整体钢平台模架体系模块库构建与模块化设计

刘 鑫/LIU Xin

（1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；2.上海高大结构建造工艺与装备工程技术研究中心，上海 201114）

1 引 言

近年来，随着城市化的发展，越来越多的超高层建筑在各地涌现，超高层建筑的飞速发展对建造工艺与水平提出了越来越高的要求。整体爬升钢平台模架是适应于超高混凝土结构施工而研发的专业模架体系，具有整体性强、承载力高、安全封闭性好、施工高效等优点，经过多年发展，已经成为中国超高层混凝土结构建造的主流装备之一。整体钢平台模架的应用几乎覆盖了超高层混凝土结构施工的主要周期，其工作周期长，能够实现施工现场平台、模架、布料设备、塔机、施工电梯等各类机械设备设施的协同集成应用，具备推动超高层混凝土结构向工业化建造模式转型升级的能力，如图1所示。

图1 面向超高混凝土结构施工的整体钢平台模架设计

随着超高层建筑数量的不断增多，整体钢平台模架体系在不同工程项目之间实现周转、进而降低工程施工成本，逐渐成为了项目施工方案比选中关注的重点内容。对整体钢平台模架体系进行系统的模块化设计并构建通用化模块库，是确保其实现较高周转率和通用性的重要途径之一。基于通用模块库开展整体钢平台模架的设计，不仅可以依托模块库实现整体钢平台模架标准部件的数字化，设计模型的可视化，还可做到以少变应多变，达到节约投入、减少资源消耗的目的。

2 模块库构建

实现整体钢平台模架装备的模块化设计，关键在于对模架装备各系统进行建模，建立一个数字化、参数化的模型库，便于设计开发人员使用和管理。

整体钢平台的参数化建模，并不意味着对钢平台模架体系进行简单的拆分。模块化拆分必须以功能性为核心，将整个钢平台体系分解成若干不同的模块与子模块。通过对这些模块共同要素的归纳、替代、排除和扩展，对其进行分类管理。

对模块库进行模块分类时，需要尽量遵循“高内聚，低耦合”的基本原则。高内聚指的是一个模块内部各个要素彼此之结合的紧密程度高；低耦合则是指模块与模块之间互相联系的紧密程度低。所以，模块之间尽可能的独立存在，尽可能的独立完成某项特定的子功能，模块与模块的接口尽量的少而简单。

按标准化程度分类，可将模块分成标准件和非标准件。标准件指的是结构尺寸固定不变的、通用的模块，例如钢平台框架系统中的标准跨墙连杆、钢柱爬升系统中的爬升钢柱和爬升靴组件、电液伺服控制系统中的液压油缸等。非标准件指的是结构尺寸和规格不一的拼配化模块，这类模块具有参数化和系列化的特点，设计选用时通过对关键参数的设定，可以快速得出所需的结构模型，例如脚手吊架、走道板、围挡板、抗风连杆、防坠闸板、牛腿等。

按使用程度分类，可分为基本模块、必选模块、可选模块和其他模块。基本模块是指在整体钢平台模架体系设计时，无论任何情况下，其功能和主体结构不会改变，是整个模架体系设计的基点，如顶部操作平台，控制系统等。必选模块是指根据实际施工环境和要求，其主体结构有较大变化，但功能性却又是不可缺失的模块，如钢梁爬升模块和钢柱爬升模块。可选模块是指在设计和使用过程中，可以通过其他形式替代或者不需要集成在整体钢平台模架体系中的模块，如照明等辅助模块。

通过对这些模块进行分类管理，每个模块可独立设计、自由创新，有充分的自主性，而且不同组合可以构成可变的、协调的、完整的体系。

3 基于模块库的设计流程

按使用程度分为基本模块、必选模块、可选模块和其他模块。以此作为模块库选用流程的基础，常规流程如图2所示。

首先，将结构施工要求具化成参数，并作为选择规则对各一级功能模块进行选择。然后，逐级选择设计，直至形成初步完整的设计内容。最后，对接口和局部细节进行深化设计，完成整个模块化设计工作。

值得注意的是，在建立模块库时，模块与模块之间的功能关系可能相互交织，此时要预先考虑该模块的功能和结构的契合性，并进行分类。另外，部分模块需要进行冗余设计，预留功能的扩展余地，以提高模块的通用性与兼容性。

