超高層建筑施工裝備部署研究

朱利君

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

1 工程概況

南京金鷹世界項目位于南京河西地區(qū)，場地位于應天大街、所街路、江東中路和云錦路合圍地內(nèi)。地塊總用地面積56 071.2 m2，建設(shè)用地面積50 071.2 m2，總建筑面積919 211 m2。本工程為集商業(yè)、酒店、辦公、娛樂等功能于一體的大型綜合體，包含地下室、裙房及塔樓3個區(qū)域，其中地下室4層（局部5層）、裙房10層、T1塔樓76層（368.05 m）、T2塔樓68層（328.05 m）、T3塔樓60層（300.05 m）。

本工程3棟塔樓為鋼框架＋核心筒＋連接體桁架體系，外形均呈矩形。塔樓核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由低區(qū)內(nèi)設(shè)剪力鋼板＋勁性柱，過渡至中區(qū)內(nèi)設(shè)勁性柱，最后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邊^(qū)全混凝土結(jié)構(gòu)。其中，T1塔樓內(nèi)剪力鋼板分布范圍為底板至22層，T2、T3塔樓內(nèi)剪力鋼板分布范圍為底板至7層。

塔樓區(qū)域共布置4道桁架層，其中位于43層處為伸臂桁架，由核心筒剪力墻伸出跨越外框，延伸并對接空中連廊形成整體。

2 塔樓施工關(guān)鍵點

超高層塔樓的施工效率直接關(guān)系到整個項目進度的推進，隨著塔樓施工高度的增加，其施工矛盾也愈發(fā)突出，具體表現(xiàn)如下[1-2]：

1）材料運輸問題：塔樓施工操作層與材料加工堆放間的高差導致材料的運輸效率隨著工程推進逐漸降低，傳統(tǒng)落地式塔吊因基礎(chǔ)承載等固有缺陷，已無法適應超高層塔樓的高效化施工要求。

2）施工平臺問題：首先，隨著建造高度的增加，高處墜落成為安全風險管控的首要問題；其次，操作面的材料臨時堆載能力制約著塔樓的施工效率，因此具備臨時堆載能力的封閉模架平臺體系成為超高層建造的必備條件。

3）施工人員通道：傳統(tǒng)高層施工條件下的施工人員通道存在一定的弊端。首先，考慮安全、效率及后續(xù)補缺等因素，人員提升機械布置困難；其次，人員提升機械無法直接到達施工操作層。

4）混凝土澆筑手段：超高層混凝土施工對泵車泵送能力、泵管排布方式、不同高度澆搗通道等提出了更高的要求。

3 施工裝備部署研究

3.1 塔吊部署

在超高層施工中，受基礎(chǔ)承載能力的限制，塔機更傾向于附墻自爬升式；從轉(zhuǎn)體自由度、吊運速度和能源適配角度考慮，動臂式塔機較平頭式塔機具有更大的優(yōu)勢。因此，塔樓施工時一般選用附墻自爬升式動臂塔吊來解決施工材料的垂直運輸問題。

超高層塔樓一般設(shè)計為混凝土核心筒剪力墻加外鋼框構(gòu)造，在施工建造中需采用核心筒領(lǐng)先外框施工的策略，以消除剪力墻與外框鋼梁差異性沉降造成的附加應力。同時，利用領(lǐng)先外框的核心筒剪力墻附著塔機，將塔機布置于塔樓中央?yún)^(qū)域，大幅增加塔吊有效吊裝的覆蓋范圍[3-4]。

塔吊的附墻方式一般有外掛和內(nèi)附2種。外掛基本采用三角架形式的爬升框，其對核心筒剪力墻剛度要求較高，但塔臂覆蓋范圍更廣，材料運輸更為自由、高效，并且留足距離便于多臺塔吊布置；內(nèi)附一般在核心筒內(nèi)布置井字梁爬升框，其對核心筒內(nèi)的空間要求較高，且不利于多臺塔吊布置，但是對于較弱剛度的核心筒布置塔吊有較大的優(yōu)勢。

南京金鷹世界項目的核心筒剪力墻使用型鋼混凝土，且最小厚度400 mm，剛度較大，為兼顧外框及空中連廊區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)吊裝，每棟塔樓均使用2臺外掛式塔吊呈斜對角布置，如圖1所示。

圖1 塔吊平面布置示意

3.2 施工平臺部署

金鷹世界塔樓外框豎向構(gòu)件采用了SRC勁性混凝土立柱，水平構(gòu)件采用了常見的型鋼鋼梁及桁架樓承板形式，該形式存在大量的混凝土現(xiàn)澆區(qū)域，因此外框同樣需布置施工操作平臺。塔樓施工采用核心筒領(lǐng)先外框的施工流程，從便于施工和安全操作的角度考慮，需要配備2套施工平臺爬升體系分別用于核心筒和外框施工。

