上海長灘觀光風塔施工關鍵技術

張偉德

(上海建工集團股份有限公司,上海 200080)

上港十四區工程位于上海市寶山區的西北角,是上海市“一江一河”發展“十四五”規劃由東向西的起點,G1501和滬通鐵路隧道自場地南側橫穿。上港十四區的整體轉型開發項目是寶山濱江發展帶老港區煥發新生機的一次產業布局大調整、城市空間的大釋放,也是目前上海地區進行整體產業功能轉型的最大項目。利用其濱江港口區位優勢、自然資源和工程條件優勢,逐漸從交通基礎性設施向城市復合型生活功能轉型,形成新的城市活力空間。其中觀光風塔在基地東端,是整個區域的地標建筑之一,也是整個濱江輪廓線的至高點,其核心功能為G1501隧道浦西段出風口兼具觀光作用。

1 工程概況

上港十四區項目用地面積28.6萬m2,總建筑面積約147萬m2,建筑單體近120棟。其中觀光風塔項目建筑高度180 m,地下3層,地上18層,為一類高層建筑。其地下建筑面積745 m2,地上建筑面積8 986 m2。核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻結構,沿核心筒高度方向布置3道懸挑鋼桁架,跳躍式分布12層懸挑鋼梁,幕墻鋼結構采用三角形組成豎向網殼體系,幕墻由三角形單元幕墻系統、上箍出風口百葉系統及下箍彎弧玻璃幕墻系統組成(見圖1)[1]。

2 工程關鍵技術

2.1 液壓整體提升鋼平臺

本工程建筑高度180 m,核心筒外墻厚度有兩次收縮,B3F-4F核心筒墻體厚度600 mm,5F-13F核心筒墻體厚度500 mm,14F-屋面核心筒墻體厚度350 mm,此外在11F,13F核心筒部分墻體減少。為適應以上核心筒墻體變化,我們調整了鋼平臺的具體布置節點,采用可拆卸平臺梁、可滑動內外腳手、可移動支撐及動力系統等方式,既保證了鋼平臺的整體剛度,又便于高空調節墻厚及局部拆除。

2.2 幕墻網殼鋼結構分段拼裝整體累積液壓提升懸掛

上海長灘觀光塔要實現360度觀景效果,在塔身的3道桁架上分別懸掛最高達44 m長的圓形鋼網架,下口安裝滑動支座,為后續的玻璃幕墻做準備。幕墻鋼結構由不共面三角形單元空間擬合而成,在地面設置臺架分段拼裝,桁架層設置液壓提升系統逐漸提升,完成一段后進行整體提升。該工藝安裝精度要求高,累計液壓整體提升過程中要防止3 mm以上誤差的產生,避免受力不均直接對塔身結構產生損害。

2.3 曲面三向斜交網格體系玻璃幕墻單元板塊安裝

風塔幕墻造型為圓形筒狀,按照層高4 m的高度設計,幕墻總面積約15 000 m2。幕墻系統采用鋼結構支撐的三角形單元式玻璃幕墻,標準三角形板塊底寬2 312 mm,高4 000 mm,面積4.6 m2,可以解決板塊間不共面的問題。板塊安裝根據工況分別采用環軌吊、塔吊及地面汽車吊安裝[2]。

3 施工技術

3.1 液壓整體提升鋼平臺體系施工技術

3.1.1 液壓整體鋼平臺體系概述

根據觀光風塔核心筒結構特點(見表1),采用了液壓整體鋼平臺體系進行核心筒混凝土結構施工。該體系由整體鋼平臺系統、鋼柱爬升系統、筒架支撐系統、內外掛腳手系統和鋼大模板系統等五部分組成(見圖2)。該體系采用模塊化設計、構件化加工,在結構體型適應性、安全性、經濟性等方面優勢明顯[3-4]。

