工具式外掛操作防護架的設計與應用

龔偉東

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

在超高層建筑的施工過程中，防護架是保證高處作業安全、順利的重要設備。由于不同工程外立面不同，樓層邊線不斷變化，傳統落地腳手架體系經常無法滿足施工需求。因此，針對不同項目，需獨立設計工具單元式外掛操作防護架，結合項目自身特點進行深化和研究。本文以蘇州吳江太湖新城核心區B1地塊超高層項目為背景，進行工具單元式外掛操作防護架施工技術的研究，并對其設計及相關施工工藝進行總結。

1 工程概況

蘇州吳江太湖新城核心區B1地塊超高層項目（圖1），東鄰水秀街、南接吳韻路、西眺太湖蘇州灣、北靠高新路。項目用地面積3.6萬 m2，總建筑面積32萬 m2，包括一棟358 m高的綜合體塔樓和4層商業裙房，地下室共3層，擁有辦公、酒店、酒店式公寓、商業等多種業態。塔樓地上78層，為帶伸臂桁架＋框架＋核心筒結構。其中，30層以下為傳統混凝土框架＋核心筒結構，30層以上為鋼框梁＋核心筒結構，30層以下標準層層高4.4 m，30層以上標準層層高3.9 m（圖2）。

圖1 項目效果圖

圖2 核心筒三維效果圖

塔樓外結構邊線呈空間弧線形，豎向各個樓層邊線不斷變化。其中，南北向外邊線先不斷外擴，后向內收縮；東西向外邊線則不斷向內收縮，至34層結構后保持不變。塔樓外圍共計22根勁性圓柱，其中南北向共14根（對稱7根布置）勁性柱沿豎向先不斷外傾后不斷內縮，始終呈傾斜角度向上；東西方向共計8根（對稱4根布置）勁性柱不斷內收后，至34層結構后開始保持垂直向上。

塔樓34～76層核心筒外圍東、西向結構邊線呈垂直向上，4根勁性柱邊距離結構邊線最小處僅185 mm，隨結構高度變化，勁性柱截面不斷收縮、結構輪廓邊線保持不變，柱邊距離結構邊線最大處僅為285 mm。為滿足勁性柱結構施工所需操作空間和安全圍擋要求，故采用工具式外掛操作防護架進行勁性圓柱結構施工。外掛防護架平面長度為3 920 mm、寬度為1 300 mm，高度為15 200 mm，整體呈“凹”形，通過防護架頂部的4根掛臂梁固定在樓層鋼梁上方，主架體垂直下掛至施工作業層，標準層層高3.9 m，外掛架下掛高度范圍覆蓋3個樓層。

外框結構每施工完成一層，水平、豎向混凝土結構養護期間，利用現場2臺塔吊對其進行提升作業，最大提升高度170 m，提升就位并固定牢固后，將模板、抱箍、鋼管排架等利用外掛防護架與結構邊線之間空隙進行材料上下垂直傳遞運輸，如此往復，進行結構施工（圖3）。

圖3 外掛操作防護架

2 工具式外掛操作防護架的設計

工具式外掛操作防護架主要由主架體、掛臂梁、上部操作平臺、夾具、底部橫撐等部件組成，外掛架的結構設計如圖4所示。所有構件及操作平臺均在專業工廠組裝完成。

圖4 工具式外掛操作防護架設計

2.1 主架體

主架體上部連接掛臂梁與操作平臺，通過可調行程夾具固定在樓層鋼梁上，為核心構件。主架體共7層，長3.92 m，寬0.8 m，每層層高1.8 m，內含過道板、豎向承重構件、圍擋和簡易樓梯。

工具式外掛操作防護架除底層操作平臺外，標準層操作平臺長3.92 m，寬兩端頭1.3 m，中間0.8 m，呈“凹”形，操作平臺主框采用8#槽鋼，次框采用40 mm× 4 mm角鋼，上面鋪設厚3 mm鋼板網，每層預留一個743 mm×450 mm樓梯口（圖5）。

