超高建筑施工整體提升式防護屏蔽架技術研究

朱毅敏 翟信哲 徐 磊

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

在超高建筑施工中，施工作業平臺和施工環境是保證施工安全、控制施工風險的重要影響因素。整體腳手架體系就是一種有效的超高建筑施工平臺體系，它可以將高空作業變為低空作業，將懸空作業變為架體內部作業[1]，其中具有屏蔽功能的整體腳手架，可以有效提高超高建筑施工的封閉性和安全性。

目前常用的整體腳手架體系，很多具有封閉性差、整體性不足、無法適應不同結構形狀和建筑高空變形、無法升降或升降施工作業復雜煩瑣等問題。

隨著目前超高建筑結構形式日趨多樣，建筑施工要求和挑戰日益增加，需設計新型整體屏蔽腳手架體系，以滿足不同情況下的工程建設需求，有效解決上述問題[2]。

1 整體提升式防護屏蔽架平臺體系

本文設計了一種新型超高建筑施工整體提升式防護屏蔽架平臺體系，平臺系統設計面向應用，提出了由“平臺系統—子系統—構件”三大結構層級組成的整體提升式防護屏蔽結構體系。結構體系以構件作為平臺系統的基本功能單元和結構單元。各個構件連接組合，形成實現特定功能的子系統。子系統之間通過功能與結構上的連接組成整體提升式防護屏蔽架平臺系統。整體平臺系統采用了模塊化設計，可以根據超高建筑臨邊形狀和尺寸，將一幅或多幅平臺架體進行組裝拼接，從而滿足不同結構形狀和超高結構變形的要求，整體提升式防護屏蔽架平臺體系結構如圖1所示。

平臺系統共集成架體結構系統、屏蔽系統、承重系統、附著防傾系統、提升系統和防墜系統等六大子系統。

1.1 架體結構系統

架體結構系統主要包括水平構件、豎向構件和連接構件3類，起承擔和傳遞屏蔽架荷載的功能。水平構件主要為腳手板、水平腳手架和水平桁架；豎向構件主要為豎向腳手架、豎向梯段和豎向桁架；連接構件則用于串聯相鄰平臺架體結構。架體結構系統是整體提升式防護屏蔽結構體系的骨架。

1.2 屏蔽系統

屏蔽系統包括外屏蔽網、側屏蔽網和低屏蔽板3類主要構件，起屏蔽施工環境的作用，可有效保障施工安全和施工封閉，控制施工墜物、施工噪聲、施工揚塵對環境的影響。

圖1 整體提升式防護屏蔽架平臺體系結構示意

1.3 承重系統

承重系統主要為承重拉結裝置。其作用為將整個平臺體系的主要豎向荷載傳遞到建筑結構上，是平臺體系安全作業的核心和關鍵?？紤]到靠下的施工作業層養護時間長，已基本形成強度，故承重拉結裝置一般位于平臺系統空間位置下部。

1.4 附著防傾系統

附著防傾系統是屏蔽架體與建筑結構之間的水平拉結裝置，傳遞架體結構的水平荷載。水平拉結位置一般在各施工層處，可以有效防止整體平臺傾覆。同時，防傾裝置不可影響平臺架體提升狀態的豎向運動。

1.5 提升系統

提升系統主要由提升動力裝置、同步提升控制裝置、提升吊機、提升吊繩、提升鋼絲繩、提升滑輪組和其他輔助提升構件組成。提升系統可以在建筑完成結構層施工時實現自動協同提升，進入下一個結構層施工周期。

1.6 防墜系統

防墜系統是平臺架體的主要安全保障。當平臺架體遭遇意外荷載或承重系統遭受破壞時，防墜系統可以迅速“接管”結構豎向荷載，防止屏蔽結構體系墜落，降低超高建筑施工重大風險隱患。

防墜系統主要構件包括防墜導軌、防墜棘輪、防墜撥片、防墜擋板和附屬構件，如圖2所示。

平臺架體正常爬升時，導軌帶動防墜棘輪正向轉動，棘輪轉動時撥動防墜撥片向下運動，撥片被撥動后可以復位；平臺架體發生墜落風險時，導軌向下運動，帶動棘輪 反向轉動，此時防墜撥片受到擋板的限位無法向下運動，從而阻止棘輪進一步反向轉動，實現固定導軌和整個平臺架體的目的。

圖2 防墜系統示意

2 整體提升式防護屏蔽架結構設計

基于上述平臺體系方案設計，對整體提升式防護屏蔽架進行結構設計與計算，使其在合理的荷載與作用下可以滿足結構穩定性和安全性的要求。以某工程中用到的整體提升式防護屏蔽架結構為例，進行結構分析與計算，該架體結構由4幅平臺架體單元組成。

