屋面塔机精细化设计的趋势与应用

汪许林，龙进辉

（广东庞源工程机械有限公司，广州 510665）

0 引言

在超高层建筑的施工过程中，往往都是核心筒领先外框的施工模式，而且往往还是领先5层以上[1]。考虑施工进度的需要，这种模式下一般项目采用的塔机都是内爬或者外挂的形式。内爬或者外挂式的塔机在完成施工任务后无法实现自降，由于高度过高，现有汽车吊等地面的起重设备也无法满足拆卸要求，这种情况下，屋面塔机就成了拆卸的首选辅助工具。对于大型内爬外挂式的塔机而言，要实现拆除目的，利用常规的屋面塔机的数量往往会达到3台次以上。市场上现有的常规屋面塔机在这样的一个循环拆除周期内需要的时间一般为2个月左右，作业程序需历经三装三拆，报装报拆手续也至少需6个来回，较为繁琐。在拆卸最后一台屋面塔机时，由于构件的尺寸问题一般都是需要使用工地上空间较大的施工升降机作为构件转运到地面的辅助工具。

1 超高层建筑施工模式与屋面塔机的需求变化

1.1 施工模式

随着设计思路越来越广阔，设计水平日益提升，各种结构独特、标新立异的超高层建筑数量快速增长[2]。此类建筑带来各种形式的结构突变，还出现了明显的需求变化，即超高层建筑中塔机的施工任务的时间节点向后推移。以往塔机在超高层建筑中承担的施工任务一般都是主要负责结构的施工，结构施工完毕即进行拆除。目前，比较普遍的做法是，所有工序完工后才对超高层建筑的塔机进行拆除。

1.2 需求变化

施工模式与需求的变化导致了对屋面塔机需求的变化。结构的突变，尤其是核心筒结构的整体式收缩或者建筑外形的扭曲均对屋面塔机提出了更高的吊重性能要求。当塔机作为最后一道工序进行拆除，更是限制了屋面塔机的轮换次数不能太多，并且要保留最后一台常规屋面塔机的转运，直至最后拆除的空间较大的施工升降机，这种做法不经济也不够现实。屋面塔机在拆除的过程中轮换的次数较多，不仅是消耗的时间周期越长，时间成本越高，而且需要安装的台数越多，需要用到的屋面塔机的基础也越多，屋面塔机的基础一般都是十字钢梁基础，也就意味着屋面塔机基础需要用到的受力节点也将会越多。而在超高层建筑中，屋面的原始结构一般都不足以承受屋面塔机十字钢梁基础节点的受力，要解决受力问题，一般都是需要另外加固处理。换言之，轮换的次数越多，导致节点加固的工作量增加，相应的节点位置结构设计的难度也增大。空间较大的施工升降机一般都是布置在建筑结构外侧，布置在电梯井内侧的施工升降机的空间一般较小，满足不了常规屋面塔机的最散构件的运输要求。布置在建筑结构外侧，在空间上与幕墙的局部施工成为一对矛盾。利用常规的屋面塔机，拆除最后一台屋面塔机，只能是剩下竖向区域的幕墙和完全拆除屋面塔机后再行安装施工。但这样不仅与自己所有工序完毕后拆除塔机的初衷相背，而且会影响到整栋超高层建筑的施工进度与宣传形象，不利于甲方业主的预售与宣传。

2 屋面塔机精细化设计与应用

2.1 应用前景

为了解决以上提出的各种问题，屋面塔机的精细化设计就成了一种必然趋势。在房屋建筑设计上，精细化设计应该充分把握居住者的生活需求，高质量的、舒适的、人性化的和节省的设计才是精细化设计的定义[3]。屋面塔机的精细化设计旨在提供一款吊重性能优越、构件尺寸规格小、质量轻、便于安拆的屋面塔机。建筑结构收缩后，屋面塔机在拆除负责主体结构施工的塔机时，放拆除构件由于吊距变远而导致吊重性能不足，屋面塔机的精细化设计很好地克服了这一技术难题。构件尺寸规格小、质量轻，结合优越的吊重性能就可以减少整个屋面塔机拆除轮换的次数，减少屋面塔机基础加固的工作量和难度，还可以直接利用室内电梯对其进行构件的转运。便于安拆减少工人安装拆除的难度，提高作业效率。

