一種新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系*

曹萬林，楊兆源，魏海豐，張廣亮，章俊華，殷 飛

(1.北京工業大學城市建設學部，北京 100124； 2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

隨著我國城鎮化進程不斷推進，以工業化為依托實現住宅建筑產業化發展已成為必然趨勢。裝配式綠色節能住宅建筑的研發與推廣已經成為國家建設的重大需求[1]。自2017年起，我國出臺了一系列措施推動裝配式綠色節能住宅的發展與應用[2]。

裝配式剪力墻結構在多層及中高層住宅工程應用中逐漸普及[3]。為保證施工質量，構件起吊組裝、設備安裝以及外部裝飾等環節，都不可避免的需要施工人員進行室外高空作業[4]。多層及中高層住宅建筑外立面施工難度大，危險性較高。施工過程中通常要搭建腳手架或懸挑施工防護平臺等，以滿足施工和安全防護需求[5]。

目前國內外應用較多的施工作業外防護體系主要包括腳手架體系[6-8]、導軌式爬架施工平臺[9-10]、附著式升降平臺[11]以及整體液壓平臺體系[12]等，部分施工平臺如圖1所示。考慮工程造價因素，住宅建筑中多采用腳手架體系、裝配化附著式升降平臺或導軌式爬架平臺作為施工防護結構。

圖1 施工作業平臺

傳統腳手架體系弊端在于：進場及施工過程中占用場地面積大，造成資源浪費；裝配效率低，施工成本較高；結構可靠性較低，安全事故多發。裝配附著式升降平臺雖能解決人力及資源問題，但仍存在與傳統腳手架體系相同的弊端。導軌式爬架施工平臺連接節點相對復雜、施工難度高，容易造成資源浪費且應用于民用住宅施工造價也相對高。

為解決上述問題，部分學者提出了懸挑腳手架支撐結構[13]。楊芳等[14]依托高層住宅工程，對雙排分段式懸挑腳手架體系進行了研究，以此為基礎采用懸挑平臺搭設方式，達到了縮短工期、提高施工質量的效果。李錦通等[15]從工程實踐出發，分析了懸挑外腳手架體系存在的裝配工期長、施工過程控制難等問題，開發了懸挑腳手架體系逆向拆除方案，達到了縮短工期、節約成本的目的。馬波[16]對高層建筑施工用懸挑結構進行了設計分析，發現傳統懸挑施工平臺體系在工程應用中存在懸挑梁變形過大的問題，導致懸挑結構施工時模板變形難以控制，進而影響施工質量，為此設計了型鋼施工平臺，施工平臺變形量得到有效控制。周鴻博等[17]開發了應用于高層懸挑結構施工平臺體系，該平臺結構傳力路徑明確，在工程實踐中獲得了顯著的經濟效益。羅曉玲等[18]對超高層懸挑施工平臺腳手架搭設以及模板支撐技術進行了計算分析，為懸挑結構的高空支模施工提供了參考。

懸挑腳手架多為型鋼支撐結構形式，主要有下撐式、斜拉式和懸挑梁式，如圖2所示。目前常用的下撐式懸挑腳手架支撐結構中三角架桿件通常采用角鋼或工字鋼，此種構件截面弱軸方向抗彎能力弱，構件易發生穩定性破壞；同時三角架與附著墻體僅通過單個螺栓連接，易導致結構平面外轉動，穩定性較差；且上部腳手架施工平臺與下部懸挑支撐桁架連接節點安全性差，抗彎剛度較低。而斜拉式和懸挑梁式支撐結構則需要穿過墻體與結構梁或樓板固定，不適用于裝配式剪力墻結構。

圖2 懸挑腳手架支撐結構

為此，從工程系統的角度，提出了一種新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系，該施工平臺體系由輕鋼模架支撐系統、輕鋼模架與剪力墻連接系統以及模架施工平臺防護系統裝配而成。研究表明：所提出的施工平臺體系結構設計合理，傳力體系明確，安全圍護結構牢固可靠；具有施工便捷、受力合理以及可循環利用等優勢，特別適用于裝配式剪力墻結構的建造、設備安裝以及外墻裝飾等工程。

