李健強(qiáng)，楊 勛，王 帥，滕洪園，沈仁菊

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064)

1 空中造樓機(jī)應(yīng)用背景

1.1 超高層禁令

近年來，超高層建筑在國(guó)內(nèi)大規(guī)模興建，超高層塔樓核心筒施工中的問題越來越受到建設(shè)單位的關(guān)注，具有高效、安全等特性的“空中造樓機(jī)”也備受熱衷，從最開始的焊接低位頂模、模塊化低位頂模、貝雷架裝配式低位頂模，再到微凸支點(diǎn)頂模集成平臺(tái)，無一不是施工行業(yè)中的焦點(diǎn)。2020年4月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺(tái)的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市與建筑風(fēng)貌管理的通知》中提到：“嚴(yán)格限制各地盲目規(guī)劃建設(shè)超高層‘摩天樓’，一般不得新建500m以上建筑”“嚴(yán)格限制新建250m以上建筑”，明文“禁限超高層”。2021年7月國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)文嚴(yán)格執(zhí)行《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市與建筑風(fēng)貌管理的通知》，再次明確“嚴(yán)格限制新建250m以上建筑”“不得新建500m以上超高層建筑”。超高層建筑“空中造樓機(jī)”迎來新的挑戰(zhàn)。

1.2 空中造樓機(jī)瑕瑜互見

空中造樓機(jī)雖優(yōu)勢(shì)明顯，但缺點(diǎn)也與之并存。首先，降本增效是施工過程中關(guān)注的重點(diǎn)，空中造樓機(jī)集成模塊多、體量大，導(dǎo)致其成本高，適當(dāng)進(jìn)行“瘦身減重”可達(dá)到降低成本的目的，進(jìn)而推動(dòng)超高層施工裝備集成平臺(tái)的推廣使用。其次，部分工序操作難度較高，如斜墻施工難度大、墻體預(yù)埋復(fù)雜、頂升過程操作繁瑣等；降低施工難度、提升操作便捷性不僅可提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率，還能提升施工質(zhì)量，保障施工過程安全。最后，現(xiàn)行空中造樓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化程度低，可周轉(zhuǎn)率低，通用性亟待提高，因此繼續(xù)提高構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化可進(jìn)一步降低成本，實(shí)現(xiàn)減少污染、節(jié)能減排、持續(xù)綠色發(fā)展。

2 輕量化集成平臺(tái)創(chuàng)新點(diǎn)

為解決成本過高、操作難度較大、通用性差等問題，同時(shí)為提高集成平臺(tái)智能化程度、改善施工環(huán)境，在現(xiàn)有集成平臺(tái)技術(shù)的基礎(chǔ)上，從以下方面對(duì)輕量化集成平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1)支點(diǎn)輕量化 本智能化集成平臺(tái)較前幾代空中造樓機(jī)總重縮減50%以上，全新支點(diǎn)頂升力設(shè)計(jì)值較之前縮減1/2。采用點(diǎn)式勾爪，不僅單支座體形小、自重輕(僅重570kg)，且能提高支座周轉(zhuǎn)效率。增設(shè)頂升導(dǎo)向及多級(jí)防墜裝置，安全性更可靠，確保平臺(tái)在突發(fā)異常情況下的絕對(duì)安全。同時(shí)，區(qū)別于傳統(tǒng)低位頂模大行程、重型油缸，項(xiàng)目采用中等行程、中型油缸(體形小)，為后期因結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行拆改周轉(zhuǎn)使用提供更大的安全保障。

2)構(gòu)件通用化 標(biāo)準(zhǔn)化高抗剪型貝雷片自重輕，周轉(zhuǎn)使用率高，對(duì)掛架進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尺寸模數(shù)進(jìn)行組合拼裝，適用性強(qiáng)、封閉性好，可確保施工作業(yè)的安全。鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，相互之間采用螺栓連接，可輕松拆卸，便于后續(xù)周轉(zhuǎn)。

3)操作便捷化 將模板、吊掛平臺(tái)集成化，為核心筒施工提供更寬敞的作業(yè)空間，提高平臺(tái)內(nèi)交通組織效率，并為后期斜墻施工及核心筒結(jié)構(gòu)變化提供更安全的作業(yè)基礎(chǔ)，大大降低斜墻施工難度，提高安全保障。