3.2.1 核心筒施工部署

針對核心筒豎向剪力墻施工，其施工平臺傾向于整合模架的集成式提升裝備，現(xiàn)階段以整體提升式鋼平臺模架體系和液壓爬模為代表。液壓爬模是針對豎向剪力墻施工的外掛模板系統(tǒng)，無堆載條件，僅提供狹小的施工操作平臺，但是操作自由度高、適應能力強；整體提升式鋼平臺通過形成一個梁柱系的框架體，在框架體內(nèi)部布置模板與腳手架平臺，且頂部還具備較好的堆載條件，但是該體系整體性強、適應能力低。

通常制約超高層塔樓核心筒施工進程的是材料物資的垂直運輸能力，在塔吊吊能有限的條件下，位于施工面的臨時堆載能力對工程進度起關(guān)鍵性作用。從該角度出發(fā)，金鷹世界項目選擇了整體提升式鋼平臺模架體系作為核心筒施工平臺。

現(xiàn)階段該鋼平臺體系分兩類（圖2）。一類為筒架交替支撐式鋼平臺，即采用上下堆疊的2套筒體交替支撐受力，并且利用位于筒體間的液壓油缸（一般位于平臺最底部）實現(xiàn)平臺的頂升，此平臺可以簡單地理解為“雙腿爬樓梯”；另一類為鋼柱筒架交替支撐式整體鋼平臺，利用架設(shè)于剪力墻頂面的鋼柱通過置于頂部的液壓油缸拉動底部的筒體實現(xiàn)提升，待就位后利用筒架底部的支撐牛腿實現(xiàn)鋼平臺承重，可形象地理解為“爬竹竿”。

圖2 兩類鋼平臺體系

施工建造平臺需根據(jù)具體項目的實際環(huán)境進行選取，金鷹世界項目塔樓核心筒擁有剪力鋼板、伸臂鋼桁架等典型特征，可分別采取如下對策：核心筒墻體剪力鋼板的施工，一般通過使用筒架交替支撐式鋼平臺模架體系，在2個筒體的交替支撐與爬升中留出剪力鋼板施工空間，同時將頂部鋼梁設(shè)計為可拆卸式，并留出承載余量，從而給剪力鋼板留出下料空間；對于剪力墻角部的外伸鋼桁架，一般把鋼平臺外腳手架懸挑梁設(shè)計為快拆快恢復式，桁架層施工時，在拆除鋼桁架區(qū)域外挑鋼梁后進行頂升，待就位后恢復，實現(xiàn)鋼桁架的跨越。

金鷹世界項目T1塔樓剪力鋼板伸至22層，T2和T3剪力鋼板僅到7層，且筒架交替支撐式鋼平臺造價為普通鋼柱筒架交替支撐式整體鋼平臺的數(shù)倍。為降低造價，T1塔樓選用筒架交替支撐式鋼平臺，T2和T3塔樓使用傳統(tǒng)模板排架施工，超過剪力鋼板層后，再安裝鋼柱筒架交替支撐式整體鋼平臺。

3.2.2 外框施工部署

對于外框及水平結(jié)構(gòu)施工，一般選用傳統(tǒng)的整體提升式腳手架構(gòu)建施工平臺即可滿足施工需求。由于金鷹世界塔樓一立面為1.85°的斜面，空中連廊區(qū)域?qū)痈咻^大且有牛腿伸出，因此在實際施工中面臨以下難題：外立面斜面的爬升、大層高爬升、牛腿避讓。

1）外爬架小角度（一般在3°以內(nèi)）斜爬一般直接通過更改軌道或者優(yōu)化導輪槽來實現(xiàn)，由于金鷹世界塔樓采用了鋼管導輪槽式外爬架，因此采用了改進的雙向?qū)л啿凼娇箖A裝置（圖3）來實現(xiàn)斜面的爬升。

2）針對大層高（金鷹世界項目層高8 m），為滿足規(guī)范中懸臂段不得超過6 m的要求，在大層高中間高度區(qū)域使用三角斜撐設(shè)置中間過渡提升鋼梁（圖4），同時兼作抗傾拉結(jié)點。

圖3 雙向?qū)л啿凼娇箖A裝置

圖4 整體提升腳手架大層高爬升措施

3）由于外爬架是以單個提升動力（機位）為基礎(chǔ)的單元模塊，因此在前期爬架策劃階段，將提升機位和立桿避開牛腿。在實際提升中，將單次提升行程中外爬架橫桿與牛腿沖突區(qū)域拆除，并在頂部與底部利用斜桿做加強處理，待提升后恢復橫桿，按此多次實施直至越過牛腿。

3.3 人貨梯布置

在塔樓核心筒施工階段，人貨梯僅停靠地面及施工操作層，為提高人員運輸效率一般會選擇高速人貨梯；但在外框施工時，人貨梯兼用于二結(jié)構(gòu)及機電施工，此時停靠樓層增多，高速人貨梯發(fā)揮不了絕對的優(yōu)勢，且增加額外的安全管理風險和經(jīng)濟投入，因此，傾向于選擇中速或低速人貨梯。

