超高层建筑核心筒结构施工中的筒架支撑式液压爬升整体钢平台模架技术*

2014-09-20朱毅敏

建筑施工 2014年1期

龚剑朱毅敏徐磊

1.上海建工集团股份有限公司上海 200080； 2. 上海建工一建集团有限公司上海 200120

0 引言

随着社会经济技术的高速发展，我国的建筑业也进入了前所未有的快速发展时期，尤其是20世纪90年代以来，超高构筑物、超高层公共建筑不断涌现，相继建成了东方明珠广播电视塔、金茂大厦、上海环球金融中心等，其施工技术也在不断改革。目前，超高层公共建筑中广泛采用的结构型式是框架—核心筒体系[1,2]，是影响建筑结构工期、施工安全性的重要因素，而模架施工技术又是高层建筑核心筒施工的关键技术。以往的工程实践常用的模架体系有大模板体系、滑模体系和爬模体系等[3,4]，但大模板体系不能自主爬升，无法适应快速施工要求；滑模体系又因对结构平面布置和截面厚度有一定要求，且其混凝土边浇捣、模板边提升的工艺决定了混凝土施工无法达到高质量要求，这两类体系现已很少采用。目前常用的是液压爬模体系，但其爬架体系也不能承受较大的负荷，导致在其上不能堆放钢筋、设备等荷载，影响正常施工，并且因其架体采用分片式设计，封闭性不强，高空安全性欠佳。上海建工集团根据多年的施工实践经验，自主创新，在上海东方明珠广播电视塔塔身施工中开发了内筒外架式整体钢平台模架体系[5]，取得了良好的效果。随后在金茂大厦核心筒施工中又衍生出格构柱支撑式整体钢平台模架体系[6]，并在上海环球金融中心[7]、广州新电视塔、南京紫峰大厦等工程中得到广泛应用。这两种钢平台模架体系具有施工速度快、安全性能高等优点，但因其均采用升板机作为提升动力，自动化程度不高、环保节能效果不明显，并且对复杂结构核心筒施工的针对性不强，桁架层施工、墙体收分施工等的工艺也较为繁琐。要解决超高和复杂的多筒式、体型多变的钢骨混凝土核心筒施工难题，有必要研制出一种新型模架体系。

1 应用工程概况

上海中心大厦为钢筋混凝土与钢结构组成的混合结构体系，主要由核心简、巨型柱、楼面桁架、带状桁架、伸臂桁架以及楼层系统构成。核心筒位于整个结构的中心位置，沿立面共分为9 个区域，总高约580 m，共124 层。核心筒墙体共有5 次厚度收分，其翼墙的厚度从90 cm变化至50 cm、腹墙的厚度从120 cm变化至50 cm。核心筒平面在1～51层呈正方形九宫格筒体状，自52层开始，4 个角部的墙体开始向内收缩，至84层时，原有的九宫格筒体变为十字形五宫格筒体（图1）。在核心筒墙体角部和交叉点位置上埋设有劲性钢柱，11层及以下的核心筒墙体内暗埋厚钢板形成钢板剪力墙，设备避难层的核心筒墙体内暗埋8 道钢桁架，钢桁架与巨型柱贯通连接，形成巨型框架体系，其结构体系示意（图2）。

2 工程特点及难点

（a）本工程为总高达632 m的超高层结构，工序穿插、上下立体作业较多。为保证立体交叉施工的安全，并减轻工人在超高空作业时的恐惧心理，脚手模板体系需较好解决其封闭性问题。

（b）核心筒为580 m高度的超高劲性混凝土结构，且平面形态经数次变化由九宫格状逐步变化为五宫格状，脚手模板体系的空中变形将面临较多困难。

（c）施工中有较重的钢筋等施工材料、专用施工机械，故脚手模板体系不仅要满足操作平台的功能要求，还要能够提供较大的堆载承载力。

（d）核心筒自下而上设置了多达6 道伸臂桁架、楼面桁架，脚手模板体系在设计中必须考虑避让钢桁架，确保钢结构吊装和脚手模板系统的顺利爬升。

（e）由于核心筒墙体厚度随高度逐步收分，要求脚手模板体系在高空能进行相应的平面移动，以适应墙体收分的需要。

（f）本工程结构复杂、施工工期短、安全性要求高，对脚手模板体系的适应性、高空安全性也提出了极高要求。

图1 上海中心大厦核心筒平面变化示意

图2 结构体系立面变化示意

3 总体方案选择

针对上述难点，我们通过综合分析，决定核心筒1～13层采用常规方法施工， 14～125层的施工采用我集团自行研制的具有自主知识产权的筒架支撑式动力内置整体顶升钢平台脚手模板体系，该模架体系具有以下特点：

