超高結(jié)構(gòu)建造模架裝備技術(shù)發(fā)展研究

房霆宸 龔 劍 朱毅敏

1. 同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；2. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；3. 上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080

模架裝備是超高層建筑建造的關(guān)鍵技術(shù)裝備。國外關(guān)于模架裝備的研發(fā)生產(chǎn)開始較早，其模架技術(shù)和機具總體發(fā)展水平高、技術(shù)裝置先進，能滿足異形、難度高的工程需要[1]。國外模架裝備多以液壓自升式爬模技術(shù)為主，該技術(shù)起源于20世紀70年代初的歐洲，完善于20世紀80年代，并在歐洲、美洲、日本等地得到推廣應(yīng)用。國外模架裝備產(chǎn)業(yè)化水平高，代表性的模架裝備企業(yè)有奧地利的DOKA、德國的PERI、德國的MEVA、英國的SGB、美國的RMD等，這些企業(yè)研發(fā)的液壓爬模體系更新速度快、標(biāo)準(zhǔn)化程度極高、施工易用性很強。在這些專業(yè)模板公司中，DOKA、PERI所生產(chǎn)模板以其高品質(zhì)在業(yè)內(nèi)得到了廣泛關(guān)注和認可，DOKA模板根據(jù)承載力的不同分為SKE50和SKE100這2種類型；PERI模板主要有CB、ACS、SKS和SSC這4種模板系統(tǒng)，該模板系統(tǒng)在設(shè)計軟件方面取得了較大突破[2]。目前，液壓爬模技術(shù)是國外超高混凝土結(jié)構(gòu)施工的主流模架裝備技術(shù)，如阿聯(lián)酋Al Hamra（高412 m）、馬來西亞石油大廈（高450 m）、俄羅斯聯(lián)邦大廈（高506 m）、迪拜哈利法塔（高828 m）等工程均采用了液壓爬模技術(shù)。

我國建筑行業(yè)模架裝備與國外發(fā)達國家相比，雖然起步較晚，但是發(fā)展迅速。經(jīng)過了30多年的發(fā)展，實現(xiàn)了從無到有、從模仿到創(chuàng)新、從低端到高端的發(fā)展。我國液壓爬模技術(shù)主要采用的是引進、消化、吸收、再創(chuàng)新的方式，其中，上海建工集團是國內(nèi)較早開發(fā)和采用液壓爬模技術(shù)的企業(yè)。目前，國內(nèi)模架裝備產(chǎn)業(yè)主要由2類公司主導(dǎo)：一類是大型總承包施工企業(yè)，典型代表如上海建工集團和中國建筑集團；另一類是大量的專業(yè)化中小型模架公司，典型代表如北京卓良模板有限公司、江蘇攬月工程科技集團有限公司等。

針對200 m以上超高層建筑施工模架裝備，主要以上海建工集團研發(fā)的整體鋼平臺模架裝備和中國建筑集團研發(fā)的施工裝備集成平臺這2種模架裝備在超高層建筑中的應(yīng)用較為廣泛。整體爬升鋼平臺模架始于1990年，上海建工集團通過對液壓爬模技術(shù)進行改進再創(chuàng)新研發(fā)而形成，該整體模架主要由整體鋼平臺、吊腳手架、筒架支撐、鋼梁爬升系統(tǒng)以及模板系統(tǒng)等部分組成，采用非螺栓非焊接接觸支撐連接方式，將雙承力銷豎向支撐裝置作用在核心筒上的支承凹槽，通過動力系統(tǒng)驅(qū)動整體鋼平臺模架提升或爬升；施工裝備集成平臺由中國建筑集團于2008年研發(fā)形成，其主要由支承系統(tǒng)、鋼框架系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、掛架系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、集成裝備以及集成設(shè)施等組成，通過采用微凸支點及空間框架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)受力骨架沿超高層建筑自爬升[3-4]。

針對200 m以下高層和超高層建造模架裝備，其發(fā)展相對而言較為多元化，各大型總承包施工企業(yè)、中小型專業(yè)模架公司的產(chǎn)品技術(shù)特征、市場參與主體和經(jīng)營模式、產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度均有所不同。其中，北京卓良模板有限公司、北京建筑工程研究院、江蘇江都攬月機械有限公司等公司以生產(chǎn)液壓爬升模架為主，其開發(fā)的液壓爬模產(chǎn)品不僅應(yīng)用于國內(nèi)工程建設(shè)，而且在海外也有一定的市場份額[5-6]。