對于內(nèi)筒人貨梯，其定位考慮因素如下：盡量選用結(jié)構(gòu)中的非消防電梯井道作為人貨梯位置，避免后期消防梯提前安裝造成影響；控制因與人貨梯沖突而導致結(jié)構(gòu)板后做的數(shù)量及面積。

對于外框人貨梯，其定位考慮因素如下：避開結(jié)構(gòu)斜立面，從而可以使用固定長度翻板，避免搭設(shè)過橋平臺；避開裙房、連廊區(qū)域以及結(jié)構(gòu)柱；為便于后期幕墻施工，人貨梯布置時應緊湊；盡量靠近通道，如場布中的道路，避免拉長安全通道距離。

基于以上幾點，金鷹世界項目的人貨梯布置如圖5所示。

圖5 塔樓人貨梯布置平面

在塔樓施工中，人貨梯部署與主體結(jié)構(gòu)和施工平臺關(guān)系密切，因此，人貨梯需要額外考慮到達施工平臺層的附墻問題以及后期人貨梯區(qū)域樓層板的補缺施工[5-7]。

1）人貨梯到達施工平臺層后，解決附墻問題的核心為設(shè)計動靜過渡載體用于人貨梯標準節(jié)與施工平臺的連接，因此，人貨梯活動附墻架（圖6）得到應用。該附墻架在電機的驅(qū)動下可沿著導軌上下移動，也可在離合器松開的條件下自由上下滾動，從而解決了鋼平臺爬升工況下的附墻問題。

圖6 人貨梯活動附墻架

2）人貨梯一般占用面積較大，達到了4 500 mm×5 500 mm范圍，電梯井滿足不了該空間，必須占用電梯井外的平臺板，因此后期電梯拆除后需進行補板施工。而超高層建筑的樓層面較多，導致補板周期較長。針對該問題，通過設(shè)置多個平臺層實現(xiàn)硬隔離后同步施工，成倍提高施工效率，避免因補板造成的工期滯后。

3.4 混凝土泵送及澆搗

塔樓核心筒先于外框結(jié)構(gòu)施工，導致混凝土澆筑面臨以下問題：混凝土泵送高度高，對混凝土泵車的泵送能力要求較高；泵管布置時需要考慮核心筒和外框的不同高度分階段施工；混凝土反沖壓力大，安全隱患高。

根據(jù)規(guī)范，混凝土泵送阻力可粗略按照水平每米損失0.001 5 MPa估算，垂直管道按照4倍的水平管計算，因此，對于高度368 m的混凝土泵送加上空泵壓力損失，需選擇泵送能力在27 MPa以上的混凝土固定泵。為降低成本，可根據(jù)以上計算方式粗略估算分階段的泵車要求。對于金鷹世界項目，混凝土泵車最大選用了中聯(lián)重科ZLJ5180THBE和三一重工HBT90CH-2135D。

塔樓核心筒單框混凝土約為150 m3，按需求僅布置一路泵管即可。為防止堵泵，增加安全冗余度，采用了雙排泵管布置。同時，樓層施工高度較高，故選擇回環(huán)式水平泵管布置，極大地降低了混凝土反沖壓力。此外，為兼顧不同施工階段不同高度的泵送需求，泵管布置時采用快拆方式：豎向泵管每層設(shè)置一段快拆短管，在澆筑該樓層時，使用液壓千斤頂將該短管拆除，接駁1根普通水平輸送管后，將混凝土泵送至此高度，實現(xiàn)外框樓面混凝土澆筑，如圖7所示。

圖7 塔樓快拆泵管布置原理

4 結(jié)語

本文基于南京金鷹世界項目的超高層塔樓施工，總結(jié)了現(xiàn)階段超高層塔樓建造中塔吊、施工平臺、人貨梯及混凝土泵送設(shè)施的基本部署，主要內(nèi)容如下：

1）利用核心筒與外框的施工順序差在剪力墻上布置附墻式動臂塔吊，并根據(jù)剪力墻的剛度情況合理選擇外掛或內(nèi)附式塔吊。

2）對于核心筒施工，在塔吊吊能緊張的條件下優(yōu)先選擇具有臨時堆載能力的整體提升鋼平臺模架體系，該施工平臺體系雖然在整體剛度、施工環(huán)境上占據(jù)絕對優(yōu)勢，但其應用自由度較其他平臺體系差，因此需重點考慮該平臺在核心筒外伸構(gòu)件施工中的措施；對于外框施工，采用傳統(tǒng)自提升腳手架平臺體系已經(jīng)滿足施工需求，但對于大層高和傾斜式外立面需在部署中重點考慮。

3）核心筒人貨梯在布置時需最大化利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)電梯井道，盡量降低占用樓層板的面積，減少后期補板工程量；為提高勞動力效率，可結(jié)合施工平臺使用活動式附墻架。

4）高層混凝土泵車壓力按照每米高度0.006 MPa選用，混凝土泵送設(shè)施需考慮多階段多樓層的澆搗需求。樓層快拆式泵管排布方式在超高層建筑中應用較多。此外，可布置回環(huán)式水平泵管及樓層間的緩沖角以減小混凝土的反沖效果。