圖5 主體架平面示意

2.2 掛臂梁

掛臂梁為工具式外掛操作防護架主要受力構件之一，它傳遞整個防護架對結構產生的內力。采用設置4根H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm掛臂梁，每根掛臂梁長3.5 m，滿足勁性柱結構施工所需的操作空間及安全圍護要求。掛臂梁與主架體連接形成整體，一端固定在樓層鋼梁上（圖6）。

圖6 掛臂梁布置示意

2.3 上部操作平臺

上部操作平臺為工具式外掛操作防護架進行吊裝、固定的主要操作面，對操作人員起到安全圍護的作用，由操作平臺和封閉圍擋組成。

2.4 可調夾具

夾具為外掛操作防護架與主體結構鋼梁連接的構件，夾具采用定型化設計，工廠內預制加工完成。利用雙拼夾具將掛臂梁固定在樓層鋼梁上翼緣，采用4根M24螺栓夾緊。夾具根據樓層鋼梁布置的情況，分為普通夾具（圖7）和加節夾具（圖8）。普通夾具主要用于掛臂梁所固定在單根鋼梁位置，加節夾具主要用于掛臂梁處于雙梁連接位置。考慮結構施工所需操作空間和安全圍擋需要，外掛式防護架可根據現場實際工況，利用可調行程夾具在掛臂梁上來回水平移動，最終固定，起到控制架體與樓層邊線的位置關系的作用。為防止夾具滑脫，在掛臂梁上方兩端設置限位角鋼，起到保險作用。

圖7 普通夾具

圖8 加節夾具

2.5 輔助構件

吊耳：本操作平臺吊耳設置于懸臂梁上。

安全繩網：本操作平臺使用密目安全網，設置在樓層邊線距離架體空間較大的底層、操作層；必要時在操作層和結構樓面之間鋪設鋼管＋木板作為硬隔離。

安全繩掛點：在操作面鄰邊頂部設置若干掛點。

3 工具式外掛操作防護架結構計算分析

外掛式腳手架受到水平風荷載與豎向人、機、材荷載作用，通過有限元軟件建立模型，模擬不同的工況，對外掛操作防護架的核心部位與薄弱部位進行驗算，并分析整體結構的強度、剛度與穩定性。

3.1 整體穩定性計算

防護架鋼材型號為Q235，掛架主要構件截面數據見表1。

表1 掛架主要構件截面數據

根據GB51210—2016《建筑施工腳手架安全技術統一標準》選擇模擬的荷載。外掛架承受機械設備帶來的豎向恒荷載，主要考慮立桿及腳手板自重，取gk＝0.1 kN/m2。計算施工荷載時，考慮頂部2層掛架承受施工荷載，取qk＝2 kN/m2。在水平方向上，外掛架主要承受風荷載，考慮地面10級風，基本風壓w0＝0.5 kN/m2，透風系數取0.5，標準風壓wk＝0.25 kN/m2，根據掛架立桿從屬面積換算為線荷載，分別取0.1、0.3 kN/m。對以上荷載進行荷載組合，驗算水平向桿件承載力及變形采用1.2×恒載＋1.4×施工荷載，驗算立桿、型鋼懸挑梁承載力、穩定及變形采用1.2×恒載＋1.4×0.9×（施工荷載＋風荷載）。

荷載選取完成后建立有限元模型。掛架立桿及水平支撐桿件、型鋼懸挑梁采用梁單元，腳手板采用板單元，吊籃部分采用鉸接約束，掛架底部采用滑輪約束y向位移。

經計算，掛架鋼構件最大應力值為200 MPa＜210 MPa，掛架型鋼懸挑梁最大位移值7.7 mm，滿足設計要求。由上述計算結果可知，當掛架上端與結構梁可靠連接，下端采用滑輪抵在墻或樓板上時，在地面10級風荷載及施工荷載作用下，掛架鋼構件的強度滿足要求，且型鋼懸挑梁的變形較小，適合使用。

