钢柱支撑式整体钢平台模架装备在上海国际航空服务中心塔楼施工中的应用*

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 工程概况

上海国际航空服务中心W-1B地块主楼上部结构为型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构，核心筒典型平面如图1、图2所示。塔楼核心筒平面呈切角三角形，筒体三边尺寸约为46 m×18 m× 34 m，共设置4道内筒隔墙。地上标准层层高为4.30 m。非标准层层高有3.70 m、4.29 m、5.00 m、5.10 m、7.10 m等多种。核心筒在37层设有2道伸臂桁架，与巨型钢柱相连，外伸桁架牛腿，桁架高度为4.29 m。跨度分别为38.40 m和35.30 m。核心筒内墙部分剪力墙在42层以后缺失，核心筒筒壁厚度地上部分最厚为1 000 mm，内墙最厚为800 mm。随着高度变化，墙体厚度逐步减少。

2 工程特点及难点

1）结构平面不规则，核心筒布置呈切边三角形。且结构平面尺寸大，纵向最大跨度达到50.50 m。对钢平台构件布置及结构受力影响大。

2）结构平面划分为5个宫格，每个宫格的平面尺寸相差较大。整体钢平台在每个内筒的筒架支撑系统负担的荷载区域相差较大，造成整体平台系统受力极不均匀。

3）核心筒墙体多次收分，外墙由内向外收分，对钢平台模架装备的立柱布置及牛腿变形适应能力要求较高。

图1 核心筒平面布置示意一

图2 核心筒平面布置示意二

4）核心筒在37层设置了2道伸臂桁架，桁架与外围框架相连，这给钢平台模架装备的设计以及爬升带来了较大的困难。

5）本工程部分内墙结构在42层以上逐渐缺失，不再随核心筒高度的升高而往上延伸，对钢平台模架装备的布置带来一定困难。

3 液压爬升整体钢平台模架体系的设计

钢柱筒架交替支撑式液压爬升钢平台模架体系主要由钢平台系统、内外挂脚手架系统、钢柱爬升系统、筒架支撑系统及钢大模系统等5部分组成，如图3所示。

3.1 钢平台系统的设计

图3 液压爬升整体钢平台模架体系构成

钢平台系统的布置是沿核心筒平面进行的。为保证各种施工工序有序进行，钢平台钢梁的布置应综合考虑导轨立柱、内外挂脚手架、伸臂桁架的伸出情况、钢平台的整体受力等因素，对于局部连系梁采取以避让为主的原则，如无法避让则设计为可拆卸梁。为改善施工人员的作业环境，提高堆放材料和设备的承载能力，根据施工实际情况在钢梁上铺设铺板。钢平台外围一周设置高2 m的围网，形成封闭的施工环境，防止高空坠落，消除高空施工安全隐患。上海国际航空服务中心钢平台面积约为795 m2。

3.2 内、外挂脚手架系统的设计

内、外挂脚手架系统以螺栓固定于钢平台底部，随钢平台同步爬升。主要包括脚手架、走道板、侧网、楼梯等。系统由槽钢、钢管组成框架，外侧用侧网封闭，共6层。上3层为钢筋、模板施工区，下3层为拆模整修区。楼梯作为施工人员上下钢平台的通道，外挂脚手架设置2部，每个内筒构架内设置1部上下楼梯，并在其中一个构架筒内设置1部人货电梯，直达钢平台操作面，完成施工人员垂直运输工作。系统上5层走道板的铺板由角钢框架与钢板网组成，底层的走道板及泵站平台铺板由角钢框架与花纹钢板组成。系统底部设可伸缩性防坠闸板，钢平台爬升时闸板收回，正常施工时闸板闸紧墙面，防止构件坠落。

3.3 钢柱爬升系统的设计

钢柱爬升系统包括爬升导轨立柱、上下爬升靴和液压动力系统以及控制系统等。爬升导轨立柱是提升整体钢平台系统的导轨。爬升立柱已经进行标准化设计，可以周转使用。在保证体系受力合理的前提下，立柱布置以方便整体钢平台的施工为主要原则，综合考虑结构中劲性柱、门洞的位置，伸臂桁架等多个方面，共设置了24根爬升立柱。液压动力系统主要由4台液压泵站和24套短行程双作用液压油缸等组成。每个液压泵站可以驱动6套液压顶升油缸。液压顶升油缸固定在导轨立柱上，并且液压顶升油缸配有上、下爬升靴，可以实现整个钢平台的整体同步爬升。也可以通过手动控制，实现对单个油缸进行单独控制。控制系统主要为中央控制室、PLC控制系统等。控制系统安置在中央控制室中，控制系统对整个施工钢平台及内、外挂脚手的爬升进行全程监控。通过PLC控制系统高精度的同步控制，保证了钢平台爬升过程中的平稳和安全。

3.4 筒架支撑系统的设计

支撑系统由5个内筒的内筒架、吊架及底部钢梁等组成，内筒架系统与钢平台连接成整体，正常施工时钢平台及外挂脚手架的载荷通过内筒架底部的支撑牛腿传递到核心筒墙体上。钢平台提升时，筒架底部的支撑牛腿缩回，立柱底座支撑在核心筒墙体上，支撑整个钢平台的质量。

3.5 模板系统的设计

上海国际航空服务中心项目核心筒大模板从3层施工时开始起用。整体液压爬升钢平台大模板系统由面板、横向围檩和竖向围檩、角模、对拉螺栓等组成。横向围檩采用双拼槽钢制作，竖向围檩采用单根槽钢制作；大模板的设计有标准规格和多种非标准规格，非标准层施工时在标准规格的模板上接合适的非标准规格的模板，大模板随钢平台整体爬升[1]。

