钢柱筒架交替支撑式液压爬升整体钢平台模架技术*

龚 剑 佘逊克 黄玉林

1.上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2.同济大学 上海 200092； 3. 上海建工一建集团有限公司 上海 200120

0 引言

从上个世纪90年代开始，我国的超高层建筑数量开始不断增加，对超高层结构的施工要求也越来越高。超高层建筑常采用筒体结构形式，包括框架—核心筒结构、筒中筒结构等，其中混凝土核心筒的施工是超高层建筑建造中的关键技术难题[1,2]。由我公司自主研发的整体爬升钢平台模板装备，在此类高大竖向混凝土结构施工中具有安全性高、施工工期短、经济效益显著的优势。在经历了东方明珠电视塔、金茂大厦、环球金融中心、广州新电视塔等大型工程的使用后，整体爬升钢平台模板装备施工技术已日趋成熟。

在金茂大厦等工程的施工中，使用了一种钢柱支撑式整体爬升钢平台模板装备，这种装备利用埋入混凝土核心筒的钢柱作为支撑系统，具有施工周期短、安全可靠、施工质量容易控制等优点[3]。但实践发现，随着高度的增加，施工时埋设在核心筒混凝土内的钢柱用材较多，浪费严重，经济优势不明显。针对这种情况，我公司最新研发出一套钢柱筒架交替支撑式液压爬升整体钢平台模板装备，利用可以重复使用的工具式钢柱作为爬升阶段的支撑系统，可以解决用材浪费的问题。这套模板装备目前正应用于上海北外滩白玉兰广场项目办公楼的建造中，收到了良好的效果。本文将详细介绍这套模板装备的组成、设计以及成套施工技术。

1 工程概况

上海北外滩白玉兰广场项目地处虹口区北外滩沿黄浦江地区，工程总用地面积约30 000 m2，总建筑面积约41 万m2，包括1 座高320 m的办公塔楼（图1），1 座高171.7 m的酒店塔楼和1 座高57.2 m的展馆（白玉兰馆）。办公楼地下4 层、地上66 层，为框架—核心筒结构，主要由钢筋混凝土核心筒、外围钢框架、伸臂桁架和楼层系统构成。

图1 上海北外滩白玉兰广场效果图

核心筒位于整个结构的中心位置，高311 m。核心筒5～10层平面布置如图2所示。随着高度的增加，腹墙厚度400 mm不变，翼墙地上部分最大厚度为1 300 mm，分别在10层、17层、28层、39层4 个位置向内收分，经历1 150 mm→1 000 mm→800 mm，到达顶部的最小厚度为600 mm。为了满足结构抗侧向力的需求，使核心筒结构与外围钢结构具有强有力的连接，核心筒在34～36层、65～66层设置了2 道伸臂桁架层。

2 工程特点与难点

（a）核心筒结构超高。这对脚手模板体系的选型、垂直运输能力、操作平台的封闭性都提出了很高的要求。

（b）核心筒外墙随着高度的增加需进行4 次收分，故需要对外挂脚手架进行专门的设计，以适应墙体收分的需要。

（c）核心筒与外围钢结构间设置了2 道伸臂桁架层，这给脚手模板体系的提升带来了很大的困难。

（d）核心筒结构只有4 个角部设置了劲性柱，所以脚手模板体系无法利用既有的结构柱进行整体爬升。

3 整体爬升钢平台模板装备的设计

根据本工程的特点与难点，我公司最新研发了1 套具有自主知识产权的钢柱筒架交替支撑式整体爬升钢平台模板装备。该模板装备由五大系统组成，分别是钢平台系统、外挂脚手架系统、模板系统、支撑系统和动力系统，模板装备的外观。

3.1 钢平台系统设计

钢平台系统在正常施工时处于整个体系的顶部，作为施工人员的操作平台及钢筋堆放场所，系统由平台钢梁、平台盖板、平台围挡等构成。平台钢梁由Q345型钢H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm组成，根据钢柱立柱位置、内外脚手架位置、钢平台的整体受力情况等因素布置其位置。平台盖板作为操作平台，由厚6 mm花纹钢板及40 mm×60 mm方管焊接而成，部分位置可采用可翻起式钢板，在施工需要时可将该位置平台盖板翻起，方便材料与施工器械的运输。平台围挡是在钢平台的外周边一圈设置的高2 m的挡板网，以防人、物等高空坠落。整个钢平台外边缘距离核心筒剪力墙内壁1 400 mm，钢平台面积约为720 m2。钢平台平面布置如图3所示。

图2 核心筒5～10层平面

图3 钢平台平面布置

3.2 外挂脚手架系统设计[4-7]