4 设计案例

上海普陀真如副中心项目工程的塔楼为框架加核心筒结构，核心筒地上57层，结构高度296.7m，墙体结构变化明显，过程中需进行多次收分，且伸臂桁架层与劲性柱结构复杂。采用模块库构建及模块化设计方法，不仅最大限度地避免了施工过程中的结构碰撞，而且压缩了设计周期，显著提升超高层混凝土结构建造装备的集约化水平。

根据模块库的常规使用流程，首先根据功能性确定整体钢平台模架体系的几大一级模块，如图3所示。一级模块有钢平台系统、电液伺服控制系统、爬升与支撑系统、内外架防护系统、大模板系统以及其辅助系统。

一级模块的应用功能如下。

1）钢平台系统主要为施工人员操作平台，及材料、设备的堆放场所。

2）电液伺服控制系统由一套集中控制系统和若干液压设备组成，为钢平台爬升提供动力，控制同步爬升。

图3 钢柱爬升式钢平台功能系统图

3）爬升与支撑系统是钢平台体系传递载荷、实现爬升的承重系统。

4）内外架防护系统主要满足于施工人员绑筋和支模、拆模。同时做到内外围护措施，防止高空坠落。

5）大模板系统用于混凝土浇筑。

6）辅助系统用于照明、监控等。

将以上一级模块按使用程度分类。①基本模块：钢平台系统和电液伺服控制系统；②必选模块：爬升与支撑系统、内外架防护系统和大模板系统；③可选模块：辅助系统。

以钢平台系统为例，钢梁布置需要综合考虑核心筒结构变化、钢结构件的吊装、桁架层施工、模板施工、施工电梯与塔机位置、钢平台导轨立柱、内外脚手架、整体受力情况等诸多因素。虽然钢梁的结构受这些因素制约，但其功能和主体结构不曾改变，依然是通过框架模块和标准跨墙连梁组合变化完成，故将其列为基本模块，如图4所示。

图4 钢平台系统模块分级图

一级模块钢平台系统由规格不一的标准单元框架、标准跨墙连梁及非标单元框架等若干二级模块通过标准螺栓连接形成。其中，标准跨墙连梁可满足剪力墙和伸臂桁架的吊装要求。而三级模块则包含了钢平台盖板、格栅盖板、围挡等参数化非标件，并采用了工具化的拼配技术。

以爬升与支撑系统为例。爬升与支撑系统可分为钢梁顶升式和钢柱提升式两种形式，两者功能相同，结构完全不同，但又是整体钢平台模架体系中不可缺少的系统，故将其列为必选模块，如图5和图6所示。

图5 钢梁顶升模块

图6 钢柱提升模块

根据工程特点的不同，需要选择合适的爬升工艺。对于双层剪力钢板、伸臂桁架层吊装，选用钢梁顶升模块，通过低位悬挂高度实现双层剪力钢板的作业要求。对于单层剪力钢板、桁架层吊装，选用钢柱提升模块即可。前者支撑在结构侧面，后者支撑在结构顶部，并与支撑牛腿进行交替爬升。钢梁顶升模块中，伸缩钢梁作为二级模块可适用于不同跨度的施工需求。钢柱提升模块中的二级模块，爬升钢柱、爬升靴及油缸等为标准定型构件。竖向限位支撑和水平限位支撑为标准受力机构。

以施工过程中的墙体收分情况为例，根据实际施工要求，将其参数化并制成选择规则，以此为作为内外架防护系统模块的选择依据，对模块库中的模块进行逐级选择。如图7所示。

图7 施工工况与模块选择关系图

5 结 语

超高层建筑施工中，整体钢平台模架体系的模块化设计研究可显著提升建造集约化水平，减少设计成本，避免重复生产带来的资源浪费，降低建造过程对环境的不良影响，达到降低劳动强度，提高产品周转率和通用性的目标，促进了我国超高层建筑绿色建造技术进步。

[1]申青峰，高文志，陈逯浩.超高层建筑结构施工中的整体液压爬升钢平台体系设计关键技术[J].建筑施工，2017，39(5)：667-669.

[2]秦鹏飞.工具式钢平台模架装备在超高层塔楼施工中的应用[J].建筑施工，2015，37(11)：1295-1297.

[3]龚 剑，朱毅敏，徐 磊.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[J].建筑施工，2014，36(1)：33-38.

[4]顾国明.超高层建筑爬模系统液压模架测试研究[J].建筑机械化，2009，（6）：49-52.

[5]杨德生，扶新立，秦鹏飞.基于物联网的模架装备远程安全诊断技术[J].建筑机械化，2017，（6）：42-44.