上海长滩观光风塔施工关键技术

张伟德

(上海建工集团股份有限公司,上海 200080)

上港十四区工程位于上海市宝山区的西北角,是上海市“一江一河”发展“十四五”规划由东向西的起点,G1501和沪通铁路隧道自场地南侧横穿。上港十四区的整体转型开发项目是宝山滨江发展带老港区焕发新生机的一次产业布局大调整、城市空间的大释放,也是目前上海地区进行整体产业功能转型的最大项目。利用其滨江港口区位优势、自然资源和工程条件优势,逐渐从交通基础性设施向城市复合型生活功能转型,形成新的城市活力空间。其中观光风塔在基地东端,是整个区域的地标建筑之一,也是整个滨江轮廓线的至高点,其核心功能为G1501隧道浦西段出风口兼具观光作用。

1 工程概况

上港十四区项目用地面积28.6万m2,总建筑面积约147万m2,建筑单体近120栋。其中观光风塔项目建筑高度180 m,地下3层,地上18层,为一类高层建筑。其地下建筑面积745 m2,地上建筑面积8 986 m2。核心筒采用钢筋混凝土剪力墙结构,沿核心筒高度方向布置3道悬挑钢桁架,跳跃式分布12层悬挑钢梁,幕墙钢结构采用三角形组成竖向网壳体系,幕墙由三角形单元幕墙系统、上箍出风口百叶系统及下箍弯弧玻璃幕墙系统组成(见图1)[1]。

2 工程关键技术

2.1 液压整体提升钢平台

本工程建筑高度180 m,核心筒外墙厚度有两次收缩,B3F-4F核心筒墙体厚度600 mm,5F-13F核心筒墙体厚度500 mm,14F-屋面核心筒墙体厚度350 mm,此外在11F,13F核心筒部分墙体减少。为适应以上核心筒墙体变化,我们调整了钢平台的具体布置节点,采用可拆卸平台梁、可滑动内外脚手、可移动支撑及动力系统等方式,既保证了钢平台的整体刚度,又便于高空调节墙厚及局部拆除。

2.2 幕墙网壳钢结构分段拼装整体累积液压提升悬挂

上海长滩观光塔要实现360度观景效果,在塔身的3道桁架上分别悬挂最高达44 m长的圆形钢网架,下口安装滑动支座,为后续的玻璃幕墙做准备。幕墙钢结构由不共面三角形单元空间拟合而成,在地面设置台架分段拼装,桁架层设置液压提升系统逐渐提升,完成一段后进行整体提升。该工艺安装精度要求高,累计液压整体提升过程中要防止3 mm以上误差的产生,避免受力不均直接对塔身结构产生损害。

2.3 曲面三向斜交网格体系玻璃幕墙单元板块安装

风塔幕墙造型为圆形筒状,按照层高4 m的高度设计,幕墙总面积约15 000 m2。幕墙系统采用钢结构支撑的三角形单元式玻璃幕墙,标准三角形板块底宽2 312 mm,高4 000 mm,面积4.6 m2,可以解决板块间不共面的问题。板块安装根据工况分别采用环轨吊、塔吊及地面汽车吊安装[2]。

3 施工技术

3.1 液压整体提升钢平台体系施工技术

3.1.1 液压整体钢平台体系概述

根据观光风塔核心筒结构特点(见表1),采用了液压整体钢平台体系进行核心筒混凝土结构施工。该体系由整体钢平台系统、钢柱爬升系统、筒架支撑系统、内外挂脚手系统和钢大模板系统等五部分组成(见图2)。该体系采用模块化设计、构件化加工,在结构体型适应性、安全性、经济性等方面优势明显[3-4]。

表1 风塔结构概况表

钢平台系统位于设备顶部,主要作为施工作业平台以及物料中转的堆场,具有较大的承载能力。中央控制室布置在钢平台上,负责整个液压系统的同步工作。钢柱爬升系统在钢平台体系爬升过程中支撑在核心筒混凝土结构顶面上,爬升立柱上配有各种传感器,钢平台系统顶升作业过程中的实时测量数据通过传感器采集并传送到中央处理计算机上。中央处理计算机通过数据分析及系统调节控制液压油缸工作的同步性,及时进行纠偏,以保障施工的安全性。筒架支撑系统在钢平台体系施工作业状态时提供支撑作用,筒架支撑系统与内脚手系统相连接,核心筒内较大的区域为筒架支撑系统,局部狭小空间为下挂脚手,协同实现脚手功能。钢柱爬升系统与筒架支撑系统轮换协作,可在爬升过程及施工作业过程中实现钢平台体系的交替支撑。

脚手系统悬挂于钢平台系统下方,内外脚手共6层。上3层为钢筋、模板施工区,下3层为拆模整修区。脚手架系统1层—5层道板采用钢板网,底部走道板采用薄钢板。为配合核心筒墙体的收分,整个外挂脚手可滑移,脚手架顶部与钢平台采用滑轮连接,可以满足施工时脚手与墙面的距离要求。

