鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架體系

馬 未 王小安 秦鵬飛

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結構建造工藝與裝備工程技術研究中心 上海 201114

與傳統的整體提升腳手架、液壓爬模等模架形式相比，鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架體系在封閉性、安全性、綠色環保、高效施工和舒適性等方面具有明顯優勢，已在上海浦西白玉蘭廣場、上海靜安大中里、上海國際航空服務中心等多個重大超高層項目中得到廣泛應用，并取得了良好的工程效果[1-3]。

鋼柱與筒架交替式整體鋼平臺模架體系在工程應用時，需要重點解決匹配工程建造要求的適應性設計與施工技術問題，而模塊化構造是解決上述問題的基礎。

本文重點介紹鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架體系在武漢恒隆廣場塔樓項目施工中的關鍵應用技術，主要涉及基于模塊化理念的體系設計、受力分析及高適應施工技術。

1 工程概況

武漢恒隆廣場項目地處武漢市硚口區，北靠京漢大道、東至民意四路、西接漢口中心嘉園，位于武漢市商貿、金融及商業中心的核心地段。武漢恒隆廣場塔樓地下3層、地上56層，建筑高度278.60 m，主體結構高度275.95 m。

塔樓結構為框架-核心筒結構體系，其核心筒結構由核心筒筒壁、核心筒內墻（包括暗柱）、梁和板組成，核心筒筒壁為鋼筋混凝土結構。核心筒平面為五邊形，筒體平面尺寸約為35.6 m×19 m，設有6道內墻，將核心筒平面劃分為12格〔圖1（a）〕，核心筒墻體體型在35層發生較大變化，部分墻體消失，核心筒墻體平面由原來12格減少至10格〔圖1（b）〕。

圖1 武漢恒隆廣場塔樓核心筒結構體型

核心筒墻體有13個典型平面（內外墻收分），隨著高度的上升，墻體厚度逐漸減小，至35層時，W1、W2由1 200 mm收分至600 mm，W3由1 300 mm收分至800 mm，W4由1 200 mm收分至700 mm，內墻共收分200 mm。

選擇合適的整體鋼平臺模架形式是實現核心筒結構安全、經濟、高效建造的關鍵。武漢恒隆廣場塔樓核心筒結構復雜多變，對模架裝備的適應性有較高要求，同時也給模架裝備的垂直運輸帶來較大困難。該核心筒結構施工難點主要體現在以下幾個方面：

1）核心筒筒壁和內墻多次收分，每次收分從100～ 200 mm不等，需要對外吊腳手架進行優化設計，使其滿足墻體收分要求。

2）核心筒結構共56層，超高的高度對模板形式的選擇、垂直運輸能力、施工平臺安全性和便利性等都有較高要求。

3）核心筒墻體在35層發生大面積變形，右側筒體消失，給內外吊腳手架設計和整體鋼平臺模架安裝拆除帶來較大困難。

4）核心筒層高有較大變化，除了4.40 m的標準層高，還有4.50、4.39、4.26、4.55、5.82、4.10 m等多個非標準層高，需要對非標準層的爬升流程進行優化，使其滿足層高變化的需求。

根據武漢恒隆廣場核心筒平面結構形式、墻體收分、層高、體型變化等特點及建造要求，選擇鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架用于該塔樓核心筒施工。

2 整體鋼平臺裝備設計

2.1 鋼平臺系統設計

鋼平臺系統由鋼平臺框架、蓋板、格柵板和安全圍擋等構件組成。本工程采用的鋼平臺系統平面面積約為947 m2，主梁及次梁均由H型鋼組成，位于同一水平面；格柵板設置在墻體上方，長度按照墻體厚度確定；在鋼梁上根據施工要求鋪設鋪板，形成操作平臺，鋪板采用花紋鋼板；在鋼平臺四周設置高2 m的圍擋板，形成封閉的操作空間。鋼平臺外邊緣與核心筒剪力墻內壁留有足夠的空間，方便施工人員調整腳手架和安裝拆卸模板。鋼梁平面布置如圖2所示。

圖2 鋼梁平面布置

2.2 吊腳手架系統設計

吊腳手架系統由腳手吊架、樓梯、圍擋板、防墜擋板、走道板、滑移裝置等構件組成，通過螺栓將各構件連接成整體。本工程采用的吊腳手架共6層，其中上3層為鋼筋、模板施工區，下3層為拆模整修區。為滿足不同區域施工需要，腳手吊架設計為外吊架和內吊架，外吊架分為上吊架和下吊架，均為標準化構件。走道板設計為內腳手架走道板和外腳手架走道板，均采用標準化構件。圍擋板、防墜擋板以及樓梯等其他構件均為模塊化設計的標準構件，可根據吊架間距選擇合適規格的構件通過螺栓連接拼裝在吊架上。

在設計外吊腳手架時，對墻體收分的一側采用可滑移形式，對不發生收分的一側采用固定形式。可滑移形式的外腳手架通過滑移鋼梁與鋼平臺系統頂部連接，固定形式的外腳手架以螺栓固定于鋼平臺系統框架梁的底部，整個外吊腳手架隨鋼平臺系統同步爬升（圖3）。

