工具式外挂操作防护架的设计与应用

龚伟东

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

在超高层建筑的施工过程中，防护架是保证高处作业安全、顺利的重要设备。由于不同工程外立面不同，楼层边线不断变化，传统落地脚手架体系经常无法满足施工需求。因此，针对不同项目，需独立设计工具单元式外挂操作防护架，结合项目自身特点进行深化和研究。本文以苏州吴江太湖新城核心区B1地块超高层项目为背景，进行工具单元式外挂操作防护架施工技术的研究，并对其设计及相关施工工艺进行总结。

1 工程概况

苏州吴江太湖新城核心区B1地块超高层项目（图1），东邻水秀街、南接吴韵路、西眺太湖苏州湾、北靠高新路。项目用地面积3.6万 m2，总建筑面积32万 m2，包括一栋358 m高的综合体塔楼和4层商业裙房，地下室共3层，拥有办公、酒店、酒店式公寓、商业等多种业态。塔楼地上78层，为带伸臂桁架＋框架＋核心筒结构。其中，30层以下为传统混凝土框架＋核心筒结构，30层以上为钢框梁＋核心筒结构，30层以下标准层层高4.4 m，30层以上标准层层高3.9 m（图2）。

图1 项目效果图

图2 核心筒三维效果图

塔楼外结构边线呈空间弧线形，竖向各个楼层边线不断变化。其中，南北向外边线先不断外扩，后向内收缩；东西向外边线则不断向内收缩，至34层结构后保持不变。塔楼外围共计22根劲性圆柱，其中南北向共14根（对称7根布置）劲性柱沿竖向先不断外倾后不断内缩，始终呈倾斜角度向上；东西方向共计8根（对称4根布置）劲性柱不断内收后，至34层结构后开始保持垂直向上。

塔楼34～76层核心筒外围东、西向结构边线呈垂直向上，4根劲性柱边距离结构边线最小处仅185 mm，随结构高度变化，劲性柱截面不断收缩、结构轮廓边线保持不变，柱边距离结构边线最大处仅为285 mm。为满足劲性柱结构施工所需操作空间和安全围挡要求，故采用工具式外挂操作防护架进行劲性圆柱结构施工。外挂防护架平面长度为3 920 mm、宽度为1 300 mm，高度为15 200 mm，整体呈“凹”形，通过防护架顶部的4根挂臂梁固定在楼层钢梁上方，主架体垂直下挂至施工作业层，标准层层高3.9 m，外挂架下挂高度范围覆盖3个楼层。

外框结构每施工完成一层，水平、竖向混凝土结构养护期间，利用现场2台塔吊对其进行提升作业，最大提升高度170 m，提升就位并固定牢固后，将模板、抱箍、钢管排架等利用外挂防护架与结构边线之间空隙进行材料上下垂直传递运输，如此往复，进行结构施工（图3）。

图3 外挂操作防护架

2 工具式外挂操作防护架的设计

工具式外挂操作防护架主要由主架体、挂臂梁、上部操作平台、夹具、底部横撑等部件组成，外挂架的结构设计如图4所示。所有构件及操作平台均在专业工厂组装完成。

图4 工具式外挂操作防护架设计

2.1 主架体

主架体上部连接挂臂梁与操作平台，通过可调行程夹具固定在楼层钢梁上，为核心构件。主架体共7层，长3.92 m，宽0.8 m，每层层高1.8 m，内含过道板、竖向承重构件、围挡和简易楼梯。

工具式外挂操作防护架除底层操作平台外，标准层操作平台长3.92 m，宽两端头1.3 m，中间0.8 m，呈“凹”形，操作平台主框采用8#槽钢，次框采用40 mm× 4 mm角钢，上面铺设厚3 mm钢板网，每层预留一个743 mm×450 mm楼梯口（图5）。

