钢梁与筒架交替支撑式整体爬升钢平台模架的模块化设计及应用

秦鹏飞 王小安 穆荫楠 扶新立

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

整体爬升钢平台模架技术具有承载力大、整体性好、安全可靠度高等优点，在超高层结构，尤其是300 m以上超高层结构的建造中应用比较广泛，相比传统的整体提升脚手架、液压爬模等模架形式具有明显的优势[1-3]。但长期以来的实践经验也表明，整体钢平台模架装备的用钢量大、周转使用率不高，其应用市场难以得到进一步扩大，且难以满足国家深入推进的绿色化、工业化发展要求，急需在模架的构造方式优化升级方面有新的突破。为了解决上述问题，对整体钢平台模架装备进行模块化设计、实现大部分构件周转使用是重要工作之一。整体爬升钢平台模架装备有钢梁与筒架交替支撑式整体爬升钢平台模架装备和钢柱筒架交替支撑式整体爬升钢平台模架装备2种形式。本文主要针对钢梁与筒架交替支撑式整体爬升钢平台模架装备的模块化设计方法进行研究，并将介绍这种新型模块化模架装备在南京金鹰天地广场T1塔楼项目中的应用。

1 模架系统组成

钢梁与筒架交替支撑式整体爬升钢平台模架装备由钢平台系统、脚手架系统、筒架支撑系统、钢梁爬升系统和模板系统共5部分组成（图1）[4]。其高度可覆盖4层结构高度，能满足2层同时施工的需求。正常施工状态下，模架装备通过筒架支撑系统将自重及施工荷载传递于核心筒剪力墙体上；爬升状态下，模架装备通过爬升钢梁与筒架支撑系统的交替支撑，依靠动力系统驱动实现整体爬升。

图1 钢梁与筒架交替支撑式整体爬升钢平台模架组成示意

1.1 钢平台系统构成

钢平台系统位于整体钢平台模架装备的顶部，由钢平台框架、钢平台盖板、格栅盖板及钢平台围挡组成。钢平台系统框架采用纵横向主次梁方式布置，主梁通常与混凝土结构平行布置，并与混凝土墙体保持一定距离，次梁通常根据构造要求设计。钢平台盖板固定于钢平台钢梁上，提供施工作业面。混凝土结构上方位置采用格栅盖板覆盖，既提供安全作业平面，也方便钢筋向下传递。钢平台系统外围临边设置钢平台围挡，防止人、物从侧面发生坠落，其通常由型钢立柱和钢框网板组成。

1.2 脚手架系统构成

脚手架系统由脚手吊架、走道板、围挡板、滑移轨道等组成，沿核心筒墙体侧面布置（图2）。外部脚手架可设计为固定形式和滑移形式这2种形式。采用固定形式时，脚手吊架上端与钢平台框架梁固定；采用滑移形式主要是为了满足混凝土结构墙体向内收分的需要，脚手吊架通过滑移滚轮连接于固定在钢平台框架梁上的滑移轨道上。内挂脚手系统位于核心筒内筒中，上端通过螺栓与钢平台框架梁固定。

图2 脚手架系统示意

1.3 筒架支撑系统构成

筒架支撑系统包括多个筒架支撑结构，每个筒架支撑结构布置于一个核心筒内，由多个筒架支撑单元与支撑底梁组成，支撑底梁上设置有竖向支撑装置。筒架支撑结构通过顶部的钢平台系统连接形成整体（图3）。

图3 筒架支撑结构

1.4 钢梁爬升系统构成

钢梁爬升系统包括爬升钢梁、竖向支撑装置、双作用液压缸动力系统等，爬升钢梁通常位于筒架支撑系统的第6～7层之间。

1.5 模板系统构成

模板系统由面板、围檩、背肋、对拉螺杆等组成。模板系统的提升借助于钢平台系统框架吊点梁上的电动葫芦来完成。

2 模块化设计方法

整体爬升钢平台模架装备由5个系统组成，5个系统均可由预制定型模块化产品拼装而成。由此形成的整体钢平台模架装备不仅加工、安装方便，而且可很方便地进行更换、补缺等操作，满足结构体型变化适应性要求。此外，在混凝土结构施工完成后，模架装备还可按模块进行拆除，各模块按规格分类存放，可在后续其他工程施工中重新拼装使用，从而实现了重复利用，大幅减小了材料消耗，符合绿色建造的发展趋势。