內吊腳手架共6層，頂層高度為2.05 m，其余5層高度為1.90 m。內吊腳手架每個獨立的井道內設置1部或2部上下樓梯。內吊腳手架由安裝在12個筒內獨立的構架組成，設有主框架立柱、附墻頂輪以及防傾裝置。

2.3 模板系統設計

本工程采用的核心筒大模板從6層施工時開始使用。模板系統采用5 mm鋼板作為面板，采用雙拼10#槽鋼作為橫向圍檁，平均間距為800 mm，采用6.3#槽鋼作為豎向圍檁，間距不大于300 mm。

圖3 外吊腳手架平面布置

大模板按標準層層高4 400 mm配置，非標準層施工時上接接高模板。每塊大模板上設置2個鋼板吊耳，采用手動葫蘆掛在鋼平臺框架梁的吊點耳板上，以方便模板提升。對于墻體收分側模板，在角部按收分模數及次數設置相應的標準收分條，從而滿足施工需求。

2.4 工具式鋼柱爬升系統設計

工具式鋼柱爬升系統包括工具式鋼柱、鋼柱底座、上下爬升組件、動力系統等。工具式鋼柱是整體鋼平臺模架爬升時的導軌，采用標準通用部件；鋼柱底座和上下爬升組件等也均采用標準通用部件[4]。動力系統由5臺液壓泵站、26套液壓頂升油缸和1套集中控制系統組成。

核心筒施工時根據結構墻體分布情況，初始設置26根工具式鋼柱，至35層核心筒發生體型變形，調整為25根工具式鋼柱（圖4）。

圖4 工具式鋼柱平面布置

2.5 筒架支撐系統設計

筒架支撐系統由安裝在核心筒內的豎向支撐裝置、水平限位裝置、支撐底梁和筒架支撐單元等組成。

水平限位裝置和豎向支撐裝置采用標準通用部件；支撐底梁長度采用不同長度規格的標準化鋼梁拼裝而成；筒架支撐單元由4根筒架支撐柱和橫向筒架支撐梁拼裝 而成。

3 受力分析

3.1 模型建立與計算假定

為了保證整體鋼平臺模架體系的可靠性和安全性，采用有限元軟件Midas Gen對整體爬升鋼平臺模架結構進行建模和受力分析。

3.2 工況分析

根據施工流程，整體爬升鋼平臺模架結構計算工況可以分為作業工況和爬升工況，其中作業工況可以細分為鋼筋綁扎施工工況、模板提升施工工況和混凝土澆筑施工工況。根據不同工況的特點，確定相應的荷載和邊界條件，確定最不利荷載組合進行受力分析。

3.3 荷載分析

在施工過程中，各計算工況考慮的荷載主要有恒荷載、施工活荷載和風荷載。

3.3.1 恒荷載分析

恒荷載主要包括模架結構自重G1，可依據結構尺寸和材料密度計算；液壓油缸和工具式鋼柱自重G2，一個機位按20 kN取值；電氣操作間及泵站自重G3，每組按9.8 kN取值。

3.3.2 活荷載分析

活荷載主要包括施工活荷載Q1，取1 kN/m2，在內、外吊腳手架連續布置2層，取最不利布置，鋼平臺系統外圍不允許堆載，按1 kN/m2施加活荷載；鋼大模線荷載Q2，作用于模板兩側大梁，單側取值5.3 kN/m，僅出現在模板提升施工工況；鋼筋堆載Q3，按5 kN/m2取值，僅出現在鋼筋綁扎施工工況；核心筒混凝土澆筑活荷載Q4，按 1 kN/m2取值，僅出現在混凝土澆筑施工工況；爬升工況活荷載Q5，爬升狀態活載僅在爬升工況下整體鋼平臺模架頂層和底層施加，取0.5 kN/m2。

3.3.3 風荷載分析

實驗結果如圖6所示。由圖6可知,粉紅噪聲對算法的影響最小,白噪聲影響最大。從趨勢上看,算法隨著信噪比的減小,檢測錯誤率逐步上升。當信噪比達到25 dB或更高時,算法在不同環境下的錯誤率可以保證在20%以內,說明算法對不同噪聲環境的魯棒性良好。

風荷載wk采用將作用在外吊腳手架上的面荷載折算為作用在吊腳手架鋼梁上的線荷載，風荷載取值方法是結合整體鋼平臺模架施工階段的控制風速取值。

出于施工安全考慮，當10 min平均風速大于12.0 m/s時，不應對整體鋼平臺模架進行安裝與拆除操作；當10 min平均風速大于18.0 m/s時，整體鋼平臺模架應禁止爬升；當10 min平均風速大于32.0 m/s時，應撤離模架上的施工人員并停止作業。相應的，出于計算安全考慮，在進行安裝與拆除過程整體鋼平臺模架結構及其臨時支撐體系驗算時，計算風速按14.0 m/s取值，爬升階段的計算風速按20.0 m/s取值，作業階段的計算風速按36.0 m/s取值[5]。