2.1 計算工況及荷載分析

根據整體提升式防護屏蔽架平臺體系的施工操作流程，考慮實際工程需求，將計算工況分為施工工況、提升工況及大風停工工況，本研究重點針對這3種施工工況進行結構分析。

整體提升式防護屏蔽架處于工作狀態下，豎向荷載靠底部承重拉結裝置承受，水平荷載通過水平拉結傳遞到結構。提升工況下豎向荷載靠提升鋼絲繩承受，水平荷載通過防傾裝置傳遞到結構。大風停工工況下豎向荷載靠底部承重拉結裝置承受，水平荷載通過水平拉結傳遞到結構。其中，頂部踏步層與結構建立可靠連接，拉結鋼管與永久結構的固定須滿足強度要求，每層均增加抱箍點。

根據相關規范和標準，整體提升式防護屏蔽架平臺體系主要包括3類荷載：恒載、活載以及風荷載[3]。

恒載主要為各子系統構件及固定于架體上的其他設備、裝置的自重?；钶d主要包括施工人員、材料及施工機具的自重，計算中為偏安全考慮，各層荷載按頂層作業計算，施工工況下每層活載為3 kN/m2，提升工況下每層活載0.5 kN/m2，大風停工工況不考慮施工活載。按腳手架操作安全要求，整體提升式防護屏蔽架在高空6級風壓以下可正常作業爬升，按7級風壓進行驗算；大風停工工況按12級臺風風壓進行復核[4]。屏蔽系統采用鋼絲網板作為主要屏蔽構件，其開孔率在70%以上，透風性能良好，擋風系數一般取0.5進行設計計算，為偏安全考慮，本研究取0.8進行結構分析。

荷載效應依據相關規范進行組合。

2.2 防護屏蔽架體結構有限元分析

根據預設計的整體提升式防護屏蔽架體結構和材料，建立有限元模型，如圖3所示。

圖3 有限元模型

整體提升式防護屏蔽架體結構在施工、提升和停工工況下的最大應力比分別為0.71、0.69、0.75。3種工況的最大應力比均出現在水平連系桿件上。架體結構的最大變形分別為11.2、10.8、8.9 mm，均位于腳手架中部最頂端。承重系統或提升系統的最大豎向反力分別為58.3、45.4、39.3 kN；水平附著拉結的最大水平反力分別為18.0、17.4、21.9 kN。以上各項指標均滿足施工要求。

2.3 部分構件單體驗算

架體結構與建筑結構之間連接的拉結鋼梁，需承擔承重系統傳遞的豎向荷載和附著防傾系統傳遞的水平荷載，其受力模式如圖4所示。

圖4 拉結鋼梁受力模式

豎向荷載和水平荷載均取最大值進行計算，得到其支座反力F1最大值為26.1 kN，F2最大值為85.9 kN。鋼梁的最大應力為125 MPa，最大變形為1.037 mm。各數值均滿足使用要求。根據上述主要計算可知，整體提升式防護屏蔽架的結構設計滿足安全性和穩定性指標，滿足不同工況下的施工要求。

3 整體提升式防護屏蔽架施工方法

本文基于整體提升式防護屏蔽架平臺體系設計，針對性地提出適用于超高建筑施工的施工方法，包括組裝拆除階段、施工階段和提升階段等不同狀態下的施工流程，并提出應對不同環境、荷載、工況的施工措施[5]。

3.1 組裝拆除階段

整體提升式防護屏蔽架組裝階段遵循的原則是：先拉結后組裝、先下部后上方。在組裝前應先在對應各結構層安裝好拉結鋼梁，之后方可進行架體吊裝。吊裝架體從下至上進行，吊裝好第1節架體后，應先完成承重系統的連接，保證豎向荷載有效傳遞。依次吊裝上部架體時，應隨時做好與拉結鋼梁的水平連接并及時形成防墜系統。

拆除階段主要為組裝的逆過程，但考慮拆除作業一般為超高空作業，應予以高度重視。拆除的總原則為：先裝后拆、后裝先拆、自上而下、有序施工。

在組裝和拆除階段，架體內部不得有任何堆載、可移動裝備和施工人員。在特殊環境下不應進行拆除作業。

3.2 施工階段

施工階段可在架體各層進行正常施工作業，原則上整體提升式防護屏蔽架不允許堆載。遇到大風等特殊工況，應將所有拉結位置全部連接并予以加固。特殊工況應停止施工，并固定架體上的各可移動設施。

3.3 提升階段

當第2、3、4施工層養護至預定結構強度，欲進行第5施工層施工時，可以進行提升作業。

在提升階段，應先完成提升系統的連接。首先，將提升鋼絲繩連接至提升吊繩上，并從下部繞過提升滑輪組后，連接至第3施工層的拉結鋼梁上。

確認防墜系統安全穩定且可正常運作后，松開連接在第2施工層拉結鋼梁上的承重系統構件，斷開第1施工層的連接。在同步提升控制裝置的控制下，由提升吊機回收提升吊繩，帶動防護屏蔽架體向上運動。向上提升1層之后重新連接承重系統構件，松開提升鋼絲繩，完成提升作業。

4 結語

本文通過模塊化的“平臺系統—子系統—構件”三大結構層級設計、結構計算和數值模擬，設計出超高建筑施工整體提升式防護屏蔽架平臺體系，并提出了使用本平臺體系進行超高施工的方法，有效保證了超高建筑施工臨邊防護的整體性、封閉性、靈活性、經濟性和安全性。