4)控制智能化 增加頂升過程可視化系統(tǒng)、油缸智能化控制系統(tǒng)，對(duì)頂升立柱實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)壓力傳導(dǎo)等功能；控制系統(tǒng)增加一鍵頂升，操作簡(jiǎn)便，有效提高頂升效率。

5)空間舒適化 雙層平臺(tái)設(shè)計(jì)增大空間利用率，外墻和內(nèi)筒掛架確保鋼筋綁扎、模板支設(shè)操作空間寬敞、安全，全封閉環(huán)境和噴淋系統(tǒng)可應(yīng)對(duì)惡劣天氣，提高施工環(huán)境舒適性。

3 工程概況

武漢長(zhǎng)江中心位于武漢市武昌區(qū)，塔樓地上80層，地下4層，總建筑面積21.9萬m2，建筑高度380m，標(biāo)準(zhǔn)層高4.4，4.5m，避難層高5m，結(jié)構(gòu)體系為密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)形式為由48根外框柱、鋼梁組成的鋼框架及56根核心筒鋼骨柱組成的勁性結(jié)構(gòu)。外框柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，核心筒剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50～C60，墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60。為滿足垂直運(yùn)輸需求，在核心筒內(nèi)布置ZSL750型，ZSL1250型2臺(tái)起重機(jī)和1部SC200/200施工電梯。塔樓核心筒典型平面布置如圖1所示。

圖1 塔樓核心筒典型平面布置

4 重難點(diǎn)分析

1)核心筒內(nèi)塔式起重機(jī)、電梯占用空間大；核心筒面積隨高度上升逐漸從860m2縮減到640m2，其內(nèi)部剪力墻將核心筒分為9個(gè)筒體，其中2個(gè)筒體內(nèi)布置塔式起重機(jī)，1個(gè)筒體內(nèi)布置雙籠電梯，致使內(nèi)部空間狹小，嚴(yán)重影響集成平臺(tái)支點(diǎn)和內(nèi)墻掛架的布置。

2)核心筒內(nèi)、外墻體收縮大，隨結(jié)構(gòu)高度的上升，外墻厚由1 500mm變?yōu)?00mm，內(nèi)墻厚由400mm變?yōu)?00mm，同時(shí)還伴隨北側(cè)墻體內(nèi)收1.7m，南側(cè)墻體內(nèi)收2.25m，增加了集成平臺(tái)的設(shè)計(jì)難度。

3)核心筒鋼骨柱數(shù)量多，排布密集；核心筒內(nèi)鋼骨起始于L1層，其中L1，L11層有56根鋼骨柱，L2～L10，L12～L17層有55根鋼骨柱，L18～L19層減少為17根鋼骨柱，L20～L23層減少為2根，L24～L28層減少為1根。

5 輕量化集成平臺(tái)設(shè)計(jì)

武漢長(zhǎng)江中心一期工程輕量化支點(diǎn)智能頂模集成平臺(tái)由支撐與頂升系統(tǒng)、鋼平臺(tái)系統(tǒng)、掛架系統(tǒng)、模板系統(tǒng)及附屬設(shè)施等組成(見圖2)。集成平臺(tái)平面約為35m×30m，立面高23m，覆蓋3.5個(gè)結(jié)構(gòu)層(包括鋼筋綁扎層、混凝土澆筑層、混凝土養(yǎng)護(hù)層)施工。平臺(tái)共設(shè)置12個(gè)輕型支點(diǎn)，每個(gè)支點(diǎn)由可周轉(zhuǎn)附墻支座、油缸支架、液壓油缸、上立柱等組成。支點(diǎn)支撐在墻體一側(cè)的附墻支座上，平臺(tái)荷載通過上立柱、油缸支撐架及頂升油缸傳遞至附墻支座，最后傳至結(jié)構(gòu)墻體。頂部平臺(tái)一體化集成包括控制室、布料機(jī)等設(shè)施(焊接設(shè)備、施工機(jī)具、材料堆場(chǎng)、消防系統(tǒng)、移動(dòng)廁所)。核心筒施工期間，采用1臺(tái)ZSL1250型及1臺(tái)ZSL750型內(nèi)爬塔式起重機(jī)作為垂直運(yùn)輸設(shè)備，同時(shí)核心筒內(nèi)部布置1臺(tái)雙籠SC200/200電梯作為上人電梯，施工人員通過該電梯可直接進(jìn)入頂模頂部鋼平臺(tái)。