优越的吊重性能与构件尺寸规格与本身质量在结构上是矛盾的。两者间取得最优解从而实现二者的有效统一很难。要追求更好的吊重性能，各节点需要平衡的力矩就更大，假如各桁架截面不变，各桁架的主弦需要承受的轴力也更大[4]。为了屋面塔机的各构件能取得小的尺寸规格和单元构件质量的结构矛盾有效统一，在取得优越的吊重性能的同时，引入分段式的设计理念，配之可靠的连接节点，尽可能实现小构件、大吊重的可靠设计。要做到便于安装拆除也是基于此设计。

以往设计的屋面塔机，基本上都是以先行者的身份进行设计，即先入为主，但随着塔机技术服务的要求越来越高，精细化设计的屋面塔机要取得成功的应用，设计思路必然要转换成服务者的角色。遵循在已建设好的超高层建筑屋面能方便、快捷、顺利地进行安装和拆除塔机的原则，设计出的屋面塔机不仅要有优越的吊重性能，还要有满足常规超高层商业楼的消防电梯或者室内电梯容纳的尺寸规格以及单元构件质量的要求。吊重性能、尺寸规格、单元构件质量作为屋面塔机精细化设计的3个主题，在整个构思设计的过程中缺一不可。精细化设计的屋面塔机要求每个单元构件都必须同时充分考虑这3个因素的影响。

例如，要求在1栋已经完工的超高层楼顶安装1台屋面塔机，现场除了常规的室内电梯外没有其他任何的垂直运输设备，且能安装屋面塔机的位置距离构件在楼下的堆场位置较远，要下放的构件单元质量也是较大。经过调研，市面上不存在这样既可以满足室内电梯对尺寸规格、单元构件质量的运载要求，又可以满足现场吊重要求的屋面塔机，此种情况就要求用到屋面塔机精细化的设计。从十字底梁、塔身节到回转部件、A架、后平衡臂的整体式框架、起重臂臂节等，甚至各个机构的最零散部件的尺寸规格、单元质量等，全部的单元构件都要求重新进行复核和设计。这种情况下的设计原则就是要保证各零部件在室内的整个运输通道上畅通无阻，而在此整个运输通道上的往往就是要用到的室内电梯的电梯门的尺寸规格的影响最为不利。基在尺寸规格上可以将电梯门的尺寸作为参考，对搬运时需要的操作在空间上的余量进行控制；在构件的单元质量上可以将电梯的安全载重作为参考，考虑辅助工人和工具的质量以及一定的安全系数进行控制；而在屋面塔机的吊重性能上则可以将实际的满足构件安全吊重以及安全系数进行控制。屋面塔机的精细化设计作为一个系统的工程，其他各机构等也是要配套考虑。例如起升机构，就要考虑好卷筒容绳量与单绳拉力、电机功率等一系列的彼此矛盾关系[5-8]，同时需考虑各个单元构件的尺寸规格与质量等，甚至在整个转运通道上需用到的辅助架等附件，亦需要做通盘考虑与设计。

2.2 应用案例

2.2.1 背景简介

在广州天河马场路某栋超过300 m的超高层建筑施工中，后期因为赶工期，把施工升降机提前拆了，屋面除了钢格珊暂未铺设，其他一切工序皆已完工。屋面此时还剩1台最大吊重为28 t的屋面塔机，该台屋面塔机最大的单元构件质量为5.8 t，外形尺寸为5 500 mm×4 356 mm×1 990 mm。鉴于核心筒外为针状装饰幕墙，结构为装饰用铝制桁架且已完工，如果进行拆除则成本过高且会严重影响项目的施工进度，只能是选择在核心筒范围内安装另一台屋面塔机，核心筒外缘距离建筑最大截面的外缘约13 m。幕墙钢针刚结构安装平面如图1所示。