（a）模架的设计遵循了体系采用单元式设计、整体式组装的理念，各单元之间具有相对独立性，便于高空拆分施工。

（b）整个模架体系集钢筋混凝土结构施工操作平台、材料设备堆放场所等多功能于—体，能够满足施工全过程各工况的施工需要。

（c）整体钢平台上部设有侧向安全围栏，外侧的整体悬挂脚手架由侧向围栏、底部可移动的闸板进行封闭，在超高空的复杂环境形成了整体全封闭空间，使施工作业的高空安全性有了足够的保证。

（d）模架体系采用双层跳模的设计方法，核心筒内伸臂桁架可在构架平台下方进行安装，采用这种方法可解决构架平台向上通过伸臂桁架层时的施工难题，并可加快伸臂桁架层的施工速度。

（e）设计制作出合符施工电梯标准节的自动扶墙装置，施工电梯可直达钢平台顶部，便于人员通行和材料、机具运输。

（f）钢平台设计中考虑了较大的承载力，能满足堆放1层钢筋的承载力要求，在钢平台顶部还布置2 台臂长28 m的液压布料机，实现了混凝土浇筑的机械化施工，加快了施工速度，保证了施工质量。

4 整体钢平台脚手模板体系设计

整体钢平台体系共分为9大筒架单元，平面和立面的布置示意见图3。中间筒架悬挂于周边4 个筒架的悬挑钢梁之上，自身不带动力系统，随其它筒架的同步顶升而逐层爬升，在本筒架布置的施工电梯直达钢平台顶部，通过为本工程研制的施工电梯标准节的自动扶墙装置与筒架相连。其余8 个筒架单元为支撑式筒架，均具有钢平台、脚手架、支撑、动力和大模板5大系统。

图3 钢平台平、立面布置

4.1 钢平台系统

钢平台位于核心筒施工作业面的顶部，作为施工人员的操作平台，及钢筋、施工设备的堆放场所。钢平台由纵横向结构梁、悬挑梁、连系梁、平台板、围护外围栏等构成。钢平台的主要受力钢梁及连梁均采用HN500 mm×200 mm热轧H型钢制作。连系梁与两侧受力梁采用螺栓连接的方式，以便吊装墙体内预埋钢结构件时的多次拆除、安装。在钢平台上覆盖钢板作为操作平台，平台钢板由厚5 mm花纹钢板及角钢焊接组成。未铺设平台板的区域用格栅板覆盖，在施工需要时可将该格栅板翻起，以便施工。在钢平台外缘周边设置有高2 m的侧向彩钢板作挡板，以防止人、物等高空坠落。钢平台上布置2 台臂长28 m的液压布料机，用于核心筒混凝土浇筑施工。整体钢平台初始面积约为1 100 m2。

4.2 脚手架系统

4.2.1 悬挂脚手架

悬挂脚手架由吊架、上部走道板、底部走道板、底部防坠闸板、侧向围栏5 部分组成。悬挂脚手架系统的吊架立杆用螺栓连接固定于钢平台的钢梁底部，随钢平台同步爬升。悬挂脚手架共分6 步，其中1～4 步的步高为2.1 m，第5步的步高为2.16 m，第6步的步高为1.90 m，脚手架宽度为0.90 m。悬挂脚手架由8#槽钢、Φ48 mm脚手钢管组成竖向吊架，上面5 步的走道板由角钢框架、钢板网组成，底层的走道板由角钢框架、花纹钢板组成。部分走道板设计成可翻转式，用来确保钢平台体系在使用和爬升过程中避开外伸钢结构，同时保证了架体的通行顺畅。悬挂脚手架的外侧防护为彩钢板组成的侧挡板封闭。悬挂脚手架底部设置防坠闸板，采用厚4 mm的花纹钢板制作而成，钢平台体系爬升期间防坠闸板松开，距离墙面3 cm，钢平台体系爬升到位后防坠闸板关闭，可防止物体坠落，以满足立体交叉作业施工的防护需要。在外挂脚手下端每一面墙体方向设置6 个防倾滚轮，以保证钢平台体系爬升时的侧向稳定性。