1 模架準(zhǔn)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

模架裝備涉及鋼結(jié)構(gòu)、工程機械、液壓、通信、電氣自動化等多個專業(yè)，其作業(yè)施工環(huán)境復(fù)雜，需要有專門的標(biāo)準(zhǔn)對其施工作業(yè)進行規(guī)范和指導(dǎo)。關(guān)于整體模架裝備標(biāo)準(zhǔn)體系的研究，我國腳手架標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范根據(jù)不同時期行業(yè)發(fā)展的需要，大致經(jīng)歷了從無到有、由少到多、從借用到自編的過程。

1985年，我國通過參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4054:1980 Couplers, loose spigots and base-plates for use in working scaffolds made of steel tubes - Requirements and test procedure（鋼管腳手架、對接銷和底板要求及檢驗程序）編制了JGJ 22—1985《鋼管腳手架扣件》。

1995年，為適應(yīng)新的模架發(fā)展需要，編制了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15831—1995《鋼管腳手架扣件》，并廢止了JGJ 22—1985《鋼管腳手架扣件》。

2006年，我國對《鋼管腳手架扣件》進行了修訂。2010年，我國通過參考日本國家標(biāo)準(zhǔn)JIS A8951—1995《鋼管腳手架》，編制了GB 24910—2010《鋼板沖壓扣件》，并編制了GB 24911—2010《碗扣式鋼管腳手架構(gòu)件》。

2012年，我國編制了GB 50829—2012《租賃模板腳手架維護保養(yǎng)技術(shù)規(guī)范》。

2016年，我國編制了GB 51210－2016《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》。從以上標(biāo)準(zhǔn)的編制過程可以看出，我國關(guān)于腳手架的標(biāo)準(zhǔn)相對較多，已擁有一個較為完善的施工腳手架標(biāo)準(zhǔn)體系，但關(guān)于整體鋼平臺模架裝備、施工集成平臺方面的標(biāo)準(zhǔn)較少。鑒于此，2019年我國編制了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 459—2019《整體爬升鋼平臺模架技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DG/T H08-2304—2019《高層建筑整體鋼平臺模架體系技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一了我國整體鋼平臺模架裝備的術(shù)語體系，建立了結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計計算標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了構(gòu)造要求，制定了作業(yè)安全規(guī)定。

2 0 2 0 年，編制了中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 744—2020《超高層建筑施工裝備集成平臺技術(shù)規(guī)程》，規(guī)定了集成平臺的適用范圍、設(shè)計參數(shù)、加工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)、安拆流程等，適用于集成平臺的設(shè)計、制作、安裝、驗收、運行、維護及拆卸等階段。以上各項標(biāo)準(zhǔn)的制定豐富和完善了我國腳手架標(biāo)準(zhǔn)體系，很好地促進了模架裝備的發(fā)展與推廣應(yīng)用。