4 标准层施工技术

1）初始状态，整体液压爬升钢平台模架装备停留在第n层混凝土的顶面，此时核心筒混凝土浇筑完成，处于混凝土养护阶段，钢平台准备提升。

2）通过液压油缸不断循环伸缩变换，使钢平台架体爬升4.30 m。内筒支撑系统的牛腿支撑伸出并支撑在剪力墙的预留洞内。此时，模架装备上升至n+1层。

3）启动液压油缸，扳转爬升操作手柄，使爬升导轨处于反向顶升状态。提升导轨4.30 m。

4）吊装劲性柱，绑扎n+1层的结构钢筋，设置预埋件，安装立柱导轨。

5）大模板安装，紧固对拉螺栓，进行工程验收，准备浇筑n+1层核心筒墙体混凝土。

6）混凝土浇筑、混凝土养护。

7）如此循环利用液压油缸和爬升靴实现钢平台和爬升立柱的交替支撑提升，完成n+1个标准层的施工。

5 施工难点解决方案

5.1 核心筒平面布置不规则

由于结构平面的布置不规则，整个核心筒区域被内墙分为面积相差较大的5个内筒。整体钢平台在每个内筒的筒架支撑系统负担的荷载区域相差较大，造成整体平台系统受力极不均匀。通过对所需承担较小荷载的筒架支撑系统进行优化设计，降低其承载能力；对所需承担较大荷载的筒架支撑系统进行加强，增加其承载能力，使整个钢平台既能满足整体承载能力，又不浪费，有效减少了工程材料，降低了工程成本。

5.2 钢平台在伸臂桁架处的“凸”字形设计

本工程核心筒在37层设置了2道伸臂桁架，且伸出墙面距离最大为1.55 m，已经超出正常外圈钢梁的范围，为避免钢平台体系出现钢结构吊装时的分体组合问题，钢平台平面设计时，充分考虑上下弦杆的吊装空间，将有伸臂桁架伸出的4个部位按“凸”字形设计，使外圈钢梁覆盖伸出牛腿，部分钢梁平面设置为可拆卸钢梁，有牛腿伸出部位的各层走道板做成可拆卸的，部分做成翻板。因此在桁架层爬升流程中，只需在需要时打开牛腿伸出处的踏步板、翻板，拆掉可拆卸的钢梁，就可满足桁架吊装，实现桁架层的施工。钢梁平面布置如图4所示。

图4 钢梁平面布置

5.3 钢平台部分支撑点缺失的处理

本工程核心筒部分墙体在42层以上逐渐缺失，不再随核心筒高度的升高而向上延伸，致使钢平台在此处缺少支撑点，钢平台体系不能正常工作。我们通过在42层以上墙体消失部位做临时支撑墙体（临时墙体厚度为消失墙体厚度），来满足在墙体缺失处钢平台的支承的需要，同时对临时支撑墙体进行了承载力计算并对爬升流程进行了优化设计，尽可能降低临时支撑墙体高度，保证了临时墙体支撑的安全性。临时墙体如图5所示[2]。

图5 临时墙体示意

5.4 墙体收分距离大的处理

本工程核心筒墙体多次收分，且外墙由内向外收分，部分墙体收分达到200 mm，已经超出了标准化设计的牛腿所能达到的最大范围，为满足牛腿支承架体的要求，对牛腿重新设计并利用有限元方法进行牛腿安全性的验证。牛腿在筒架支撑系统上的位置进行整体调整，解决了牛腿支撑的问题。对全封闭闸板进行可伸缩性设计，解决了墙体收分无法满足封闭性问题。

6 有限元模拟验证

采用有限元结构分析软件Midas Gen 7.95，按照钢柱筒架交替支撑式整体液压爬升钢平台模架体系设计图纸建立结构的三维有限元模型，如图6所示。

图6 钢平台整体结构示意

平台施工分为正常施工工况和爬升工况，正常施工工况考虑极限为12级风力（该风力为平台顶部风速仪所测风速，以下相同），爬升工况考虑8级风荷载。

钢平台有限元计算结果分析：对钢平台正常施工、爬升以及台风情况下的受力进行分析计算，从各项数据中可以得出钢平台结构体系均满足使用要求[3]。

此外，由受力分析结果也可以看到正常施工工况下的组合应力和支座反力最大，此时模板未拆下，钢筋堆载量起主要作用，因此鉴于安全考虑，顶部钢平台上堆放钢筋等材料时，应尽量均匀分布于核心筒内侧的钢平台上，不得集中堆载；由于结构平面布置的不规则性引起钢平台体系受力极不均匀，局部应力过大，需要进行局部加强设计，均衡钢平台体系的整体承载能力，使钢平台能满足整体承载能力；正常施工工况阶段的计算时考虑各层均布1 kN/m2施工活荷载，而实际使用中各层同时有大量工人施工的概率很小，因此，本次计算结果有较大的安全储备。

7 结语

本文通过上海国际航空服务中心项目，对钢柱筒架交替支撑式整体爬升钢平台模架体系及其施工工艺作了详细阐述，并就工程施工难点提出了具体的解决方案，通过有限元计算验证了该钢平台模架体系运用的合理性。在施工中，钢平台模架装备具有承载能力大，加快建筑材料周转速度，缩短施工工期；作业环境安全可靠，施工方便；关键核心部件能够工具式周转使用，最大限度地节约工程材料；能适应不同的复杂结构体系，并满足结构体型变化要求等优点。此套模架体系在上海航空国际服务中心项目的成功应用，扩大了钢平台体系在施工中应用，为今后我国不规则核心筒的超高层施工起到了良好的示范作用。