下面分别对钢平台系统、脚手架系统、筒架支撑系统和钢梁爬升系统开展模块化部件设计研究。

2.1 钢平台系统模块化部件设计

钢平台系统部件充分采用标准集成开发的方式进行设计，钢平台框架由规格不一的标准单元框架、标准跨墙连杆及非标准单元框架通过螺栓连接形成，钢平台盖板、格栅盖板、围挡则采用工具化拼配技术（图4）。

图4 钢平台系统标准部件开发

1）钢平台框架梁可划分为筒体内钢梁、外框钢梁和跨墙连杆3个部分。

① 筒体内钢梁由阴角钢梁框架、内顺墙钢梁框架及中间钢梁组成。阴角钢梁框架由4根钢梁组成井字形框架，钢梁长1 900 mm，间距1 100 mm，自由外伸长300 mm；内顺墙钢梁框架由纵横向钢梁组成，纵钢梁长度分为1 800、3 600、5 400 mm等规格，间距为1 100 mm，横钢梁长1 900 mm，间距为1 800 mm，不同核心筒长度变化可以通过内顺墙钢梁框架来进行匹配，以满足不同长度要求。

② 外框钢梁由阳角钢梁框架、中间钢梁框架和外顺墙钢梁框架组成。阳角钢梁框架由四纵四横钢梁组成，整体长度为4 700 mm；中间钢梁框架由2根1 900 mm长度纵向钢梁和2根1 350 mm长度横向钢梁组成，通过跨墙连杆与阴角钢梁框架连接；外顺墙钢梁框架由纵横向钢梁组成，纵钢梁长度分为1 800、3 600、5 400 mm等规格，间距为900 mm，横钢梁长度1 350 mm，间距为1 800 mm，外顺墙钢梁框架通过跨墙连杆与内顺墙钢梁框架连接。

③ 跨墙连杆长度根据墙体厚度来设置，为非标构件。

2）钢平台盖板模块化尺寸按1 800 mm× 1 800 mm来设置，局部非标部位可以单独设计非标盖板尺寸，盖板面板采用厚4 mm以上花纹板，肋条采用小方管或其他型钢。

3）格栅盖板：格栅板在模板吊点梁布置完成后进行。格栅板的孔距宜为100 mm×100 mm，宽度分为600 mm和300 mm这2种规格，长度根据墙厚来设置。

4）钢平台围挡：钢平台围挡高度为2 000 mm，宽度分为1 800、1 500、1 200、600、300 mm等规格，以满足不同尺寸的需要。

2.2 脚手架系统模块化部件设计

脚手架系统的脚手吊架、走道板、围挡板、防坠活动闸板和楼梯均采用工具化拼配技术，各部件间通过螺栓连接形成整体（图5），具体设计为：

图5 脚手架系统标准部件开发

1）吊架：吊架由前立杆、后立杆、横杆、节点板等组成。前立杆采用钢管脚手架，以便于施工过程中采用标准扣件与其他部位进行临时连接，后立杆采用槽钢，两肢打孔与侧向围挡连接。内吊架宽度为900 mm，外吊架分为上下两部分，上部分宽度为900 mm，下部分宽度为700 mm，为标准化构件。

2）走道板：走道板由角钢框架加花纹板或钢板网组成。外挂脚手架走道板宽900 mm，内挂脚手架走道板宽1 100 mm，走道板长度均采用1 800、1 500、1 200、600、300 mm等规格。

3）侧网：侧网由角钢框、镀锌铝丝网、压铁组成。侧网的宽度与对应走道板一致，宽度采用1 800、1 500、1 200、600、300 mm等规格。两侧孔距设置与吊架相对应，一般采用腰形孔。

4）闸板：闸板可由厚4 mm铁板折边而成，其宽度与吊架布置宽度一致，宽度采用1 800、1 500、1 200、600、300 mm等规格。

5）楼梯：上下楼梯宽度为550 mm，每步楼梯要设置防护栏杆，栏杆高度宜为900 mm。楼梯的倾斜度宜为45°～50°，踏步宽度宜为250 mm。楼梯上下连接应为焊接固定。