2 模架裝備技術(shù)體系研究

開發(fā)適用于中國特色的模架裝備是超高層建筑建造技術(shù)發(fā)展的難點，鑒于此，我國大量專家學(xué)者開展了關(guān)于模架裝備技術(shù)體系的研究。葉可明[7]、俞錦昌等[8]設(shè)計了內(nèi)筒外架整體自升式鋼平臺模架施工方法及裝置，采用了全封閉整體模架形式，以蝸輪蝸桿升板機為動力系統(tǒng)，通過承重銷接觸支撐于主體結(jié)構(gòu)上，并在上海東方明珠電視塔工程得到應(yīng)用，解決了三筒體超高構(gòu)筑物施工難題。范慶國等[9]在金茂大廈工程中采用了臨時鋼柱支撐式整體鋼平臺模架裝備，通過全封閉整體模架設(shè)計，以升板機為動力系統(tǒng)，以臨時鋼柱為支撐系統(tǒng)，將承重銷支撐于鋼柱上，進行模架爬升，解決了金茂大廈超高工程施工難題。龔劍等[10]在上海環(huán)球金融中心工程中研發(fā)了格構(gòu)柱支撐式整體自升鋼平臺腳手模板系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靈活多變、各種工況適應(yīng)性強的特點，其空中分體組合的施工方法解決了核心筒勁性桁架層結(jié)構(gòu)施工的難題，高空轉(zhuǎn)換的施工方法解決了核心筒轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體形變化的施工難題。胡玉銀等[11]研發(fā)了集模板系統(tǒng)、操作平臺系統(tǒng)、爬升機械系統(tǒng)、液壓動力系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等技術(shù)為一體的YAZJ-15液壓自爬升模板系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于上海外灘中信城超高勁性核心筒施工。龔劍等[12]在廣州塔工程中研發(fā)了勁性鋼柱聯(lián)合內(nèi)筒外架支撐式整體鋼平臺模架技術(shù)，該技術(shù)采用混合支撐系統(tǒng)，利用結(jié)構(gòu)勁性柱作為爬升支撐，實現(xiàn)了超高豎向結(jié)構(gòu)與水平結(jié)構(gòu)的同步施工，既減少了鋼平臺自重，又確保了結(jié)構(gòu)勁性鋼柱的就位安裝精度。扶新立[13]在廣州塔工程中研究了勁性鋼柱整體鋼平臺模架裝備空中分體施工技術(shù)，通過運用空中分體施工流程及施工方式，完成了鋼板剪力墻的勁性混凝土結(jié)構(gòu)施工和整體自爬升鋼平臺的提升。扶新立等[14]以上海中心大廈工程為例，研究了筒架支撐式液壓爬升整體鋼平臺模架的工業(yè)化設(shè)計及安裝工藝流程，提高了模架裝備的工業(yè)化水平。龔劍等[15]在上海中心大廈工程中研發(fā)了筒架支撐式液壓爬升整體鋼平臺模架技術(shù)，該裝備基于單元式設(shè)計、整體式組裝的理念，使各單元之間具有相對獨立性，以便于高空拆分施工；采用了雙層跳爬的施工方法，解決了核心筒多道凸出的勁性桁架層施工的難題。龔劍等[16]在上海北外灘白玉蘭廣場工程中研發(fā)了鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺模架技術(shù)，該模板裝備以工具式鋼柱作為鋼平臺爬升時的支撐系統(tǒng)，有效地降低了施工成本；采用空中分體組合的施工方法，解決了核心筒伸臂桁架層的施工難題；采用外掛腳手架整體滑移的施工方法，解決了核心筒翼墻多次收分的施工難題。張琨等[17]研究了整體自動頂升回轉(zhuǎn)式多吊機集成運行平臺設(shè)計，提出的整體自動頂升回轉(zhuǎn)式多吊機集成運行回轉(zhuǎn)平臺技術(shù)有利于優(yōu)化吊機配置、發(fā)揮吊機功效，解決了多臺吊機支點占用空間大、與其他施工設(shè)備協(xié)同作業(yè)沖突、各自爬升占用工期等問題。潘春龍等[18]研究了將結(jié)構(gòu)施工過程所需的各類機械設(shè)備、配套設(shè)施、操作平臺、防護設(shè)施以及智能監(jiān)控等集成于一體的技術(shù)，采用各工序間錯層流水施工的方式。龔劍及其合作者在文獻[3]和文獻[19]中提出了整體鋼平臺模架與起重塔吊、人貨電梯、混凝土布料機等施工機械一體化集成技術(shù)，并開發(fā)出新型裝備體系成功應(yīng)用于上海徐家匯中心、寧波中心大廈等工程。楊德生等[20]提出了一種適用于超高層建筑水平結(jié)構(gòu)同步施工的液壓爬模與布料機一體化集成平臺系統(tǒng)，并驗證了其整體設(shè)計、力學(xué)分析計算以及施工工藝設(shè)計可行性。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于模架裝備體系的研究已經(jīng)很成熟，目前正在往模架裝備與施工機械一體化集成方向發(fā)展，但關(guān)于模架與施工塔吊、布料機等施工機械連接部位的連接方式及構(gòu)造研究較少。