图5 主体架平面示意

2.2 挂臂梁

挂臂梁为工具式外挂操作防护架主要受力构件之一，它传递整个防护架对结构产生的内力。采用设置4根H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm挂臂梁，每根挂臂梁长3.5 m，满足劲性柱结构施工所需的操作空间及安全围护要求。挂臂梁与主架体连接形成整体，一端固定在楼层钢梁上（图6）。

图6 挂臂梁布置示意

2.3 上部操作平台

上部操作平台为工具式外挂操作防护架进行吊装、固定的主要操作面，对操作人员起到安全围护的作用，由操作平台和封闭围挡组成。

2.4 可调夹具

夹具为外挂操作防护架与主体结构钢梁连接的构件，夹具采用定型化设计，工厂内预制加工完成。利用双拼夹具将挂臂梁固定在楼层钢梁上翼缘，采用4根M24螺栓夹紧。夹具根据楼层钢梁布置的情况，分为普通夹具（图7）和加节夹具（图8）。普通夹具主要用于挂臂梁所固定在单根钢梁位置，加节夹具主要用于挂臂梁处于双梁连接位置。考虑结构施工所需操作空间和安全围挡需要，外挂式防护架可根据现场实际工况，利用可调行程夹具在挂臂梁上来回水平移动，最终固定，起到控制架体与楼层边线的位置关系的作用。为防止夹具滑脱，在挂臂梁上方两端设置限位角钢，起到保险作用。

图7 普通夹具

图8 加节夹具

2.5 辅助构件

吊耳：本操作平台吊耳设置于悬臂梁上。

安全绳网：本操作平台使用密目安全网，设置在楼层边线距离架体空间较大的底层、操作层；必要时在操作层和结构楼面之间铺设钢管＋木板作为硬隔离。

安全绳挂点：在操作面邻边顶部设置若干挂点。

3 工具式外挂操作防护架结构计算分析

外挂式脚手架受到水平风荷载与竖向人、机、材荷载作用，通过有限元软件建立模型，模拟不同的工况，对外挂操作防护架的核心部位与薄弱部位进行验算，并分析整体结构的强度、刚度与稳定性。

3.1 整体稳定性计算

防护架钢材型号为Q235，挂架主要构件截面数据见表1。

表1 挂架主要构件截面数据

根据GB51210—2016《建筑施工脚手架安全技术统一标准》选择模拟的荷载。外挂架承受机械设备带来的竖向恒荷载，主要考虑立杆及脚手板自重，取gk＝0.1 kN/m2。计算施工荷载时，考虑顶部2层挂架承受施工荷载，取qk＝2 kN/m2。在水平方向上，外挂架主要承受风荷载，考虑地面10级风，基本风压w0＝0.5 kN/m2，透风系数取0.5，标准风压wk＝0.25 kN/m2，根据挂架立杆从属面积换算为线荷载，分别取0.1、0.3 kN/m。对以上荷载进行荷载组合，验算水平向杆件承载力及变形采用1.2×恒载＋1.4×施工荷载，验算立杆、型钢悬挑梁承载力、稳定及变形采用1.2×恒载＋1.4×0.9×（施工荷载＋风荷载）。

荷载选取完成后建立有限元模型。挂架立杆及水平支撑杆件、型钢悬挑梁采用梁单元，脚手板采用板单元，吊篮部分采用铰接约束，挂架底部采用滑轮约束y向位移。

经计算，挂架钢构件最大应力值为200 MPa＜210 MPa，挂架型钢悬挑梁最大位移值7.7 mm，满足设计要求。由上述计算结果可知，当挂架上端与结构梁可靠连接，下端采用滑轮抵在墙或楼板上时，在地面10级风荷载及施工荷载作用下，挂架钢构件的强度满足要求，且型钢悬挑梁的变形较小，适合使用。