1 懸挑輕鋼模架施工平臺體系設計

懸挑輕鋼模架施工平臺體系如圖3所示。①輕鋼模架支撐系統 該新型施工平臺體系下部的三角輕鋼桁架結構(簡稱“三角架”)為輕鋼模架支撐系統，采用100×100×4方鋼管焊接而成，鋼管采用Q345級鋼材。三角架沿墻面外伸1 200mm，可允許施工人員雙向并排通過。②輕鋼模架與剪力墻連接系統 每個三角架結構采用高強螺栓附墻節點通過2根M24高強螺栓與墻體相連，形成節點連接系統。螺栓穿過鋼管螺栓孔與墻體預留孔通過螺母緊固，從而將三角架與墻體固定；為避免螺栓緊固過程中造成鋼管屈曲，需在鋼管開孔部位焊接螺栓套筒。③模架施工平臺防護系統 腳手架框架以及施工模板為安全圍護系統；為方便上部腳手架框架與下部三角架連接，在三角架上預焊套筒，而后通過螺栓連接方式將內外側豎向腳手架鋼管與下部三角架固定，豎向腳手架鋼管間距按規范規定進行設置。④預制混凝土剪力墻上預留的螺栓孔后期處理方式 墻體外頁部分可采用特制膠塞配合注漿填充型防水材料進行封堵，墻體內頁使用微膨脹抗滲性混凝土，可規避預留孔洞滲漏以及冷橋風險；開洞部位可被外裝飾線條掩蓋，保證后期觀感效果。懸挑輕鋼模架施工平臺體系布置如圖4所示。

圖3 懸挑輕鋼模架施工平臺體系設計方案

圖4 懸挑輕鋼模架施工平臺體系布置

2 輕鋼模架支撐系統

輕鋼模架支撐系統主要由三角架構成。三角架采用100×100×4方鋼管焊接制成，三角架豎桿高1 500mm，上部高出橫桿頂面150mm，下部在斜桿底邊伸出150mm，三角架橫桿長1 400mm，斜桿長1 690mm。若三角架斜桿長細比過大或桿端彎矩與壓力過大，極易造成三角架斜桿失穩。因此提出局部采用鋼管混凝土構造加強措施，即在三角架斜桿中段澆筑局部混凝土，桿件兩端約300mm范圍內鋼管保持中空。采用局部鋼管混凝土加強后，在不增加用鋼量及結構自重的前提下，三角架斜桿的穩定性得到顯著增強，同時三角架斜桿的防火及耐腐蝕性能得到提高。三角架剖面如圖5所示。

3 模架施工平臺防護系統

由圖4可知，該新型施工平臺的防護系統與傳統施工平臺圍擋不同，設計中將內側腳手架豎桿、外側腳手架豎桿以及內外側腳手架豎桿連接系桿使用腳手架扣件進行連接，形成“門式剛架”結構，并通過腳手架套筒連接節點與三角架進行連接，其平面內穩定性得到增強。加之腳手架橫向系桿對同層各腳手架“門式剛架”的連接，其平面外穩定性得到保障。橫向方鋼管上焊接└5×5支撐，框內設支撐鋼筋并滿鋪模板作為施工平臺系統。同時在方鋼管外端部設置200mm高擋腳板，外側刷黃黑相間油漆。內側及外側腳手架豎桿通過套筒連接方式與輕鋼三角架連接，腳手架豎桿與輕鋼模架支撐系統連接節點構造如圖6所示。

圖6 腳手架套筒連接節點構造

外側腳手架套筒連接節點構造如下：在三角架橫桿上焊接外徑為50mm的鋼管接頭，其高度為150mm。在外側腳手架豎桿底部開螺栓孔，并在螺栓孔位置焊接螺母；鋼管接頭上開設螺栓可穿過的圓孔，開孔高度及孔徑與外側腳手架豎桿一致。當上部安裝外側腳手架豎桿時，可將豎桿直接套入預先焊接好的鋼管接頭，隨后使用螺栓連接外側腳手架豎桿上焊接的螺母，并穿過接頭鋼管上的圓孔，隨著螺栓擰緊，外側腳手架豎桿與接頭鋼管外壁緊密接觸，如圖6a所示。內側腳手架套筒連接節點與外側節點類似，將內側豎向腳手架插入三角架豎桿上端的豎孔中，通過豎桿上端焊接的螺母將螺栓擰入，螺栓穿過內側腳手架豎桿的圓孔，隨著螺栓的擰緊，內側腳手架豎桿外壁與三角架豎桿內壁緊密接觸，如圖6b所示。該節點連接形式特點是安全可靠、連接便捷、裝配部件標準化。

4 輕鋼模架與剪力墻連接系統

4.1 上部螺栓附墻節點

輕鋼模架與剪力墻連接系統由上部螺栓連接附墻節點、下部螺栓連接附墻節點構成。上部螺栓連接附墻節點構造如圖7所示，螺栓孔布置在三角架橫桿下方100mm處，采用M24 S10.9級高強螺栓。鋼管相應位置焊接內徑26mm的圓鋼管套筒，焊好后將焊接位置打磨平整，保證墊片與鋼管壁以及鋼管壁與墻體緊密連接。螺栓套筒圓鋼管內徑比螺栓桿公稱直徑大2mm，主要考慮施工裝配誤差。通過緊固上部螺栓連接附墻節點，將輕鋼模架與剪力墻可靠連接在一起，有效地傳遞輕鋼模架的荷載。

