構(gòu)件之間的連接主要采用螺栓連接的方式，由于加工精度高，故安裝質(zhì)量容易保證且可以提高安裝速度，縮短了絕對工期。在施工過程中，依托模塊化構(gòu)造的優(yōu)勢，對部分構(gòu)件很方便地進(jìn)行了更換以適應(yīng)結(jié)構(gòu)體形變化的要求，加快了施工速度。通過深入分析此整體鋼平臺(tái)模架應(yīng)用實(shí)例中各模塊的使用情況，發(fā)現(xiàn)所有模塊件中除了少數(shù)格柵蓋板、走道板、圍擋板等有不可修復(fù)的損壞外，絕大多數(shù)模塊件通過清理修復(fù)均可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，整體重復(fù)使用率可達(dá)90%以上，對后續(xù)應(yīng)用工程建造成本的降低起到了非常積極的促進(jìn)作用。

圖6 南京金鷹天地廣場效果圖

圖7 整體鋼平臺(tái)模架工程實(shí)景

4 結(jié)語

本文對鋼梁與筒架交替支撐式整體鋼平臺(tái)模架的模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了鋼平臺(tái)系統(tǒng)、腳手架系統(tǒng)、筒架支撐系統(tǒng)、鋼梁爬升系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模塊件的構(gòu)建方法。為檢驗(yàn)相關(guān)模塊化設(shè)計(jì)理論的準(zhǔn)確性，在南京金鷹天地廣場T1塔樓核心筒結(jié)構(gòu)建造中探索性地應(yīng)用了這種新型模塊化整體鋼平臺(tái)裝備。實(shí)踐表明，采用模塊化的整體鋼平臺(tái)裝備，通過提高標(biāo)準(zhǔn)部件的周轉(zhuǎn)使用率，能夠顯著降低施工成本，提高施工效率。