3.2 外围结构钢梁验算

挂臂梁作为主要受力构件，应对其强度进行验算。取挂架自重为45 kN，施工活载为2 kN/m2，采用荷载标准组合，考虑结构重要性系数为0.9。结构梁GL-1：HN450 mm×200 mm×9 mm×14 mm为悬挑梁，长度为700 mm，材料为Q345B（图9）。经计算，结构梁最大应力为360 MPa，小于其材料极限抗拉强度fu＝470 MPa，结构梁满足强度要求。

图9 结构钢梁计算

3.3 吊耳验算

吊耳分布如图10所示。

图10 吊耳分布示意

挂架自重为45 kN，塔式起重机吊装取动力系数为1.3，4个吊耳分别承重19.7 kN。

根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》对吊耳强度进行验算。

耳板65#截面为PL16 mm×144.6 mm，钢材牌号为Q345B，耳板承受的正截面应力为13.04 MPa＜310 MPa。耳板强度满足要求。

连接板64#截面为PL10 mm×60 mm，钢梁截面尺寸为HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，钢材牌号均为Q345B。连接板与钢梁焊缝尺寸hf＝8 mm，因此焊缝尺寸满足规范要求。正面角焊缝应力为8.4 MPa＜200 MPa。焊缝强度满足要求。

4 外挂操作防护架的应用

4.1 外挂操作防护架的施工部署

4.1.1 平面布置

项目塔楼30层以上为钢框梁＋核心筒结构，结构外围共有22根劲性圆柱。南、北方向的18根劲性圆柱采用附着式升降脚手架施工；东、西方向4根劲性圆柱由于结构轮廓变化较大，无法采用附着式升降脚手架施工，故采用工具式外挂操作防护架进行施工。工具式外挂操作防护架在标准层覆盖3个楼层，每施工完成一层利用塔吊提升（图11）。

图11 外挂架平面布置示意

4.1.2 施工流程

工具式外挂操作防护架采用塔楼塔吊进行提升安装，每次吊装一套防护架，每完成一层劲性柱后外挂式防护架提升至上层施工。具体流程如下：

1）外挂操作防护架挂于N＋2层，绑扎N＋1层劲性柱钢筋并支模。

2）外挂操作防护架挂于N＋2层，浇筑N＋1层劲性柱混凝土并养护。

3）外挂操作防护架采用塔吊提升并挂于N＋3层。

4）外挂操作防护架挂于N＋3层，绑扎N＋2层劲性柱钢筋并支模，循环上述流程至封顶。

4.2 外挂操作防护架的安装、提升及使用

4.2.1 现场准备

现场根据主体结构施工进度计划要求，需要明确合理的外挂式防护架进场时间，并提前书面通知厂家按要求时间运输材料。

施工作业前，现场技术安全人员组织操作班组成员集中熟悉主体结构图纸，了解主体外立面结构变化情况。吊装前，应对操作工人进行书面安全技术交底和操作技能培训。

外挂式防护架安装前，必须将前阶段施工所用的落地脚手架清除，保证安装面所需空间。其中，下支撑点处楼板（预埋短钢管与架体连接）混凝土至少保证2 d龄期。在挂臂梁操作面安装前，必须确保搭设完毕安全通道，用于其固定。

挂臂梁及可调夹具部位的相关桁架模板已按预定方案的区域进行暂缓铺设，便于外挂架的固定和安装。同时也要确保相关圆柱模板、脚手架钢管、方木等施工材料已运输至施工楼层内，避免外挂架就位后相关材料无法传递。

4.2.2 安装

外挂操作防护架采用现场地面拼装，拼装处地面应有较好的平整度。拼装顺序为：竖向吊架底部节→标准节→吊架转换接头→底板→踏板→侧网→端网→爬梯→顶部钢梁→专用夹具→上部围网。现场拼装应按施工图严格控制几何尺寸，结构的工作线与杆件的重心线应交会于节点中心，二者误差不得大于3 mm。

在现场安装过程中，应遵循以下顺序进行安装：钢结构梁吊装、焊接→巨型柱施工钢管脚手架搭设→防护架吊装、提升→防护架固定、拉结、隔离围护→绑扎钢筋→传递、支撑、封闭模板→浇筑混凝土→防护架吊装、提升。竖向主框架的垂直偏差应小于0.3%，整体垂直度偏差应小于0.4%。