悬挂脚手架的吊架与钢平台钢梁的连接节点专门进行了设计，实现整体悬挂脚手架的整体移动，解决了结构墙体厚度收分问题。为实现悬挂脚手架的整体平移，我们还在悬挂脚手架的吊架顶部设置了滚轮，在钢平台底部设置移动导轨，并在外挂脚手顶部安装滑移油缸，一端固定于钢平台的钢梁上，使滑轮能够在导轨钢梁上进行移动，从而带动脚手架体系能侧向移动。

4.2.2 内部脚手架

内部脚手架由安装在核心筒内的筒架组成，包括1 个中间筒架和8 个边筒架，其中边筒架安装设置有顶升油缸及支撑牛腿，具有自爬升功能。每个边筒架分为内构架及外构架2部分，外构架从顶部钢平台梁底到最底层钢梁共分为7 层，其中1～6层为钢筋及模板施工段；7层为外构架支撑系统所在的爬升操作层。1～4层的层高均为2 100 mm，5层的层高为2 160 mm，6层的层高为1 900 mm，7层的层高为5 800 mm。其内构架即为动力系统和内构架支撑系统所在层，通过液压缸筒与筒架4 层刚性圈梁层连接。中间筒架共分6 层，各层层高与边筒支架1～6层相同，靠墙的内侧吊杆规格为Φ60 mm×3.5 mm，靠网的外侧吊杆规格为6#槽钢，每一层面位置用6#槽钢将内外吊杆连接起来形成一片吊架，吊架与吊架之间用平台板连接。

施工电梯位于中间筒位置，采用自行研发的施工电梯附墙安装并与中筒支架连接，见图4示意。自行附墙装置由单片导轨架、附墙、电气等部分组成，有独立的驱动装置，通过驱动装置上的小齿轮与齿条啮合来实现附墙架的上下运动。导轨通过导轨架固定在钢平台上，可移动附墙架与导轨之间则通过双向12 组滚轮组联系，以保证附墙架与导轨之间不产生水平相对位移。另外，在第6层布置4 根H300 mm×150 mm的钢梁，在梁上设置附墙滚轮，使其顶紧墙面，将施工电梯使用过程中产生的动力效应传到核心筒结构上。

4.3 支撑系统

支撑系统是整体钢平台体系传递荷载、实现爬升的承重系统，由外构架支撑系统和内构架支撑系统2部分组成。内构架支撑系统位于边筒架底部上方，由内架牛腿制动装置、承重钢梁组成，内构架为8 根HN600 mm×200 mm型钢组成的框架，作为顶升油缸的底部支承。外构架支撑位于边筒架的最底层，由外架牛腿制动装置、承重钢梁组成，外构架钢梁亦为8 根HN800 mm×300 mm焊接组成。

在施工工况下，外构架牛腿作为搁置钢平台的承重构件，钢平台、脚手架的荷载由筒架传递到外构架支撑，再由安装在外构架支撑上的支撑牛腿传递到核心筒混凝土墙体上。爬升工况下，内构架牛腿作为钢平台的承重结构，将顶升油缸传递来的所有荷载通过内构架牛腿传递到核心筒，带动外构架爬升。通过内外构架牛腿的相互交替受力，完成整个钢平台体系的工况转换。

支撑牛腿除要求有足够的承载能力以外，还需在钢平台体系的爬升过程中可靠地完成伸缩，以达到使内外架交替支承钢平台的目的。本工程墙体厚度变化次数较多，墙体厚度变化量大，因此还要求牛腿要有足够的长度并能灵活地调整外伸长度。钢平台体系钢牛腿主要使用液压系统完成牛腿外伸与收缩动作，油缸行程430 mm，能快速完成牛腿动作的伸缩。