圖7 上部螺栓附墻節點

4.2 下部螺栓附墻節點

下部螺栓連接附墻節點構造如圖8所示，位于三角架斜桿底邊以下50mm處，采用M24 S10.9級高強螺栓。

圖8 下部螺栓附墻節點

此處與上部螺栓連接節點不同。鋼管相應位置焊接內徑29mm的圓鋼管套筒，焊好后將焊接位置打磨平整，保證墊片與鋼管壁以及鋼管壁與墻體緊密連接。螺栓套筒圓鋼管內徑比螺栓桿公稱直徑大5mm，主要考慮施工裝配誤差以及上下螺栓連接裝配過程中的易調節性。

5 懸挑輕鋼模架施工平臺體系裝配流程

1)工廠預制懸挑輕鋼模架結構三角架及腳手架。三角架與腳手架數量均按照2層墻體施工所需數量預制，以便施工過程中交替輪換作業。

2)預制剪力墻板運達施工現場后將其中一套懸挑輕鋼模架支撐平臺安裝至結構1層剪力墻板上，將帶有懸挑支撐平臺的1層剪力墻板安裝到結構基礎上，1層預制剪力墻板無需使用懸挑支撐平臺，由施工人員在地面進行裝配即可，如圖9a所示。

圖9 施工裝配流程

3)將另外一套懸挑輕鋼模架支撐平臺安裝至住宅結構的2層剪力墻板上，1層裝配式墻板、樓板安裝完成后，將帶有懸挑支撐平臺的2層墻板吊裝至相應位置，施工人員在1層墻體的懸挑支撐平臺上進行2層墻板的裝配施工，如圖9b所示。

4)2層墻板施工完成后，拆除1層墻體上的懸挑支撐平臺，并將其安裝到3層墻板上，將帶有懸挑支撐平臺的3層墻板吊裝到相應位置，施工人員在2層墻板的施工平臺上安裝3層墻板，如圖9c所示。3層施工完成后將2層施工平臺拆除安裝到4層墻板上。

5)按以上步驟類推，每2層墻板為1個施工周期，頂層施工完成后，將施工平臺拆除存放或投入另外工程使用。

6 技術特點

提出并研發的新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系，在傳統下撐式懸挑施工平臺基礎上進行了優化與創新，主要技術特點如下。

1)輕鋼模架支撐系統 結構設計合理，傳力路徑明確。相比傳統下撐式懸挑施工平臺，該懸挑輕鋼模架施工平臺體系，在受力系統截面形式、節點連接構造以及組合結構構件應用等方面實現了創新與發展。該體系采用方鋼管作為受力桿件，相比傳統施工平臺中的工字鋼或角鋼桿件截面強度和穩定性得到提高，由于方形截面無強弱軸之分，所以桿件平面外以及平面內穩定性均能得到保障。對于長細比較大壓彎桿件，創造性地提出了局部鋼管混凝土構造，在不增加用鋼量的基礎上有效提升了構件穩定性、耐久性以及防火性能。

2)模架施工平臺防護系統 采用腳手架框架體系，其抗側剛度較高，可以有效避免防護結構外傾失穩。提出并研發了與輕鋼模架支撐系統連接的腳手架套筒式新型構造節點，采用螺栓緊固的方式，形成兼具銷栓作用和擠壓頂緊作用的獨特連接構造，傳力明確，受力安全，裝配便捷，顯著提升了上部安全防護系統與下部輕鋼模架支撐系統連接的可靠性。

3)輕鋼模架與剪力墻連接系統 同時在三角架豎桿上布置上、下兩個螺栓附墻節點，有效解決了受力系統的平面外轉動問題。針對方鋼管螺栓緊固時可能產生的局部屈曲，采取了鋼套筒加強構造，輕鋼模架與剪力墻連接傳力明確、受力安全、裝配便捷，顯著提升了輕鋼模架支撐系統與剪力墻連接的可靠性。

4)新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系裝配化程度與工業化水平高，材料易得，成本較低；在實際工程中采用流水施工方式，占用施工場地少；該新型施工平臺共制作2層，進行2層交替流水施工作業，具有操作靈活以及施工場地占用率低的優勢。

7 結語

提出的新型裝配式懸挑輕鋼模架施工平臺體系結構設計合理，節點構造簡單可靠，較傳統懸挑支撐腳手架施工平臺，其承載能力與穩定性均有提高。該施工平臺組裝簡便，裝配化、工業化程度高，在保證施工質量的同時可以提高施工速度；該施工平臺結構部件可循環利用、多次周轉，顯著降低用鋼量，節約施工成本，在實際工程中取得了良好的應用效果。