3.2 外圍結構鋼梁驗算

掛臂梁作為主要受力構件，應對其強度進行驗算。取掛架自重為45 kN，施工活載為2 kN/m2，采用荷載標準組合，考慮結構重要性系數為0.9。結構梁GL-1：HN450 mm×200 mm×9 mm×14 mm為懸挑梁，長度為700 mm，材料為Q345B（圖9）。經計算，結構梁最大應力為360 MPa，小于其材料極限抗拉強度fu＝470 MPa，結構梁滿足強度要求。

圖9 結構鋼梁計算

3.3 吊耳驗算

吊耳分布如圖10所示。

圖10 吊耳分布示意

掛架自重為45 kN，塔式起重機吊裝取動力系數為1.3，4個吊耳分別承重19.7 kN。

根據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》對吊耳強度進行驗算。

耳板65#截面為PL16 mm×144.6 mm，鋼材牌號為Q345B，耳板承受的正截面應力為13.04 MPa＜310 MPa。耳板強度滿足要求。

連接板64#截面為PL10 mm×60 mm，鋼梁截面尺寸為HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，鋼材牌號均為Q345B。連接板與鋼梁焊縫尺寸hf＝8 mm，因此焊縫尺寸滿足規范要求。正面角焊縫應力為8.4 MPa＜200 MPa。焊縫強度滿足要求。

4 外掛操作防護架的應用

4.1 外掛操作防護架的施工部署

4.1.1 平面布置

項目塔樓30層以上為鋼框梁＋核心筒結構，結構外圍共有22根勁性圓柱。南、北方向的18根勁性圓柱采用附著式升降腳手架施工；東、西方向4根勁性圓柱由于結構輪廓變化較大，無法采用附著式升降腳手架施工，故采用工具式外掛操作防護架進行施工。工具式外掛操作防護架在標準層覆蓋3個樓層，每施工完成一層利用塔吊提升（圖11）。

圖11 外掛架平面布置示意

4.1.2 施工流程

工具式外掛操作防護架采用塔樓塔吊進行提升安裝，每次吊裝一套防護架，每完成一層勁性柱后外掛式防護架提升至上層施工。具體流程如下：

1）外掛操作防護架掛于N＋2層，綁扎N＋1層勁性柱鋼筋并支模。

2）外掛操作防護架掛于N＋2層，澆筑N＋1層勁性柱混凝土并養護。

3）外掛操作防護架采用塔吊提升并掛于N＋3層。

4）外掛操作防護架掛于N＋3層，綁扎N＋2層勁性柱鋼筋并支模，循環上述流程至封頂。

4.2 外掛操作防護架的安裝、提升及使用

4.2.1 現場準備

現場根據主體結構施工進度計劃要求，需要明確合理的外掛式防護架進場時間，并提前書面通知廠家按要求時間運輸材料。

施工作業前，現場技術安全人員組織操作班組成員集中熟悉主體結構圖紙，了解主體外立面結構變化情況。吊裝前，應對操作工人進行書面安全技術交底和操作技能培訓。

外掛式防護架安裝前，必須將前階段施工所用的落地腳手架清除，保證安裝面所需空間。其中，下支撐點處樓板（預埋短鋼管與架體連接）混凝土至少保證2 d齡期。在掛臂梁操作面安裝前，必須確保搭設完畢安全通道，用于其固定。

掛臂梁及可調夾具部位的相關桁架模板已按預定方案的區域進行暫緩鋪設，便于外掛架的固定和安裝。同時也要確保相關圓柱模板、腳手架鋼管、方木等施工材料已運輸至施工樓層內，避免外掛架就位后相關材料無法傳遞。

4.2.2 安裝

外掛操作防護架采用現場地面拼裝，拼裝處地面應有較好的平整度。拼裝順序為：豎向吊架底部節→標準節→吊架轉換接頭→底板→踏板→側網→端網→爬梯→頂部鋼梁→專用夾具→上部圍網。現場拼裝應按施工圖嚴格控制幾何尺寸，結構的工作線與桿件的重心線應交會于節點中心，二者誤差不得大于3 mm。

在現場安裝過程中，應遵循以下順序進行安裝：鋼結構梁吊裝、焊接→巨型柱施工鋼管腳手架搭設→防護架吊裝、提升→防護架固定、拉結、隔離圍護→綁扎鋼筋→傳遞、支撐、封閉模板→澆筑混凝土→防護架吊裝、提升。豎向主框架的垂直偏差應小于0.3%，整體垂直度偏差應小于0.4%。