4.4 动力系统

动力系统由1 套集中控制系统、8 台液压泵站和液压油缸组成，其中每台液压泵站带动4～5 个液压顶升油缸。液压油缸是整体钢平台体系的顶升动力设备，固定端在内构架层的底部，液压油缸的活塞杆头部均设计有万向球头，以减少油缸的侧向力，有效地保护了油缸，提高了整个系统的安全性和可靠性。液压油缸主要技术参数为：额定工作荷载：450 kN；油缸最大行程：320 cm。

根据整个体系的载荷分布情况及其结构特点，平台的动力系统采用PLC控制系统来实现同步控制。由PLC控制系统进行测量、传输、设定、控制，实现系统各部分的协调动作，保证油缸顶升的同步性。PLC系统基于PID（自动控制）理论进行闭环控制，即将顶升作用点的液压力、位移转换成数字信号作为受控参数，当某一控制信号有超值的可能时，控制器发出信号让该点的二位二通电磁阀工作，关闭液压油路，从而限制该点的液压油缸工作；同样，当信号反馈表明该点有所滞后时，控制器发出信号让该点的二位二通电磁阀工作，开启液压油路，让该点的液压油缸加快上升或者下降。通过各受控点间的精确控制，使整个系统达到同步控制的要求。

4.5 大模板系统

大模板系统为钢框木模，由木面板、竖肋、横向围檩3部分组成。面板采用厚21 mm的维萨芬兰板制作；双拼10#槽钢作为横向围檩，平均间距为70 cm；由6#槽钢制作的竖肋间距不大于25 cm。模板边缘接缝处采用角钢收头，芬兰板与型钢的连接为十字槽沉头平螺钉拼接，螺钉间距15 cm。对拉螺杆为Φ16 mm高强螺杆，间距不大于105 cm。在核心筒墙面不同部位设置有收分模板，当核心筒墙体发生收分时，将收分模板进行置换，来满足墙体收分的要求。大模板按标准层高4.5 m设计，在非标准层，采用大模板接模的方式施工。

5 整体钢平台脚手模板体系的施工方法

5.1 体系的制作与安装

5.1.1 整体钢平台体系制作

基于模块化设计、构件化加工的设计理念，整体钢平台体系的所有结构构件均在加工厂生产制作，加工完成后进行预拼装，然后在施工现场进行整体安装。

5.1.2 整体钢平台体系安装

根据施工安排，首先采用常规施工方式进行1～13层的施工，在13层施工完成后将平台构件运输至现场后，在地面进行各单元的拼装。首先安装大模板系统，并在核心筒墙体上临时固定，再吊装外构架支撑系统及底层支撑钢柱，随后吊装内构架支撑系统。在吊装筒架第5步和第6步的立柱、水平梁、踏步板和内侧网后，安装液压油缸，上下端分别与筒架、内构架连接。接着吊装筒架上部第4至第1步的钢柱、脚手、侧网，完成筒架体的安装。最后吊装钢平台单元，并连成整体。最后分段吊装悬挂脚手架。完成整体钢平台体系的安装，验收合格后投入使用（图5）。

图4 施工电梯自行附墙装置

图5 施工中的上海中心大厦钢平台模架体系

5.2 标准段施工方法

核心筒标准层施工时，每浇捣1 次混凝土，整体钢平台系统爬升1层。整体钢平台系统在施工期间，钢平台上部作为核心筒钢筋临时堆场，并在脚手架上完成钢筋绑扎、模板爬升工作。待钢筋工程和模板工程结束后，在钢平台上利用液压布料机进行混凝土浇捣施工。由于本工程标准层层高为4.50 m，而液压油缸最大工作行程为275 cm，所以每层整体钢平台爬升须分2阶段进行。其施工流程如下：

（a）整体钢平台体系在初始状态时，钢平台位于刚浇筑完成的核心筒混凝土顶面以上1层高度，此时混凝土处于养护阶段，正准备绑扎核心筒上层钢筋。

（b）在钢平台和脚手架上绑扎钢筋；拆除大模板，并将大模板固定于脚手架系统上，利用小油缸回缩将外架支撑牛腿退出（离开）墙面一定距离，整体钢平台准备爬升。

（c）以核心筒墙体上的内架支撑系统为支承，启动液压油缸，顶升整体钢平台1/2 层距离，大模板随钢平台同步爬升，到位后顶升小油缸将外构架支撑搁置在核心筒上，进行受力转换。