2.3 筒架支撑系统模块化部件设计

筒架支撑系统由支撑底梁、筒架支撑单元及竖向支撑装置等组成，竖向支撑装置采用通用标准件，支撑底梁与筒架支撑单元具体设计为：

1）支撑底梁：支撑底梁由角部支撑钢梁和中间段支撑钢梁组成。角部支撑钢梁上连接竖向支撑装置，中间段支撑钢梁长度规格为1 800、3 600、5 400 mm等，角部支撑钢梁和中间段支撑钢梁由螺栓连接成框架。底梁宽度一般为1 100 mm，底梁上铺走道板、闸板以实现底部全封闭。

2）筒架支撑单元：筒架支撑单元由筒架支撑柱与横向筒架支撑梁组成。筒架支撑柱分为200 mm×8 mm、150 mm×8 mm这2种规格，可以根据工程实际情况进行选择。筒架支撑单元布置应与上下钢梁相对应，通过螺栓连接。筒架支撑柱由方管组成，支撑梁为型钢，单元框架平面一般为1 100 mm×1 100 mm的正方形。

2.4 钢梁爬升系统模块化部件设计

钢梁爬升系统由爬升钢梁、竖向支撑装置与双作用液压缸动力系统组成。竖向支撑装置为通用模块件，爬升钢梁与双作用液压缸动力系统具体设计为：

1）爬升钢梁是钢平台爬升时的承重钢梁，采用双拼H型钢制作成平面受力框架，作为双作用液压缸的底部支撑。爬升钢梁嵌于下段筒架支撑系统中，通过下段筒架支撑系统上的水平限位装置进行侧向限位并可与筒架支撑系统产生相对运动；爬升钢梁上设置竖向支撑装置。爬升钢梁分为角部和中间段两部分，角部采用一种规格即满足要求，中间段可以分为1 800、3 600、5 400 mm等规格以满足内筒尺寸要求。

2）双作用液压缸动力系统是筒架支撑式爬升整体钢平台模架装备爬升的核心装置，由长行程油缸、供油管路、液压泵站等组成。由于结构层高通常在4～6 m之间，经过研究发现采用一个楼层2次爬升的设计方案可以同时兼顾成本的经济性与施工的高效性，建议采用单行程可达3 m的液压缸系统。根据整体钢平台模架的荷载分布情况及其机构特点，同时考虑现场施工工况的复杂性，管路连接采用快速接头，以保证更换时的快速方便。

3 工程应用

南京金鹰天地广场T1塔楼共76层、高368 m，T2塔楼68层、高328 m，T3塔楼60层、高300 m（图6）。

T1塔楼核心筒施工采用钢梁与筒架交替支撑式整体爬升钢平台模架（图7）。本工程整体钢平台模架完全按照模块化理念进行设计、制作与施工。在设计阶段，五大系统根据核心筒平面尺寸及结构特点，采用将标准化构件与非标构件相结合的模式，标准构件从构件库中直接选择，非标构件根据结构特殊需求量身制作。标准构件和非标构件通过连接件组装成整体。模块化设计方法极大地缩短了设计周期，提高了工作效率。在制作加工阶段，大部分构件为标准构件，非标构件数量较少，降低了加工出错概率，构件制作质量得到大幅度提高。在现场安装阶段，标准构件之间及标准构件和非标构件之间的连接主要采用螺栓连接的方式，由于加工精度高，故安装质量容易保证且可以提高安装速度，缩短了绝对工期。在施工过程中，依托模块化构造的优势，对部分构件很方便地进行了更换以适应结构体形变化的要求，加快了施工速度。通过深入分析此整体钢平台模架应用实例中各模块的使用情况，发现所有模块件中除了少数格栅盖板、走道板、围挡板等有不可修复的损坏外，绝大多数模块件通过清理修复均可实现重复利用，整体重复使用率可达90%以上，对后续应用工程建造成本的降低起到了非常积极的促进作用。

图6 南京金鹰天地广场效果图

图7 整体钢平台模架工程实景

4 结语

本文对钢梁与筒架交替支撑式整体钢平台模架的模块化设计方法进行了系统研究，提出了钢平台系统、脚手架系统、筒架支撑系统、钢梁爬升系统标准模块件的构建方法。为检验相关模块化设计理论的准确性，在南京金鹰天地广场T1塔楼核心筒结构建造中探索性地应用了这种新型模块化整体钢平台装备。实践表明，采用模块化的整体钢平台装备，通过提高标准部件的周转使用率，能够显著降低施工成本，提高施工效率。