表1 風塔結構概況表

鋼平臺系統位于設備頂部,主要作為施工作業平臺以及物料中轉的堆場,具有較大的承載能力。中央控制室布置在鋼平臺上,負責整個液壓系統的同步工作。鋼柱爬升系統在鋼平臺體系爬升過程中支撐在核心筒混凝土結構頂面上,爬升立柱上配有各種傳感器,鋼平臺系統頂升作業過程中的實時測量數據通過傳感器采集并傳送到中央處理計算機上。中央處理計算機通過數據分析及系統調節控制液壓油缸工作的同步性,及時進行糾偏,以保障施工的安全性。筒架支撐系統在鋼平臺體系施工作業狀態時提供支撐作用,筒架支撐系統與內腳手系統相連接,核心筒內較大的區域為筒架支撐系統,局部狹小空間為下掛腳手,協同實現腳手功能。鋼柱爬升系統與筒架支撐系統輪換協作,可在爬升過程及施工作業過程中實現鋼平臺體系的交替支撐。

腳手系統懸掛于鋼平臺系統下方,內外腳手共6層。上3層為鋼筋、模板施工區,下3層為拆模整修區。腳手架系統1層—5層道板采用鋼板網,底部走道板采用薄鋼板。為配合核心筒墻體的收分,整個外掛腳手可滑移,腳手架頂部與鋼平臺采用滑輪連接,可以滿足施工時腳手與墻面的距離要求。

針對多段圓弧混凝土墻體收分及伸臂桁架層等復雜工況設置鋼大模板,每個鋼大模板用手動葫蘆掛在鋼平臺鋼大梁吊點耳板上。模板主要包含一個外側圓弧基礎模板,一個內側圓弧基礎模板及多個收分模板,為便于模板拆除配套使用整體陰角模板。

3.1.2 核心筒標準層施工

現場主體施工工況主要分為以下三個階段:

-0.100 m～20.250 m為第一施工階段,非標準層采用傳統腳手模板體系進行施工。

20.250 m～148.250 m為第二施工階段,鋼平臺體系及人貨梯安裝進行標準層施工。

148.250 m～179.900 m為第三施工階段,鋼平臺體系拆除后按常規模板體系施工至屋面。

鋼平臺體系從結構標高20.250 m核心筒墻體施工完成后開始安裝。現場材料垂直運輸采用塔吊,人員及零星材料運輸采用人貨梯。核心筒內設置兩根豎向泵管,采用二泵二管進行混凝土施工。

具體施工工藝如下:

鋼筋預先由塔吊吊運至鋼平臺頂面堆放,堆放鋼筋數量根據平臺承載力確定。作業人員在鋼平臺頂面通過格柵板傳遞至鋼平臺下方墻體位置,由腳手架以及筒架支撐上的作業人員進行綁扎。鋼筋綁扎完畢后,進行模板工程施工。混凝土輸送至鋼平臺頂面由布料設施進行混凝土澆筑,作業層結構施工完畢。鋼平臺體系爬升后準備施工下一層結構。

本工程人貨梯布置于風井內,人貨梯位于鋼平臺體系內的標準節附墻支撐結構集成在鋼平臺內,并隨鋼平臺一起爬升,鋼平臺體系下部的標準節通過附墻件與混凝土井壁拉結。人員及部分物料可以通過人貨梯直接運輸到核心筒施工層,極大地提高了施工效率。

3.2 幕墻鋼結構安裝

3.2.1 風塔幕墻鋼結構概況

幕墻鋼結構為三角形網殼體系,虛擬層高度4 m,每層由72個三角形單元擬合而成。桿件均為箱型截面,截面尺寸為100 mm×300 mm×14 mm。出風口以下三角形網殼為吊掛形式,分為三個吊掛段,每個吊掛段通過上端鉸接節點和下端滑動節點與主體結構相連,支座數量每層36個,平面范圍內沿圓形均勻分布。出風口以上三角形網殼體系通過每層鉸接節點和主體結構相連。第一道桁架層和出風口外圍設有兩道彎弧鋼結構體系。網殼豎向并非連通的整體,而是通過4道變形縫將網殼分為了五個區段。網殼總用鋼量約1 650 t。