（d）液压油缸回提，带动内构架同步爬升1/2 层，利用小油缸的顶升完成内架系统在核心筒上的支承，进行内外构架的受力转换。

（e）采用同样方法完成整体钢平台第2次1/2 层的爬升。

（f）大模板安装，紧固对拉螺栓，进行工程验收。利用设置在钢平台顶部的液压混凝土布料机进行混凝土浇筑。

（g）混凝土进行养护，将上层核心筒钢筋吊至钢平台顶面，准备绑扎钢筋。

（h）进入下一个标准段楼层施工循环。

5.3 桁架层施工方法

由于本工程核心筒结构在墙体内设置了多道劲性桁架，且桁架的上下弦跨3 个楼层，因此在桁架层施工中整体钢平台模架需采用跳爬式施工方法。具体施工方法如下：

（a）桁架下弦层层高为5.5 m，因此钢平台爬升以往2 个1/2 层的方式已不能满足施工要求，因此只能先爬升1/2 层。钢平台爬升过程中，大模板保留在墙体上，不随整体钢平台爬升。

（b）吊装桁架层下弦钢结构，经焊接后，完成下弦整体钢结构安装。

（c）绑扎下弦层钢筋。拆除大模板，通过人工方式爬升大模板，进行模板安装，验收合格后，利用布置在钢平台上的液压混凝土布料机浇筑下弦层混凝土，并进行养护。

（d）采用与标准段爬升相同的方式，钢平台连续爬升2 个1/2 层，将整体钢平台外架系统支承于核心筒上。

（e）拆除大模板，并通过人工方式爬升1 层高度，将大模板固定在核心筒墙体上。

（f）整体钢平台再连续爬升2 个1/2 层，此时，整体钢平台体系支承于核心筒之上。

（g）吊装桁架层的腹杆、上弦杆，进行钢结构焊接，完成钢桁架的安装。

（h）连续施工桁架层所在的2层土建工程：钢筋绑扎、模板安装、浇筑混凝土，钢平台准备爬升。

（i）整体钢平台接着完成2 个1/2 层的爬升行程，进入非桁架层施工。

5.4 核心筒角部墙体收分施工方法

因核心筒在52层、69层、83层存在角部收分问题，各系统的收分遂调整为：

（a）拆除悬挂脚手架、筒架的收分部位，同时对收进后的空缺部位进行补缺，使悬挂脚手架与筒架仍连成整体。

（b）拆除4 个角部收分位置钢梁，增补相应数量钢梁以满足结构体系受力要求，对钢平台外侧网沿钢平台边缘作补缺处理。

（c）核心筒4 个角部的支撑牛腿移至收分部位，在支撑系统完成受力转换后，收分处内、外构架支撑作拆除调整。

（d）在满足顶升的承载要求的基础上，逐步减少一定数量的液压油缸。

5.5 整体钢平台体系拆除施工

核心筒至125层施工完成后须进行钢平台的拆除。首先，拆除控制室及液压油缸的相关电缆、油路管线，做好拆除准备。在钢平台、内外脚手架进行全面清理后，利用塔吊从钢平台连梁间吊走所有大模板，防止拆除期间物体坠落。随后，用塔吊吊住外侧悬挂脚手架，沿根部割除悬挑钢平台的连接，将悬挑脚手架分块吊至地面。拆除钢平台顶面的格栅板、钢盖板后，将钢平台划成若干分块，利用塔吊逐块拆除。中间筒架一次调运拆除，其余筒架分步拆除：首先拆除筒架第1至第4步，再在拆除液压油缸后拆除筒架第5、6步，随后依次拆除内构架、外构架，直至完成整体钢平台体系的拆除。

6 安全技术措施

6.1 一般技术措施

如遇6级以上大风、大雪、大雾、大雨等恶劣天气时，禁止钢平台爬升施工。当风力为8级以上时，禁止在钢平台上施工作业。整体钢平台体系在正常使用时，悬挂脚手架底部需通过扣件连接短管，另一端与混凝土墙面顶紧，以减少风荷载对悬挂脚手架的影响。如遇12级以上大风，需采取特殊加强措施，增加悬挂脚手架内侧立杆与墙面的硬拉结数量，并在门洞处增加内、外脚手间拉结，使整体钢平台体系与核心筒结构连成整体，共同抵抗风荷载。