外掛式防護架吊裝就位后，將外掛式防護架鋼梁與主體結構H型鋼梁用專用夾具和螺栓連接牢固，及時將外掛式防護架吊架內立桿與硬拉結鋼管用扣件＋鋼管連接起來，底部做好安全隔離。

外掛防護架拼裝完成并驗收合格后，方可進行吊裝、提升、施工。

4.2.3 提升及使用

現場拼裝完成后的外掛防護架，采用2臺安裝于核心筒內的M900D、M440D型塔吊進行吊裝。其中，M900D塔吊塔身56 m，扒桿50.4 m，半徑47.5 m，起重量為18.4t；M440D塔吊塔身56 m，扒桿48.5 m，半徑30 m，起重量為18.3t。工具式外掛防護架標準質量為4.5 t。根據現場塔吊位置、外掛防護架拼裝位置以及外掛架質量綜合比較，M900D和M440D塔吊完全滿足吊裝需要。

外掛防護架采用塔樓塔吊進行提升，每次吊裝一套防護架，每完成一層勁性柱后外掛式防護架提升至上層施工。第1次吊裝外掛式防護架的施工工況：在36層鋼結構梁吊裝、焊接完成，結構進行34框巨型柱、35層樓板的鋼筋綁扎、預埋件設置、模板支撐、混凝土澆筑；以此類推，直到施工至77層。

外掛操作防護架提升前必須確保防護架體上所有零星配件、材料都清理干凈，無建筑垃圾或其他材料遺留在上方。同時，必須確保先拆除掛架與結構上硬拉結以及松開專用夾具，并搬離活動荷載。

在提升防護架時，指揮、監護人員到崗就位，由專職指揮人員統一發布升降信號，發現問題及時通知總指揮，并停止提升，待故障排除后，方可重新提升。

防護架主架體下掛有7個操作層，覆蓋3框樓層結構高度，每個操作層高度1.8 m，平均每個樓層覆蓋2個操作層高度，每個操作層在兩端均開設上下爬梯洞口，人員通過該爬梯，實現上下層的行走。外掛防護架覆蓋3框結構，結構施工處于中間框位置，待混凝土澆筑完成后，將外掛防護架進行提升，此時施工層處于最下框位置，將原材料在下層傳遞至中間框后，進行結構施工，如此進行往復作業。由于主架體掛臂梁固定在結構鋼梁上，因此該區域桁架模板暫緩鋪設，此時每層需要搭設安全通道，用于安裝人員到達指定位置進行掛臂梁安裝固定。

防護架在空中停用時間超過一個月后或遇六級以上（包括六級）大風后復工時，均應進行檢查，檢查合格后方能投入使用。

外掛防護架在吊裝完成后，及時利用鋼管在架體與各樓層結構之間設置硬拉結，各樓層在架體左右方向各設一道。外掛式防護架的操作面限定荷載≤2.0 kN/m2，設2步施工作業層，嚴禁超載。

4.2.4 拆除

防護架提升至77層（＋323.60 m），待巨型柱模板拆除，柱表面整修完成后即可拆除。防護架采用塔樓塔吊整體吊運到地面后進行解體、拆除。

防護架在地面解體時，分解鋼梁與吊架應當由塔吊配合，以防架體失穩、傾覆倒地。

防護架地面分解過程與拼裝程序相反，遵循“由上而下、裝后拆、后裝先拆”的原則。

5 結語

蘇州吳江太湖新城核心區B1地塊超高層項目塔樓勁性柱施工研發的工具式外掛操作防護架，克服了建筑結構邊線多變，常規防護架體難以滿足防護需求的難題，避免了防護架體高空重復安裝拆除等高風險作業，成功確保了項目的順利實施，為外立面復雜造型的超高層建筑施工提供了一種新型、高效、安全的施工防護體系，可為此類防護架適用范圍的拓展和類似工程提供借鑒。