3.3.4 荷載組合效應

作業工況下，整體鋼平臺模架由筒架支撐系統支撐，風荷載按36.0 m/s風速考慮，各個計算工況荷載組合按下列公式計算：

模板提升施工工況：

鋼筋綁扎施工工況：

混凝土澆筑施工工況：

爬升狀態下，整體鋼平臺模架依靠工具式鋼柱支撐，風荷載按20.0 m/s風速考慮，其荷載組合按下列公式計算：

3.4 計算結果

3.4.1 體型轉換前的受力狀態分析

整體鋼平臺模架在體型轉換前，作業工況下構件的應力比云圖如圖5所示，除了整體鋼平臺模架1層角部個別柱子的應力比較大外（為0.74左右），大部分構件的應力比在0.50以內，模架結構強度儲備足夠，穩定性滿足要求。在爬升工況下，構件的應力比云圖如圖6所示，構件的設計應力比皆在0.51以內，說明爬升狀態下結構具有足夠的強度和保持自身穩定的能力。

圖5 作業工況下結構的應力比云圖

圖6 爬升工況下結構的應力比云圖

3.4.2 體型轉換后的受力狀態分析

整體鋼平臺模架體型轉換后，作業工況下構件的應力比云圖如圖7所示，應力比最大值為0.84，位于整體鋼平臺模架1層角部工具式鋼柱處，其余構件的應力比在0.50以內。在爬升工況下，構件的設計應力比云圖如圖8所示，構件的設計應力比皆在0.41以內，說明整體鋼平臺模架在35層發生變形后，依然有較高的穩定性和安全性。

圖7 作業工況下結構的應力比云圖

圖8 爬升工況下結構的應力比云圖

4 高適應性施工技術

針對核心筒在35層發生空中變形的情況，需要在核心筒施工至35層時對整體鋼平臺模架進行空中體型轉換。為保證轉換時部分內吊腳手架順利過渡為外吊腳手架，在設計內吊腳手系統時將W4腹墻外側的內吊手架設計為可滑移的形式?？罩修D換時只需拆除原W11腹墻內側的主框架立柱，便可實現內、外吊腳手架的轉換。具體轉換過程為：

1）拆除6#—8#機位處液壓油缸的設備管線，隨后拆除6#—8#液壓油缸和工具式鋼柱。

2）拆除整體鋼平臺模架頂部的鋼平臺蓋板和格柵板，然后將外吊腳手架和其上部鋼平臺框架梁整體吊離。在未拆除部分形成的臨邊處補缺安全圍擋板。

3）進行內筒部分的拆除，對內筒鋼平臺框架梁、內吊腳手架和底部鋼平臺框架梁進行整體拆除。在整體鋼平臺模架頂部臨邊和跨墻體空缺處補缺安全圍擋板。

4）整體鋼平臺模架爬升一個標準層，對外吊腳手架4—6層跨墻空缺處進行走道板和側網補缺，隨后完成35層墻體施工。

5）整體鋼平臺模架爬升一個標準層，對外吊腳手架2層、3層跨墻空缺處進行走道板和側網補缺，隨后完成36層墻體施工。

6）整體鋼平臺模架爬升一個標準層，對外吊腳手架1層跨墻空缺處進行走道板和側網補缺，滑移35層外吊腳手架，對其1—6層走道板和側網進行調整補缺，至此，整體鋼平臺模架空中轉換完成。

5 結語

本文對鋼柱與筒架交替支撐式整體鋼平臺模架在武漢恒隆廣場塔樓施工中的應用技術進行研究，主要得出如下結論：

1）該模架體系采用工具式鋼柱和筒架支撐系統交替支撐的方法，能夠有效降低施工成本；模架中大部分構件均為標準化構件，可以重復利用，進一步提高了經濟效益，滿足超高層建筑綠色化、工業化的發展需求。

2）整體鋼平臺模架提供的作業環境安全、可靠，能夠通過自爬升提高施工效率，且施工操作方便，承載能力大，能夠滿足超高層施工的各種復雜要求。

3）整體鋼平臺模架通過模塊組裝的方式，能夠實現適應超高層建筑結構體型變化的空中變形要求，因而具有較強的工程適應性。

[1] 龔劍,佘遜克,黃玉林.鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺模 架技術[J].建筑施工,2014,36(1):47-50.

[2] 扶新立,李陽,梁穎元,等.鋼柱筒架交替支撐式整體爬升鋼平臺模 架裝備技術研究及應用[J].建筑施工,2014,36(4):390-394.

[3] 夏巨偉,黃玉林.鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺模架體 系爬升系統的穩定分析與設計[J].建筑施工,2017,39(10):1533- 1535.

[4] 秦鵬飛,王小安,穆蔭楠,等.鋼梁與筒架交替支撐式整體爬升鋼平 臺模架的模塊化設計及應用[J].建筑施工,2018,40(6):919-921.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.整體爬升鋼平臺模架技術標 準:JGJ 459—2019[S].北京:中國建筑工業出版社,2019.