圖2 輕量化集成平臺(tái)立面

5.1 支撐與頂升系統(tǒng)

武漢長(zhǎng)江中心項(xiàng)目塔樓核心筒被內(nèi)墻分為9個(gè)筒體，根據(jù)內(nèi)墻變動(dòng)方向大致選擇支點(diǎn)布置位置，然后采用MIDAS Gen對(duì)頂模平臺(tái)進(jìn)行有限元分析及設(shè)計(jì)驗(yàn)算，以確定具體支點(diǎn)數(shù)量及位置。模型建立時(shí)，鋼框架系統(tǒng)、格構(gòu)柱式支撐立柱、支撐架、液壓油缸及吊掛托盤系統(tǒng)由梁?jiǎn)卧M成；掛架、模板、布料機(jī)及附屬設(shè)置等系統(tǒng)則采用荷載形式施加在鋼框架系統(tǒng)中。

計(jì)算工況包括施工、頂升及停工3種工況。荷載類型包括恒荷載和活荷載，恒荷載即結(jié)構(gòu)自重，包括支撐系統(tǒng)、油缸、立柱、鋼平臺(tái)自重(考慮節(jié)點(diǎn)附加重量，自重系數(shù)取1.2)；活荷載包括平臺(tái)堆載、掛架施工荷載、平臺(tái)施工荷載和風(fēng)荷載。通過計(jì)算，最終確定12個(gè)支點(diǎn)滿足集成平臺(tái)3種工況的荷載，支點(diǎn)平面布置如圖3所示。

圖3 輕量化支點(diǎn)平面布置

為解決輕量化問題，支點(diǎn)方面，本設(shè)計(jì)采用最新點(diǎn)式勾爪形式替代凸點(diǎn)形式，極大地減輕了支點(diǎn)結(jié)構(gòu)自重和支點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；立柱方面，采用分布分幅設(shè)計(jì)，利用小油缸和立柱上短間距承力棒有序布置，實(shí)現(xiàn)短進(jìn)程循環(huán)頂升。

支點(diǎn)布置選擇上，優(yōu)先選擇墻面不變化的部位，避免空中支點(diǎn)轉(zhuǎn)化問題。對(duì)于無法避開墻面變化的地方，采用加厚支點(diǎn)的形式，通過墊高支點(diǎn)來彌補(bǔ)墻面內(nèi)收。對(duì)于部分強(qiáng)度不夠的墻體進(jìn)行加固，增加配筋，提升墻體承載力。

考慮到頂升立柱過長(zhǎng)難以周轉(zhuǎn)，將頂升立柱分為頂部托梁、支撐立柱接長(zhǎng)節(jié)、導(dǎo)軌立柱、附墻支座、液壓油缸及爬升框等部位，各部位通過法蘭盤及插銷連接。

頂升立柱高約20m，設(shè)計(jì)頂升力1 500kN，設(shè)計(jì)回收力500kN，附托在墻面掛爪上，最大行程1.6m。為保證支撐系統(tǒng)與墻體連接的可靠性和安全性，對(duì)支撐系統(tǒng)進(jìn)行限側(cè)導(dǎo)向功能和防墜功能設(shè)計(jì)。在附墻支座上設(shè)置限側(cè)導(dǎo)向輪，在立柱上設(shè)置T形導(dǎo)軌槽，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)導(dǎo)向輪套在T形槽內(nèi)，確保頂升過程中立柱不發(fā)生較大位移；支撐系統(tǒng)的防墜功能主要通過在支撐立柱上布置承力棒實(shí)現(xiàn)，頂升過程中若出現(xiàn)異常，可在1個(gè)步距內(nèi)將架體落位，進(jìn)行檢修。

液壓頂升系統(tǒng)按整體控制、單獨(dú)運(yùn)行的原則，采用12只頂升主液壓缸單獨(dú)控制12根頂升立柱。電氣系統(tǒng)采用12組負(fù)責(zé)主頂升缸的液壓站，由PLC控制中心及各類壓力傳感器、位移編碼器等組成一個(gè)完善的智能化控制系統(tǒng)。主頂升缸主要參數(shù)為：油缸最大頂升力1 500kN，頂升速度150mm/min，液壓系統(tǒng)額定工作壓力21MPa，油缸內(nèi)徑280mm，活塞桿直徑200mm，頂升有效行程1 600mm。