3.2.2 風塔鋼結構施工技術路線

風塔幕墻鋼結構施工總體流程如下:屋頂塔吊置換→鋼網架提升平臺安裝→制作提升懸掛段一幕墻鋼結構→提升裝置移位、搭設硬隔離→制作提升懸掛段二幕墻鋼結構→制作提升懸掛段三幕墻鋼結構(施工第二、第三提升段同步塔吊吊裝136 m以上幕墻鋼結構)→汽車吊吊裝地面段幕墻鋼結構→塔吊補缺提升設備層等剩余幕墻鋼結構。

出風口以下幕墻鋼結構利用在桁架層設置的提升系統進行提升安裝,最大提升質量424 t,最大提升行程92 m。采用6套液壓提升機構布設于桁架層,以單套提升重量200 t,總提升重量Q=1 200 t的起重性能工況進行鋼結構的提升安裝。提升系統分別搭設在136 m及88 m的桁架層,在桁架層安裝6部支撐鋼平臺,分別設置6套液壓提升千斤頂。中央計算機控制整體提升系統布置在地面風塔附近,實時監控整個提升狀態。

在地面設置一套拼裝胎架,幕墻鋼結構8 m(兩層)為一個拼裝單元,在胎架上拼裝完成后用液壓提升機構提升8 m,再次拼裝8 m連接至已提升單元,如此累積提升,直至吊掛段整體拼裝完成,最后整體提升到位(見圖3)。

出風口以上幕墻鋼結構用核心筒RF層布置的一臺ZSL120塔吊進行安裝,將幕墻鋼結構分成標準吊裝單元,從下向上,逐層閉合成圓環施工。ZSL120以L=26 m,R≤15 m,T=8 t的起重量進行幕墻鋼結構吊裝,吊裝單元最重1.5 t。

1層—3層幕墻鋼結構用50 t汽車吊1臺進行安裝。圓箍分成標準吊裝單元,按順時針方向閉合成圓環。

3.2.3 幕墻鋼結構的安裝測量

本工程結構超高,核心筒相對細小,塔吊工作造成的震動、日照變化、風載等都會造成核心筒的變形。為保障施工精度,我們確定了圓形鋼網架長達近48 h的“大型鋼結構整體提升”方案,提升過程中要防止3 mm以上誤差的產生,避免受力不均直接對塔身結構產生損害。在提升裝備的設計上除了在提升平臺安裝氣象控制箱外還創新引入了“智能自動跟蹤測量設備”和“數字化結構監測裝置”,便于實時高效地獲取提升數據。憑借“計算機同步控制液壓整體提升自動糾偏+智能自動跟蹤測量”的創新應用,把6個提升點位的同步提升精度偏差,精準地控制在3 mm以內,在如此巨大的鋼結構整體安裝中,在行業領域實現了新的突破。

3.3 曲面三向斜交網格體系玻璃幕墻安裝

3.3.1 幕墻系統概述及系統描述

類型1:風塔標準層三角形單元玻璃幕墻系統(風塔除5,6,7,11,12夾層外其他位置)。

類型2:風塔設備層半隱框圓弧玻璃幕墻系統(風塔5,6,7層圓弧玻璃區域)。

類型3:風塔設備層金屬百葉幕墻系統(風塔11層、12層)。

3.3.2 幕墻安裝

本工程幕墻形式是單元板塊幕墻組成。跟隨鋼結構施工同步測量,選取多個控制點校核鋼結構精度;單階段鋼結構吊裝完成后,進行沉降穩定變形,穩定變形后進行復測,該數據導入BIM模型進行合模,作為后期下料及施工定位依據。根據現場的實際情況,考慮樓層高度安全問題,本工程大面使用環形軌道吊裝系統進行單元板塊的安裝,環軌吊布置層以上板塊利用屋頂塔吊進行安裝。風塔幕墻總體劃分為五個施工區域,以上下箍區分,A區為地面至下箍下口(±0 m～+36 m),B區為上下箍之間(+48 m～+132 m),C區為上箍以上部分(+148 m～+180 m),以及下箍(+36 m～+48 m)、上箍(+136 m～+148 m)共計五個區域。