外挂脚手架系统（以下简称外挂脚手）以螺栓固定于钢平台钢梁的底部，随钢平台同步爬升。外挂脚手由槽钢、钢管组成框架，共6 层（图4）。上3 层为钢筋、模板施工区，其高度为2.00 m/层，宽度为0.90 m；下3 层为拆模整修区，其高度为2.00 m/层，宽度为0.70 m。脚手架边缘距离墙体内壁400 mm。上5 层的走道板由角钢框架加钢板网组成，底层的走道板由角钢框架加花纹钢板组成。外挂脚手的外侧用角钢框加镀锌彩钢板组成的侧挡板封闭。在外挂脚手的底部靠近混凝土墙体处设防坠闸板，爬升时闸板松开，施工时闸板顶紧墙面，防止构件坠落。

随着高度的增加，核心筒需要进行4 次收分，因此外挂脚手架需要实现整体移动，以保证脚手架与墙体的距离，方便施工。因此，需要对外挂脚手架与平台钢梁的连接节点进行特殊设计。为实现外挂脚手架的整体滑动，需要在脚手架顶部与平台钢梁连接处设置滑轮和限位装置（图5）。施工时松开限位装置，通过手拉葫芦拉动外挂脚手向核心筒墙面靠近，到位后锁定限位装置，完成外挂脚手的整体滑移。

图4 外挂脚手架

图5 外挂脚手架滑移装置

3.3 模板系统设计

钢平台模板系统采用钢框木模。钢框木模主要由面板、竖肋、围檩、对拉螺栓4部分组成。面板采用21 mm×1 220 mm×2 440 mm维萨芬兰板；竖肋采用6#槽钢，间距≤250 mm；围檩采用双拼10#槽钢，平均间距为700 mm；对拉螺栓采用Φ16mm高强螺杆，间距≤1 050 mm。每块模板上设置2 个16 mm钢板吊耳，每个吊耳用3 t手动葫芦挂在钢平台钢梁吊点耳板上，当钢筋绑扎完成后，所有模板一起提升到位。

3.4 支撑系统设计

钢柱筒架交替支撑式整体爬升钢平台模板装备的支撑系统分为2个部分：筒架支撑系统和工具式钢格构柱支撑系统。正常使用状态下，筒架支撑系统作为支撑系统，其底部牛腿作为搁置钢平台的承重构件，钢平台及脚手架系统的荷载主要由内筒架的立柱传递到底部钢梁，再由安装在底部钢梁上的支撑牛腿传递到混凝土核心筒墙体上。钢平台提升过程中，工具式钢格构柱支撑系统作为钢平台的支撑系统。当油缸顶升钢平台，带动平台及外挂脚手架系统整体提升时，整个钢平台体系的荷载经由钢格构柱直接传递到混凝土核心筒墙体上。

3.4.1 筒架支撑系统设计

筒架支撑系统（图6）由安装在六宫格核心筒内的6 个独立的筒架部分组成，每个筒内安装4 个支撑牛腿，在其中2 个筒架内设置1 部下挂6 个标准层的楼梯，该楼梯与垂直人货两用电梯配合使用，完成施工人员和机具的垂直运输工作。全部筒架均安装在顶部钢平台钢梁下部。

筒架支撑系统又分为内筒架和牛腿支撑系统2部分。内筒架从顶部钢平台梁底到最底层钢梁共分为6 层，其中1～3层为钢筋及模板施工段；6层为牛腿支撑系统所在层。2～6层的层高均为2 000 mm，1层的层高为2 050 mm。牛腿支撑系统是整个钢平台体系正常工作时的主要受力构件，是钢平台设计的关键部位。钢牛腿使用液压系统完成牛腿外伸与收缩动作，油缸行程430 mm，实现了牛腿动作的全自动化，安全可靠。

图6 筒架支撑系统

3.4.2 工具式钢格构柱支撑系统设计

工具式钢格构柱既是钢平台提升时整个钢平台的支撑构件，又是动力系统工作时的爬升导轨。工具式钢格构柱支撑系统包括22 根钢格构柱及其配套的钢平台连接件和上、下爬升靴。钢格构柱由2 块厚16 mm、2 块厚20 mm的Q345材质钢板焊接而成。其中厚20 mm的钢板上沿其长度方向每隔200 mm开1 个90 mm×90 mm的孔洞用以搁置爬升靴活络卡。