针对多段圆弧混凝土墙体收分及伸臂桁架层等复杂工况设置钢大模板,每个钢大模板用手动葫芦挂在钢平台钢大梁吊点耳板上。模板主要包含一个外侧圆弧基础模板,一个内侧圆弧基础模板及多个收分模板,为便于模板拆除配套使用整体阴角模板。

3.1.2 核心筒标准层施工

现场主体施工工况主要分为以下三个阶段:

-0.100 m～20.250 m为第一施工阶段,非标准层采用传统脚手模板体系进行施工。

20.250 m～148.250 m为第二施工阶段,钢平台体系及人货梯安装进行标准层施工。

148.250 m～179.900 m为第三施工阶段,钢平台体系拆除后按常规模板体系施工至屋面。

钢平台体系从结构标高20.250 m核心筒墙体施工完成后开始安装。现场材料垂直运输采用塔吊,人员及零星材料运输采用人货梯。核心筒内设置两根竖向泵管,采用二泵二管进行混凝土施工。

具体施工工艺如下:

钢筋预先由塔吊吊运至钢平台顶面堆放,堆放钢筋数量根据平台承载力确定。作业人员在钢平台顶面通过格栅板传递至钢平台下方墙体位置,由脚手架以及筒架支撑上的作业人员进行绑扎。钢筋绑扎完毕后,进行模板工程施工。混凝土输送至钢平台顶面由布料设施进行混凝土浇筑,作业层结构施工完毕。钢平台体系爬升后准备施工下一层结构。

本工程人货梯布置于风井内,人货梯位于钢平台体系内的标准节附墙支撑结构集成在钢平台内,并随钢平台一起爬升,钢平台体系下部的标准节通过附墙件与混凝土井壁拉结。人员及部分物料可以通过人货梯直接运输到核心筒施工层,极大地提高了施工效率。

3.2 幕墙钢结构安装

3.2.1 风塔幕墙钢结构概况

幕墙钢结构为三角形网壳体系,虚拟层高度4 m,每层由72个三角形单元拟合而成。杆件均为箱型截面,截面尺寸为100 mm×300 mm×14 mm。出风口以下三角形网壳为吊挂形式,分为三个吊挂段,每个吊挂段通过上端铰接节点和下端滑动节点与主体结构相连,支座数量每层36个,平面范围内沿圆形均匀分布。出风口以上三角形网壳体系通过每层铰接节点和主体结构相连。第一道桁架层和出风口外围设有两道弯弧钢结构体系。网壳竖向并非连通的整体,而是通过4道变形缝将网壳分为了五个区段。网壳总用钢量约1 650 t。

3.2.2 风塔钢结构施工技术路线

风塔幕墙钢结构施工总体流程如下:屋顶塔吊置换→钢网架提升平台安装→制作提升悬挂段一幕墙钢结构→提升装置移位、搭设硬隔离→制作提升悬挂段二幕墙钢结构→制作提升悬挂段三幕墙钢结构(施工第二、第三提升段同步塔吊吊装136 m以上幕墙钢结构)→汽车吊吊装地面段幕墙钢结构→塔吊补缺提升设备层等剩余幕墙钢结构。

出风口以下幕墙钢结构利用在桁架层设置的提升系统进行提升安装,最大提升质量424 t,最大提升行程92 m。采用6套液压提升机构布设于桁架层,以单套提升重量200 t,总提升重量Q=1 200 t的起重性能工况进行钢结构的提升安装。提升系统分别搭设在136 m及88 m的桁架层,在桁架层安装6部支撑钢平台,分别设置6套液压提升千斤顶。中央计算机控制整体提升系统布置在地面风塔附近,实时监控整个提升状态。

在地面设置一套拼装胎架,幕墙钢结构8 m(两层)为一个拼装单元,在胎架上拼装完成后用液压提升机构提升8 m,再次拼装8 m连接至已提升单元,如此累积提升,直至吊挂段整体拼装完成,最后整体提升到位(见图3)。

出风口以上幕墙钢结构用核心筒RF层布置的一台ZSL120塔吊进行安装,将幕墙钢结构分成标准吊装单元,从下向上,逐层闭合成圆环施工。ZSL120以L=26 m,R≤15 m,T=8 t的起重量进行幕墙钢结构吊装,吊装单元最重1.5 t。

1层—3层幕墙钢结构用50 t汽车吊1台进行安装。圆箍分成标准吊装单元,按顺时针方向闭合成圆环。

3.2.3 幕墙钢结构的安装测量

本工程结构超高,核心筒相对细小,塔吊工作造成的震动、日照变化、风载等都会造成核心筒的变形。为保障施工精度,我们确定了圆形钢网架长达近48 h的“大型钢结构整体提升”方案,提升过程中要防止3 mm以上误差的产生,避免受力不均直接对塔身结构产生损害。在提升装备的设计上除了在提升平台安装气象控制箱外还创新引入了“智能自动跟踪测量设备”和“数字化结构监测装置”,便于实时高效地获取提升数据。凭借“计算机同步控制液压整体提升自动纠偏+智能自动跟踪测量”的创新应用,把6个提升点位的同步提升精度偏差,精准地控制在3 mm以内,在如此巨大的钢结构整体安装中,在行业领域实现了新的突破。