图1 幕墙钢针刚结构安装平面图

2.2.2 设计方案

核心筒的平面尺寸约21 m×18 m，考虑结构的受力影响以及需要安装的屋面塔机与原有的28 t屋面塔机的防碰撞影响，考虑只有北侧局部位置作为构件的落地堆场等因素，新安装的屋面塔机只能是选择如图2所示的定位。

图2 屋面塔机安装位置图

此时新安装的屋面塔机BNK140.18中心距离构件下落时可能触碰到的建筑外缘至少16 m，考虑2 m的安全距离以及下放构件的旋转半径、钢丝绳的扣减质量、动载系数等，会要求新安装的屋面塔机BNK140.18的吊重性能需满足21 m吊距至少吊重6.5 t。

此时新安装的屋面塔机BNK140.18其最大部件单件质量除了上支座2的质量为1 101 kg，其余构件的单元质量均不超过1 000 kg。现场室内电梯的尺寸规格为1 500 mm×1 900 mm×3 800 mm的容纳要求，其中电梯门尺寸1 200 mm×2 700 mm。其质量尺寸满足室内电梯的上下运输要求，届时所有构件均通过室内电梯中途换梯后到达建筑的59层。须提前在幕墙相应位置（避开主骨架）开设好洞口，以保证满足屋面吊的零部件通过洞口转运到屋面。

拟需对如图3所示的幕墙位置进行开洞处理，洞口尺寸如图4所示。

图3 幕墙开洞口位置图

图4 幕墙洞口尺寸

为方便构件的转运以及吊装，特定制了2台旋转吊，如图5所示。为便于人工安装，整台旋转吊采用分段式设计，旋转支座与十字底梁之间采用焊接连接，各段立柱之间、立柱与臂头之间均采用8根M20的10.9级的高强螺栓进行连接，臂头与臂节采用销轴连接。旋转吊部件明细表如表1所示。为满足现场室内电梯（T4/T20）的上下要求以及能用简易工具搬运安装的要求，所有构件均通过从一楼直达28层的室内电梯T4直接到达28层后再通过28层直达59层的室内电梯T20转运到59层，所有构件出电梯后均转运到北侧开设好的洞口下方，通过预先开设好洞口，用旋转吊将零部件转运到屋面，再利用旋转吊安装BNK140.18屋面吊。拆除时，BNK140.18屋面吊的起重臂进行自解体以及利用旋转吊进行辅助拆除，其他十字底梁以上的部件通过旋转吊进行辅助拆除，以上所有拆卸的构件均采用旋转吊转运到59层然后通过室内电梯转运到楼下，最后剩下的旋转吊零部件以及十字底梁通过简易趴杆下放到59层然后通过室内电梯转运到楼下，简易趴杆进行自解体拆除，通过人工搬运到59层然后通过室内电梯转运到楼下。

图5 旋转吊整机设计图

表1 旋转吊部件明细表

根据现场运输通道中各个关口的尺寸规格、电梯空间的尺寸规格以及承载能力、重开转运洞口的尺寸规格、现场的安装环境、吊重的性能参数要求等各种因素，在精细化设计的思想指导下，在该项目最后通过特制的分段式BNK140.18屋面塔机顺利地完成了屋面塔机的拆除工作。

3 结束语

随着建筑行业需求的发展，尤其是塔机技术服务行业的要求越来越高，屋面塔机的精细化设计已经成为了一种趋势。应用精细化设计的屋面塔机，不仅可以有效地解决传统屋面塔机吊重性能不足的难题，而且可以有效减少屋面塔机的轮换次数，可以减少了屋面塔机的加固处理基础节点数目，极大地促进了施工进度的推进，更是避免在最后阶段遇到大空间的施工升降机却无法使用的困窘，节省了大量的时间和避免了大量的麻烦。

总之，精细化设计的屋面塔机以适应现场环境为主导，以切实解决现场吊装难题为目的，不仅具有普遍的适用性，而且可以创造一定的经济效益，可以满足复杂工况对屋面塔机提出的技术要求，有效解决超高层建筑中遇到的辅助吊装难题。