根據總體施工進度,環形軌道吊裝系統搭設在10層。軌道材料主要包含25號工字鋼、22號工字鋼、20號工字鋼環形軌道吊裝系統主要由里外兩道環形軌道和行車電機吊裝系統組成(見圖4)。

環形軌道經由設計部門根據結構形式并進行受力計算,軌道懸挑工字鋼前端用83 mm×6 mm圓鋼管與上一層鋼結構連接,與鋼結構垂直部位通過20號工字鋼進行滿焊連接,經計算此兩處連接方式已滿足吊裝及硬防護的受力要求;懸挑工字鋼在鋼結構內側樓板位置通過與樓板或結構主梁用Φ16鋼條絲桿抱箍形式連接,起到輔助固定作用。

垂直運輸索道由1根8 mm鋼絲繩通過頂端的2個定滑輪轉到地面端頭固定,鋼絲繩的兩端分別固定在地面埋件和耳板連接結構上組成,底部將耳板焊接在80 mm×80 mm×5 mm底托上,底托通過埋件與混凝土地面連接來保證整個運輸索道的穩定。

普通位置單元板塊的安裝:

單元體板塊通過移動式吊機利用索道提升到安裝層后,吊機掛鉤調換到軌道吊車吊鉤,通過環軌水平運輸到安裝部位,此時的單元板塊處于安裝部位上方,然后慢慢的放下單元板塊,單元板塊安裝上下位置的施工人員與已安裝完成的轉接件或單元板塊進行插接對正,無誤后完全放下單元板塊,吊裝完成。風塔室內部分東側空間較大、該區域安裝單元板塊及室內鋁板施工無法正常室內施工。風塔室內4層(12.3 m～36.3 m),7層(44.0 m～88.0 m)及9層(92.3 m～132.3 m)區域使用上方樓層下口設置的定點吊籃輔助施工,其余空間較小部位和標準層內采用腳手架輔助施工;室外使用在9層、10層的環軌外側軌道上設置的滑軌吊籃輔助施工。

兩個圓箍下方一層單元板塊的安裝兩個圓箍下方一層區域單元板塊各72塊,因圓箍鋼結構突出單元安裝面790 mm,此區域單元板塊離圓箍鋼結構較近,板塊就位時位置受限難以到達安裝垂直點,此部位安裝措施采用塔吊將單元板塊運輸到安裝位置,采用兩個1.5 t手動葫蘆進行換勾就位,葫蘆掛鉤與板塊連接后開始手動吊裝,在葫蘆吊將板塊吊到安裝垂直位前塔吊吊鉤先不要拆除,此部位操作需要細微調整,在確定葫蘆吊裝完全到達垂直安裝位后,將塔吊吊鉤摘除,用兩個手動葫蘆緩慢細微調整安裝就位。

本項目風塔幕墻系統為鋼結構支撐的單元式玻璃幕墻,風塔完成面為曲面造型,考慮單元掛點不共面及鋼結構沉降變形等問題,現場采用天寶TX8進行現有鋼結構整體的掃描,掃描整體外立面距離比較遠,用精度最高的模式進行掃描,一站大約要30 min,掃描一次要各個角度總共15站左右。掃描后的數據導入BIM模型進行合模入模中測算出具體誤差,根據誤差數據進行后續幕墻轉接件、單元板塊加工調差處理。

4 結語

本文結合工程實踐,闡述上海長灘觀光風塔建造關鍵技術,其中的鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺,幕墻網殼鋼結構分段拼裝整體累積液壓提升懸掛安裝工藝,超高層曲面三向斜交網格體系玻璃幕墻單元板塊安裝工藝等方面均取得了顯著的示范效應,有些已達到了國內先進水平,對同類工程具有很好的借鑒作用。