3 模架裝備力學(xué)性能研究

關(guān)于模架裝備力學(xué)性能研究，通過采用技術(shù)手段對模架受力性能、穩(wěn)定性、設(shè)備部署、功能優(yōu)化進行分析，可以很好地提高模架裝備的綜合性能。駱艷斌及其合作者在文獻[21]和文獻[22]中通過建立有限元模型，對整體鋼平臺模板體系的動力特性進行了詳細分析，得到了其自振頻率和振型。駱艷斌等[23]通過建立整體鋼平臺模板體系和建筑結(jié)構(gòu)共同工作的2種連續(xù)梁分析模型，考慮建筑結(jié)構(gòu)剛度的不確定性，采用區(qū)間分析法求解了整個體系的頻率。朱佳偉等[24]通過對8個不同構(gòu)造的主次梁螺栓連接節(jié)點進行有限元數(shù)值模擬和試驗對比驗證，研究了模塊化整體鋼平臺鋼梁間連接節(jié)點剛度的影響因素，分析了螺栓規(guī)格、節(jié)點螺栓數(shù)量以及翼緣連接等因素對主次梁螺栓連接節(jié)點抗彎剛度的影響。郭彥林等[25]以廣州珠江新城西塔為例，研究了核心筒施工整體提模技術(shù)應(yīng)用，分析了提模西塔鋼平臺及支撐柱在不同階段的安全性和整體穩(wěn)定性。朱利君[26]針對南京金鷹廣場三塔體塔樓施工中的大型裝備部署，從整體模架體系、塔吊、人貨梯和混凝土泵送設(shè)施4個方面提出了工程應(yīng)用實施方案。王開強等[27]在福州世茂國際中心工程中研究發(fā)現(xiàn)，通過將主桁架弦桿、斜撐等節(jié)點設(shè)計為統(tǒng)一的形式，取消主桁架端部的受壓封板，有利于降低標(biāo)準(zhǔn)組件數(shù)量和用鋼量。龔劍等[28]、趙傳凱等[29]通過建立有限元模型的方法，研究了上海中心大廈核心筒施工所采用的整體鋼平臺模架體系的動力特性，給出了采用組合加固的方法改進整體鋼平臺模架體系設(shè)計的建議。高原等[30]采用氣動彈性模型風(fēng)洞試驗的方法，進行了上海中心大廈施工鋼平臺模型風(fēng)洞試驗，明確了迎風(fēng)面腳手架中部和側(cè)風(fēng)面腳手架下層中部為結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的危險區(qū)域。龔劍等[31]通過整體鋼平臺模架體系風(fēng)洞試驗，測量了整體鋼平臺模型在不同風(fēng)速、不同風(fēng)向角和提升前后兩種工況下的位移和加速度響應(yīng)。龔劍等[32]以隨機振動理論為基礎(chǔ)，分析了脈動風(fēng)荷載作用下核心筒對于整體鋼平臺風(fēng)振力的影響，明確了當(dāng)核心筒高度較高時，核心筒的存在減小了鋼平臺頂部的風(fēng)振力，對整體鋼平臺是有利的。駱艷斌等[33]采用自回歸過濾技術(shù)，考慮三維空間相關(guān)性，對具有隨機性的脈動風(fēng)荷載進行有效的模擬，得出了整體鋼平臺模板體系提升工況下的位移響應(yīng)遠大于工作工況下的位移響應(yīng)、迎風(fēng)面的位移響應(yīng)大于背風(fēng)面位移響應(yīng)的結(jié)論。以上專家學(xué)者關(guān)于模架裝備的力學(xué)性能研究多以模架裝備的有限元仿真分析研究和風(fēng)洞試驗研究為主，關(guān)于其受力機制的控制方程以及風(fēng)荷載作業(yè)作用下整體模架的力學(xué)響應(yīng)及其結(jié)構(gòu)計算分析方法研究相對較少。