5.2 鋼平臺(tái)系統(tǒng)

以往造樓機(jī)平臺(tái)為整體焊接而成，周轉(zhuǎn)率低，新型造樓機(jī)對(duì)平臺(tái)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。平臺(tái)系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件拼接形成，貝雷片選用市面上常見的200型標(biāo)準(zhǔn)貝雷片、200型非標(biāo)準(zhǔn)片(長(zhǎng) 1 542mm)， 同時(shí)設(shè)計(jì)適應(yīng)貝雷片結(jié)構(gòu)形式的節(jié)點(diǎn)連接件和標(biāo)準(zhǔn)化上、下鋪板。

布置貝雷片時(shí)，將主桁架與次桁架通過十字連接件、一字連接件及柱頭等連接成一個(gè)整體平臺(tái)，平臺(tái)上鋪設(shè)花紋鋼板。鋼平臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)由4道貝雷片并列連接成1個(gè)單元(稱為1榀貝雷架)，頂升立柱上方布置柱頭連接件，柱頭連接件間通過各榀貝雷架采用銷軸進(jìn)行連接。根據(jù)頂模系統(tǒng)支點(diǎn)位置，鋼平臺(tái)系統(tǒng)由東西向4根主梁、南北向2根主梁組成整個(gè)鋼平臺(tái)框架體系；其余位置根據(jù)鋼平臺(tái)走道板及掛架布置在主梁間安裝次梁，次梁由單根貝雷片通過連接件與主梁連接。由于核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)有勁性柱，布置主梁時(shí)，其平面位置應(yīng)盡量避免與勁性結(jié)構(gòu)沖突，不能避讓的位置，通過調(diào)整勁性鋼柱分段解決。布置次梁時(shí)，要根據(jù)上、下鋪板進(jìn)行適當(dāng)增減，確保鋪板懸挑距離不會(huì)過長(zhǎng)。

鋼平臺(tái)頂部主要作為核心筒施工的材料堆場(chǎng)及施工平臺(tái)使用，施工過程中根據(jù)不同結(jié)構(gòu)承載力將平臺(tái)劃分為重載區(qū)、輕載區(qū)及非載區(qū)，貝雷架內(nèi)部可布設(shè)頂升控制室、液壓泵站、臨水臨電設(shè)施和工具存放處，平臺(tái)底部作為掛架及模板掛設(shè)的承力吊點(diǎn)。

上鋪板使用3mm厚花紋鋼板冷彎制成，設(shè)計(jì)時(shí)考慮可周轉(zhuǎn)性，本項(xiàng)目采用500～3 500mm長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)尺寸，寬度均設(shè)計(jì)為250mm。鋪板鋪設(shè)在貝雷片上弦處，通過螺栓進(jìn)行連接。布置上鋪板時(shí)，墻體上方需為鋼骨柱留出空間，同時(shí)方便支模澆筑。吊裝口位置不設(shè)鋪板，以便材料垂直運(yùn)輸。為滿足更多設(shè)施的布置，在貝雷片下弦鋪設(shè)下鋪板。頂升控制室、液壓泵站、臨水臨電等放置在下鋪板上，為鋼平臺(tái)上方堆場(chǎng)預(yù)留出足夠空間，以便放置更多材料進(jìn)行緩沖，有效提升空間利用率。鋼平臺(tái)系統(tǒng)上、下平臺(tái)功能布置如圖4,5所示。

圖4 上平臺(tái)功能布置

5.3 掛架系統(tǒng)

