淺析高層建筑施工垂直運輸設備使用及其發展

楊建良

摘要：對于現代化程度越來越高的中國來說，超高層建筑終將如小康生活一樣普及，動臂式塔機也必將伴隨著中國的現代化進程得到長足的發展，在建筑起重機械大家族，大型動臂式塔機定會持續獨領風騷。

關鍵詞：高層建筑施工 垂直運輸設備 使用 發展

中圖分類號：U615.38 文獻標識碼：A

1.大型垂直運輸設備發展背景

改革開放以來，我國以大國崛起的經濟發展形勢向全世界詮釋著“中國速度”，伴隨著經濟的快速發展是中國城鎮化進程的不斷加快，越來越擁擠的城市空間制約著國內城市向都市化前進的腳步，和世界其他許多發達城市一樣，中國也開始向天空尋找方向，隨之而來的是國內高層建筑如雨后春筍般在中國大地上一座座拔地而起，上海環球金融中心、南京紫峰大廈、深圳京基大廈、廣州西塔等均為名副其實的超高層區域性地標，包括公司在建的武漢中心項目以438米的設計高度引領華中之先。當然，作為建筑人，我們更關注的是他們崛起的歷程，歷數國內超高層建筑，無一例外的，大家都驚人一致的選擇了大型動臂式內爬塔機作為施工保障的生命線。高層建筑中超重結構單元的吊裝對起重設備的大起重量、大起升高度、大起升速度均提出了嚴格的要求，這就使得具備這些優勢的大型動臂式塔機成為典型超高層工程施工的首選，甚至是唯一選擇。作為華中地區率先開建的地標——武漢中心，其主塔樓施工所引進的中昇1250及法福克M900D看似無意實則必然，華中建筑機械行業將因此步入一個跨越式發展的全新領域。

2.高層建筑垂直運輸設備的使用

2.1 高層建筑垂直運輸設備的選型分析

2.1.1 性能參數符合高層施工需要

（1）大起重量。現代大型建筑工程基本都采用了鋼或鋼、混凝土組合結構，吊裝單元的重量大大提高，例如武漢中心項目巨型鋼柱有的重達36噸，水平臂塔機起重量和起重力矩都很難達到要求，而武漢中心引進的兩臺動臂式塔機起重量都達到64噸，滿足施工需要。

（2）大起升高度。采用了特殊的爬升體系，內爬或者外掛式支承，起重機可隨建筑結構整體爬高，起升高度大幅度提高，完全規避掉了平臂式塔機增高就必須加節、附墻的繁瑣工序以及由于過高而衍生的安全問題。

（3）大起升速度。動臂塔機普遍采用內燃機動力拖動方案，全液壓無級調速，帶負荷起升速度一般超過100m/min，運行平穩，有效解決能源緊張，規避了高層用電壓降等問題，同時杜絕偶發性斷電帶來的安全隱患。

2.1.2 結構特性適合高層施工

（1）作業空間限制。現代城市建筑空間越來越擁擠，傳統的平臂式塔機大臂經常覆蓋到城市道路或存在碰撞相鄰建筑物的風險，而動臂式塔機通過臂架俯仰可有效解決空間制約的難題。

（2）吊臂起伏角度大，尾部回轉半徑小。一般動臂式塔機的俯仰角度允許在15°～85°之間，相對于平臂式塔機，吊臂的大仰角相當于增加了塔身的高度，有效工作范圍得到極大擴展。

（3）吊臂穩定性好，安裝幅度范圍大。動臂式塔機吊臂設計基本采用“桿”結構，相對于平臂式塔機的“梁”結構穩定性更好，吊臂占整機結構重量比例更小，而最大起重量則更大。

2.2 大型動臂式內爬塔機的安全使用

2.2.1 支撐系統的安全

以武漢中心項目ZSL1250及M900D塔機為例，兩臺塔機內爬支承系統設計原理相同，均由三套結構尺寸相同的支承鋼梁配套而成，其中兩套組成結構支撐體系。下支撐抵抗垂直載荷，上、下支撐抵抗等效水平載荷，其平面投影重合，構成穩定的結構支撐體系。該套支撐系統穩定性好，力傳遞流為：爬升梯——鋼大梁——牛腿——附墻件——墻結構，最終將力傳導到建筑主體結構上，穩定性的關鍵在于牛腿與附墻件的連接及附墻件與墻之間的連接可靠性問題，上海環球金融中心施工方式采用外掛式支承，與武漢中心形式不同，但承力關鍵要素同樣是附墻系統的可靠性問題，支撐系統安全控制工作的本質相同。