4 模架裝備施工監(jiān)控技術(shù)研究

關(guān)于模架裝備施工監(jiān)控技術(shù)，我國專家學(xué)者多以物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)的形式對模架裝備現(xiàn)場施工狀態(tài)進行監(jiān)控。沈陽等[34]采用最不利條件下結(jié)構(gòu)變形作為評估整體鋼平臺安全風(fēng)險特性的核心指標(biāo)，提出了變形預(yù)警指標(biāo)的確定方法，并通過有限元模型計算獲得四級變形預(yù)警指標(biāo)值。劉志茂等[35]詳細介紹了凸點頂模智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和應(yīng)用，通過專用軟件的整合與開發(fā)，實現(xiàn)了在三維模型中實時展現(xiàn)各個監(jiān)測點的運行狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對凸點頂模的使用進行智能控制與干預(yù)。趙一鳴等[36]根據(jù)超高層建筑施工整體鋼平臺模架裝備遠程監(jiān)控的技術(shù)要求，從監(jiān)控原則、對象、方法以及軟硬件集成等方面，開展了對模架裝備遠程安全監(jiān)控技術(shù)的研究，并以南京金鷹天地廣場超高塔樓施工的鋼平臺模架裝備作為工程范例，驗證了研究成果的可行性和有效性。潘曦[37]通過開展無人自動爬升智能控制模板系統(tǒng)研究，提出了基于機器視覺的模架裝備識別預(yù)警與結(jié)構(gòu)受阻狀態(tài)識別方法。黃玉林等[38]基于傳感技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)和PLC控制技術(shù)，對超高層建筑爬升模架設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)測、評估、預(yù)警及控制進行研究，研發(fā)了智能支撐裝置以及整體鋼平臺模架監(jiān)控系統(tǒng)。左自波等[39]通過收集哈利法塔、上海中心大廈、中國臺北101大廈等20個超高層安全監(jiān)測工程實例，統(tǒng)計和分析了施工期和運營期的關(guān)鍵監(jiān)測項目及指標(biāo)，給出了整體鋼平臺模架裝備的關(guān)鍵監(jiān)測項目及預(yù)警指標(biāo)。以上專家學(xué)者關(guān)于模架裝備施工監(jiān)控技術(shù)的研究多采用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)為主，缺乏相應(yīng)的智能算法和大數(shù)據(jù)識別支撐，如何引入人工智能算法、5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能識別等新技術(shù)，開展針對模架裝備自身的施工控制以及施工現(xiàn)場“人、機、料、法、環(huán)”的智能化控制，將成為新的研究重點。

5 思考與建議

通過系統(tǒng)總結(jié)以上相關(guān)專家學(xué)者的研究工作，我們可以看出，目前關(guān)于模架裝備的研究多以裝備體系、局部受力、數(shù)值仿真、監(jiān)測控制等為主，但關(guān)于風(fēng)洞試驗、模架與機械一體化集成、智能化施工控制等方面的深入研究相對較少，這也為下一階段模架裝備研究發(fā)展指明了方向。鑒于此，關(guān)于模架裝備的發(fā)展提出以下建議：

1）針對模架裝備標(biāo)準(zhǔn)體系，應(yīng)重點開展風(fēng)洞試驗和數(shù)值仿真模擬研究，進一步明確模架裝備受力機制及其計算參數(shù)選擇，并逐步完善模架裝備標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)理論計算體系，如風(fēng)荷載計算相關(guān)參數(shù)選擇等。

2）針對200 m以上超高結(jié)構(gòu)建造整體模架裝備，應(yīng)重點開展整體模架裝備與塔吊、混凝土布料機、施工電梯等機械裝備的一體化集成研究，并重點研究其一體化連接方式、一體化連接部位構(gòu)造措施、協(xié)同施工性能等方面的研究，從功能、工藝、流程、安全、控制等方面集成上來整體提升模架裝備的綜合性能。

3）針對200 m以下高層及超高層結(jié)構(gòu)建造整體模架裝備，應(yīng)重點開展模架裝備輕量化、提升/爬升便捷化等方面的研究，使其更為輕便靈巧，從經(jīng)濟、高效上提升整體模架裝備的市場競爭力。

4）針對模架裝備控制系統(tǒng)，應(yīng)基于工業(yè)建造理念引入智能算法提升模架裝備的智能化控制技術(shù)水平，通過開展基于工業(yè)化理念的模架裝備標(biāo)準(zhǔn)模塊化構(gòu)造組成、基于數(shù)字孿生技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究，深入提升模架裝備的工業(yè)化設(shè)計制作水平；通過開展基于人工智能算法的智能化控制系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)對模架裝備爬升操作、施工狀態(tài)監(jiān)控、施工機械控制等一體化智能化控制，從整體上提升模架裝備的智能化水平。

5）針對模架裝備成本控制問題，可基于標(biāo)準(zhǔn)模塊化的工業(yè)化制作技術(shù)，深入開展可回收利用技術(shù)研究，提升模架裝備重復(fù)周轉(zhuǎn)使用率，進而降低其成本造價。

6）通過持續(xù)開展一體化集成技術(shù)、智能化控制系統(tǒng)、工業(yè)化制造、可循環(huán)利用等研究工作，不斷提升模架裝備的工業(yè)化和智能化水平，努力將模架裝備發(fā)展成為真正的空中造樓機器人，是模架裝備發(fā)展的最終目標(biāo)，這對于模架裝備的發(fā)展具有重要的研究意義和工程應(yīng)用價值。