外挂式防护架吊装就位后，将外挂式防护架钢梁与主体结构H型钢梁用专用夹具和螺栓连接牢固，及时将外挂式防护架吊架内立杆与硬拉结钢管用扣件＋钢管连接起来，底部做好安全隔离。

外挂防护架拼装完成并验收合格后，方可进行吊装、提升、施工。

4.2.3 提升及使用

现场拼装完成后的外挂防护架，采用2台安装于核心筒内的M900D、M440D型塔吊进行吊装。其中，M900D塔吊塔身56 m，扒杆50.4 m，半径47.5 m，起重量为18.4t；M440D塔吊塔身56 m，扒杆48.5 m，半径30 m，起重量为18.3t。工具式外挂防护架标准质量为4.5 t。根据现场塔吊位置、外挂防护架拼装位置以及外挂架质量综合比较，M900D和M440D塔吊完全满足吊装需要。

外挂防护架采用塔楼塔吊进行提升，每次吊装一套防护架，每完成一层劲性柱后外挂式防护架提升至上层施工。第1次吊装外挂式防护架的施工工况：在36层钢结构梁吊装、焊接完成，结构进行34框巨型柱、35层楼板的钢筋绑扎、预埋件设置、模板支撑、混凝土浇筑；以此类推，直到施工至77层。

外挂操作防护架提升前必须确保防护架体上所有零星配件、材料都清理干净，无建筑垃圾或其他材料遗留在上方。同时，必须确保先拆除挂架与结构上硬拉结以及松开专用夹具，并搬离活动荷载。

在提升防护架时，指挥、监护人员到岗就位，由专职指挥人员统一发布升降信号，发现问题及时通知总指挥，并停止提升，待故障排除后，方可重新提升。

防护架主架体下挂有7个操作层，覆盖3框楼层结构高度，每个操作层高度1.8 m，平均每个楼层覆盖2个操作层高度，每个操作层在两端均开设上下爬梯洞口，人员通过该爬梯，实现上下层的行走。外挂防护架覆盖3框结构，结构施工处于中间框位置，待混凝土浇筑完成后，将外挂防护架进行提升，此时施工层处于最下框位置，将原材料在下层传递至中间框后，进行结构施工，如此进行往复作业。由于主架体挂臂梁固定在结构钢梁上，因此该区域桁架模板暂缓铺设，此时每层需要搭设安全通道，用于安装人员到达指定位置进行挂臂梁安装固定。

防护架在空中停用时间超过一个月后或遇六级以上（包括六级）大风后复工时，均应进行检查，检查合格后方能投入使用。

外挂防护架在吊装完成后，及时利用钢管在架体与各楼层结构之间设置硬拉结，各楼层在架体左右方向各设一道。外挂式防护架的操作面限定荷载≤2.0 kN/m2，设2步施工作业层，严禁超载。

4.2.4 拆除

防护架提升至77层（＋323.60 m），待巨型柱模板拆除，柱表面整修完成后即可拆除。防护架采用塔楼塔吊整体吊运到地面后进行解体、拆除。

防护架在地面解体时，分解钢梁与吊架应当由塔吊配合，以防架体失稳、倾覆倒地。

防护架地面分解过程与拼装程序相反，遵循“由上而下、装后拆、后装先拆”的原则。

5 结语

苏州吴江太湖新城核心区B1地块超高层项目塔楼劲性柱施工研发的工具式外挂操作防护架，克服了建筑结构边线多变，常规防护架体难以满足防护需求的难题，避免了防护架体高空重复安装拆除等高风险作业，成功确保了项目的顺利实施，为外立面复杂造型的超高层建筑施工提供了一种新型、高效、安全的施工防护体系，可为此类防护架适用范围的拓展和类似工程提供借鉴。