2.2.2 風標效應

動臂式塔機當臂架由最大幅度變化到最小幅度時，其吊臂迎風面積將增加3～4倍，而當其臂架達到最大仰角時，風力的影響會大幅增加其臂架向后傾覆的危險。在使用中必須有針對大仰角工作狀態的應對措施，有相應的風力測試儀，風力達到一定程度時，限制塔機的仰角或停止工作。而在非工作狀態下，臂架按廠家使用說明書的要求置于一定的角度，使塔機有一定的迎風面積，產生風標效應，盡量減小風載荷對于塔機的影響，保證安全。

3.大型動臂式內爬塔機的發展趨勢

3.1 發展歷程

動臂式塔機是歷史上最早出現的塔機型式之一， 20世紀60年代，大中型塔機中，動臂式塔機的市場份額占近70%左右。但從20世紀70年代開始，以中國為代表的發展中國家開始加快城鎮化的建設，低成本、粗放型經濟發展方式使得成本低、靈活、快速、高效的小車變幅塔機取得絕對的統治地位。

隨著經濟的快速發展，建筑樓群的密集，使塔機的工作空間受限，迫使人們再一次改變觀念，從小車變幅改變為臂架俯仰，為塔機作業創造有利空間，越來越擁擠的城市將再一次為動臂式內爬塔機的復興帶來絕佳的發展契機。

3.2 發展趨勢

3.2.1 模塊化、緊湊化及簡捷化設計

動臂塔機在高層建筑中雖然有著不可替代的諸多優勢，但其昂貴的成本、大尺寸的結構以及復雜的安裝程序還是會讓使用者大傷腦筋，所以盡量使結構簡單，減少體積，提高結構可靠性，改善加工工藝，降低制造成本是全世界所有塔機廠家不可避免應該考慮的設計方向。模塊化的設計將大幅簡化安拆流程，以達到降低成本的目的。

3.2.2 性能優化設計

對動臂塔機而言，當動臂變幅時，由此會產生附加靜載力矩，想辦法平衡這一力矩會大大提高塔機的起重能力，有效解決此問題對大幅提升動臂塔機的起重性能極具意義。在機械方面的解決方法是移動配重，即當臂架向上變幅時，配重向接近塔身的方向移動，而當臂架向下變幅時，配重向遠離塔身的方向移動，這一設計極大地改善了塔身受力狀況，提高起重性能。

3.2.3 安全優化設計

對于動臂式塔機，制造商們一般允許臂架角度在15°～85°之間變化，隨著臂架的加長，要達到塔身周邊區域時臂架的仰角非常大，有時仰角甚至達到87°，這在有風的工況下臂架極易發生傾覆危險，但是如果將臂架下鉸點布置在回轉中心線后2米，在同樣的臂長和最小幅度時，臂架的仰角可以減小到83°，這樣就大大減小了臂架后翻的危險。當然這一優化設計的前提是塔身結構能夠承受足夠的彎矩，不過日本的IUKV700K動臂式塔機已將這一設計轉為現實。

3.2.4 人性化設計

人性化設計是一種全新的設計理念，它是為了在設計文化的范疇中，提升人的價值，尊重人的自然屬性和社會需求，對于動臂式塔機來說一般指司機室按人機工程理念設計，塔機裝有超重限位、超高限位、超幅度限位、保護制動器等多種安全保護裝置，整套系統由PLC（可編程邏輯控制器）監控，配合司機室內人機界面（觸摸式顯示屏），可以實時顯示吊重、吊鉤高度、幅度、風速等數據，自動化程度高，便于實現自動保護及故障查找。

4.結語

目前，世界第一高樓迪拜塔于2010年就已由動臂式內爬塔機構造完成，使用四臺法福克動臂塔機的在建中國第一高樓上海中心也早已突破了500米高度，我們有理由相信，只要建筑結構設計能夠達到的高度，大型動臂塔機也一定能夠達到。武漢中心，國產的大型動臂塔機中昇1250起重主參數已經達到12500KN·m，我們更有理由相信，只要國外產品能夠達到的性能指標，中國產品也一定能夠達到！

參考文獻：

[1] 夏大勇,練柳君,張輝.亭子口纜機運行效率提高的工作研究[J]. 水力發電. 2013(06)