掛架系統(tǒng)由工字鋼梁、掛架吊點(diǎn)、立桿、橫桿、走道板和翻板組成，主要為施工過程提供作業(yè)面，同時(shí)作為人員上下通道。掛架系統(tǒng)不作為頂模結(jié)構(gòu)的主承力體系。掛架覆蓋3.5個(gè)施工層，從上至下分別為鋼筋綁扎層、混凝土澆筑層、混凝土養(yǎng)護(hù)層。每個(gè)分層跨度4.4m，對(duì)應(yīng)塔樓標(biāo)準(zhǔn)層高。本工程整個(gè)掛架系統(tǒng)共7層，層高為2.2m，分為外掛架及內(nèi)筒掛架。掛架立桿通過滑動(dòng)連接件、固定連接件與上方軌道梁相連，內(nèi)、外側(cè)立桿間通過螺栓連接掛架橫桿和走道板?？紤]到墻體外部尺寸變化較大，外部掛架采用可滑動(dòng)連接件進(jìn)行連接，當(dāng)墻體內(nèi)收時(shí)掛架可沿墻體收縮方向滑動(dòng)，縮短掛架與墻體間的距離，提升施工便捷性和安全性；內(nèi)掛架大部分采用固定連接件進(jìn)行連接，增強(qiáng)施工時(shí)掛架的穩(wěn)定性。滑動(dòng)連接件與固定連接件連接在軌道梁上，軌道梁再采用4種形式的吊點(diǎn)夾具與上方貝雷架連接，形成一個(gè)整體?？紤]到操作面較小，采用600～800mm活動(dòng)翻板以拓展操作面空間，同時(shí)翻板也起到防止物品墜落的作用，保障施工安全。

5.4 模板系統(tǒng)及附屬設(shè)施

模板系統(tǒng)包括滑梁、電動(dòng)葫蘆、鋼絲繩、鋁模板、背楞、對(duì)拉螺栓等構(gòu)件?；翰贾迷谪惱准芟孪?，電動(dòng)葫蘆布置在滑梁上，可在滑梁上前后移動(dòng)，鋁模板通過鋼絲繩整體吊掛在電動(dòng)葫蘆上；脫模時(shí)，控制電動(dòng)葫蘆收縮，快速將模板整體與墻面脫離；頂升時(shí)，鋁模板可隨鋼平臺(tái)整體提升而上升，節(jié)省人力、時(shí)間。

塔樓結(jié)構(gòu)施工主要采用鋁合金模板，分整體吊掛隨頂模同步頂升、現(xiàn)場(chǎng)拼裝隨結(jié)構(gòu)施工往上周轉(zhuǎn)2種形式。樓層層高主要有4.4，4.5，5m 3種，4.4m為普遍層高，5m僅為避難層層高，考慮到鋁模板配置應(yīng)適應(yīng)樓層高度，外掛鋁模板統(tǒng)一按4.6m高度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置。模板標(biāo)準(zhǔn)墻板寬400mm，為減小螺栓間距，本項(xiàng)目主要使用300mm寬模板。墻板與樓面采用C槽銷釘連接，墻板通過背楞和對(duì)拉螺栓進(jìn)行加固，對(duì)拉螺栓水平間距最大為600mm，豎直方向距離為250～600mm。本工程內(nèi)墻面設(shè)置7道背楞，外墻面設(shè)置8道背楞。

集成平臺(tái)附屬設(shè)施包括頂升控制室、布料機(jī)、焊機(jī)房、噴淋消防系統(tǒng)、臨電、移動(dòng)廁所等。頂升控制室位于集成平臺(tái)中部上、下鋪板間，確保與各頂升立柱距離最小，室內(nèi)放置液壓控制臺(tái)和頂模集成平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；2臺(tái)19m臂長(zhǎng)布料機(jī)分別放置在東北、西南側(cè)，確保對(duì)核心筒結(jié)構(gòu)澆筑實(shí)現(xiàn)全覆蓋；噴淋消防系統(tǒng)既能滿足防火要求，又能應(yīng)對(duì)高溫天氣；臨電設(shè)施包括掛架燈帶、頂升立柱燈帶及其他用電設(shè)施電纜線。

6 結(jié)語

輕量化集成平臺(tái)從支點(diǎn)輕量化、構(gòu)件通用化、操作便捷化、控制智能化、空間舒適化5個(gè)方面對(duì)以往空中造樓機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，成本方面做減法，智能化方面做加法，提高經(jīng)濟(jì)性、通用性、可周轉(zhuǎn)性，使其更加適應(yīng)國(guó)家和建筑行業(yè)發(fā)展方向。同時(shí)，輕量化集成平臺(tái)也可為施工行業(yè)中更多的智能裝備提供平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上孕育出新智能化輔助作業(yè)設(shè)施，如智能移動(dòng)式布料機(jī)、搬運(yùn)機(jī)器人、智能測(cè)量機(jī)器人等，提升工地智慧化程度，為建筑工業(yè)化添磚加瓦。