3.5 液压动力及电气控制系统设计

动力设备由1 套集中控制系统、4 台液压泵站和22 套液压顶升油缸组成。其中每台液压泵站带动5～6套液压顶升油缸。液压油缸是顶升钢平台的重要动力部件，固定在钢格构柱两端。每根钢格构柱装有2 套上、下爬升靴，每套爬升靴配有1 个顶升油缸，可实现整个工作平台的整体同步顶升[8]。

每根钢格构柱的2 个油缸的速度由对应的脉宽调整阀进行控制，通过控制阀打开的时间来控制对每个立柱的供油量，从而控制爬升速度。每个立柱可以配备1 个压力传感器和1 个位移传感器，用以监测每个立柱的爬升位移和所承受的反作用载荷。系统配有蓄能器和自动卸荷阀，当蓄能器压力达到设定压力后，自动卸荷阀打开，同时油泵停止工作。系统压力由蓄能器维持，从而实现了绿色环保的要求。

4 整体爬升钢平台模板装备的施工

4.1 标准段施工流程

整体爬升钢平台模板装备在核心筒施工过程中作为模板工程的施工装备和操作平台，为模板工程施工提供了条件。其剖面如图7所示。核心筒标准段施工时，每完成1 段标准段施工，钢平台爬升1 次。本工程核心筒在5～33层、37～64层属于标准层，层高4 500 mm，其施工流程如下：

图7 整体钢平台剖面示意

（a）整体爬升钢平台模板装备处于初始状态，平台位于刚浇筑完成的核心筒混凝土顶面。此时混凝土处于养护阶段，钢平台提升工作准备就绪；

（b）油缸套与活塞杆交替提升200 mm，重复23 次，钢平台共提升4 500 mm，内筒架小液压油缸推动钢牛腿外伸，使其搁置在核心筒墙体预留孔内；

（c）启动钢柱油缸并使活塞杆外伸一定行程，活络卡进入格构柱孔后扳转爬升靴操作手柄，使其处于提升钢柱状态；

（d）油缸套与活塞杆交替提升200 mm，重复23 次，反提升钢柱并使其底部停留在离楼面4 500 mm的位置；

（e）吊装劲性柱和绑扎核心筒钢筋，埋设牛腿预埋件；

（f）提升钢框木模，安装模板穿墙对拉螺栓，钢柱就位，用锚栓将钢柱与核心筒钢筋固定住；

（g）浇筑混凝土；

（h）如此循环，钢平台和钢柱通过油缸及爬升靴相互交替提升，即可完成标准层劲性柱吊装、钢筋绑扎、混凝土浇捣等工作。

施工流程如图8所示。

图8 标准层施工流程

4.2 穿越桁架层施工方法

结构在34～36层、65～66层分别设置了2 道伸臂桁架。由于内伸臂桁架需要埋设在核心筒内，并且桁架层钢构件体积巨大，超过了平台钢梁的最大间距，无法直接吊装，所以在穿越桁架层的施工中，钢平台需要进行一定的分解，通过桁架层后再进行组合。桁架层钢结构包括下弦杆、斜腹杆与上弦杆。下面以34～36层桁架层为例简要说明钢平台通过桁架层的流程：

（a）钢平台和钢柱通过油缸及爬升靴相互交替爬升，完成标准层劲性柱吊装、绑扎钢筋、混凝土浇捣等工作，至核心筒31层混凝土施工完成；

（b）提升钢平台，牛腿搁置在30层核心筒上，反提钢柱后吊装、校正、焊接4 个角部与下弦杆相连的劲性柱，完成32层混凝土施工；

（c）提升钢平台，牛腿搁置在31层核心筒上，反提钢柱后对钢平台角部进行加强，分批拆除钢平台4 个角部部分钢梁，吊装、校正、焊接33层4 段带钢牛腿的劲性柱；

（d）移走部分用于放置钢柱的连系梁，吊装、校正、焊接相对应的桁架层下弦杆H型钢梁，焊接钢柱支座锚栓；

（e）恢复连系梁后绑扎33层钢筋，完成33层混凝土施工；

（f）提升钢平台，以安装下弦杆同样的方法安装斜腹杆与上弦杆直至36层混凝土工程完成，钢平台穿越桁架层施工结束。

5 结语

钢柱筒架交替支撑式整体爬升钢平台模板装备在施工过程中继承了钢柱支撑式整体自升钢平台脚手模板系统的优点，在保证施工质量的同时，加快了施工速度。在此基础上，采用了一种可重复使用的工具式钢格构柱代替传统的埋入式格构柱，节约了工程造价，取得了良好的经济效益。针对本工程混凝土核心筒结构的特点，还发展出一系列专项施工技术，解决了桁架层施工、外墙收分等难题，为我国超高层建筑核心筒施工积累了丰富的经验。