3.3 曲面三向斜交网格体系玻璃幕墙安装

3.3.1 幕墙系统概述及系统描述

类型1:风塔标准层三角形单元玻璃幕墙系统(风塔除5,6,7,11,12夹层外其他位置)。

类型2:风塔设备层半隐框圆弧玻璃幕墙系统(风塔5,6,7层圆弧玻璃区域)。

类型3:风塔设备层金属百叶幕墙系统(风塔11层、12层)。

3.3.2 幕墙安装

本工程幕墙形式是单元板块幕墙组成。跟随钢结构施工同步测量,选取多个控制点校核钢结构精度;单阶段钢结构吊装完成后,进行沉降稳定变形,稳定变形后进行复测,该数据导入BIM模型进行合模,作为后期下料及施工定位依据。根据现场的实际情况,考虑楼层高度安全问题,本工程大面使用环形轨道吊装系统进行单元板块的安装,环轨吊布置层以上板块利用屋顶塔吊进行安装。风塔幕墙总体划分为五个施工区域,以上下箍区分,A区为地面至下箍下口(±0 m～+36 m),B区为上下箍之间(+48 m～+132 m),C区为上箍以上部分(+148 m～+180 m),以及下箍(+36 m～+48 m)、上箍(+136 m～+148 m)共计五个区域。

根据总体施工进度,环形轨道吊装系统搭设在10层。轨道材料主要包含25号工字钢、22号工字钢、20号工字钢环形轨道吊装系统主要由里外两道环形轨道和行车电机吊装系统组成(见图4)。

环形轨道经由设计部门根据结构形式并进行受力计算,轨道悬挑工字钢前端用83 mm×6 mm圆钢管与上一层钢结构连接,与钢结构垂直部位通过20号工字钢进行满焊连接,经计算此两处连接方式已满足吊装及硬防护的受力要求;悬挑工字钢在钢结构内侧楼板位置通过与楼板或结构主梁用Φ16钢条丝杆抱箍形式连接,起到辅助固定作用。

垂直运输索道由1根8 mm钢丝绳通过顶端的2个定滑轮转到地面端头固定,钢丝绳的两端分别固定在地面埋件和耳板连接结构上组成,底部将耳板焊接在80 mm×80 mm×5 mm底托上,底托通过埋件与混凝土地面连接来保证整个运输索道的稳定。

普通位置单元板块的安装:

单元体板块通过移动式吊机利用索道提升到安装层后,吊机挂钩调换到轨道吊车吊钩,通过环轨水平运输到安装部位,此时的单元板块处于安装部位上方,然后慢慢的放下单元板块,单元板块安装上下位置的施工人员与已安装完成的转接件或单元板块进行插接对正,无误后完全放下单元板块,吊装完成。风塔室内部分东侧空间较大、该区域安装单元板块及室内铝板施工无法正常室内施工。风塔室内4层(12.3 m～36.3 m),7层(44.0 m～88.0 m)及9层(92.3 m～132.3 m)区域使用上方楼层下口设置的定点吊篮辅助施工,其余空间较小部位和标准层内采用脚手架辅助施工;室外使用在9层、10层的环轨外侧轨道上设置的滑轨吊篮辅助施工。

两个圆箍下方一层单元板块的安装两个圆箍下方一层区域单元板块各72块,因圆箍钢结构突出单元安装面790 mm,此区域单元板块离圆箍钢结构较近,板块就位时位置受限难以到达安装垂直点,此部位安装措施采用塔吊将单元板块运输到安装位置,采用两个1.5 t手动葫芦进行换勾就位,葫芦挂钩与板块连接后开始手动吊装,在葫芦吊将板块吊到安装垂直位前塔吊吊钩先不要拆除,此部位操作需要细微调整,在确定葫芦吊装完全到达垂直安装位后,将塔吊吊钩摘除,用两个手动葫芦缓慢细微调整安装就位。

本项目风塔幕墙系统为钢结构支撑的单元式玻璃幕墙,风塔完成面为曲面造型,考虑单元挂点不共面及钢结构沉降变形等问题,现场采用天宝TX8进行现有钢结构整体的扫描,扫描整体外立面距离比较远,用精度最高的模式进行扫描,一站大约要30 min,扫描一次要各个角度总共15站左右。扫描后的数据导入BIM模型进行合模入模中测算出具体误差,根据误差数据进行后续幕墙转接件、单元板块加工调差处理。

4 结语

本文结合工程实践,阐述上海长滩观光风塔建造关键技术,其中的钢柱筒架交替支撑式液压爬升整体钢平台,幕墙网壳钢结构分段拼装整体累积液压提升悬挂安装工艺,超高层曲面三向斜交网格体系玻璃幕墙单元板块安装工艺等方面均取得了显著的示范效应,有些已达到了国内先进水平,对同类工程具有很好的借鉴作用。