超高層建筑施工電梯空中托換平臺體系的設計與應用*

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，超高層建筑日益增多。超高建筑體量大、高度高，施工人員與材料運輸量極大，因此施工電梯是超高層建筑施工中關鍵性垂直運輸裝備[1-3]，施工電梯垂直運輸系統設計合理與否直接影響到施工工期、建造成本，是超高層領域的重要施工技術之一。當前針對施工電梯應用研究的最大使用高度多為450 m以下[4-6]，針對450 m以上的研究則較少。當施工電梯使用高度超過450 m以后，垂直運輸系統設計的難度急劇增大，主要體現在：隨使用高度的增加，降效系數增大[7]；施工電梯標準節需采用超重型、重型、普通型混合配置的方式，工藝極為繁瑣，經濟性也較差；將長期占用一部分永久結構施工空間，對總體施工計劃造成重大影響。

1 工程概況

上海中心大廈位于浦東新區陸家嘴金融貿易區Z3-1、Z3-2地塊，毗鄰金茂大廈及上海環球金融中心，建成后將成為上海城市的新地標。工程占地面積約3.1 萬m2，總建筑面積約57 萬m2。建筑地上121 層、地下5 層，建筑總高度632 m，結構總高度為580 m，屋頂皇冠鋼結構位于整棟建筑頂部。

根據各施工階段垂直運輸的需求分析與統計，確定了施工電梯分階段使用方案，共在核心筒內布置10 臺施工電梯，施工后期利用部分永久電梯進行適時轉換，施工電梯平面布置及運行區間見圖1。受核心筒內主體結構布置的制約，L1、L2施工電梯無法利用永久電梯井道布置，占用了梁板結構的空間，其余均布置在永久電梯井道中。L2施工電梯基礎布置在基礎底板，下部出入口設置在首層，人員從地面進入電梯，用于核心筒外框架結構的施工，兼顧主樓低區前期施工階段使用。L1基礎布置在基礎底板，用于核心筒墻體施工，下部出入口設置在首層，人員從地面進入電梯，中間不停靠，使用中直達核心筒墻體頂部鋼平臺。

圖1 施工電梯平面布置

2 施工電梯托換平臺體系設計

L1、L2施工電梯的最大設計使用高度為450 m，而本工程中L1的實際使用總高度達610 m，L2的使用高度也超過450 m，均不能滿足施工電梯技術性能要求。為此，需對施工電梯標準節采取特殊的加強措施，使其滿足610 m的使用要求，但這樣既不經濟，也會長期占用核心筒E區的結構施工、設備安裝空間，進而影響總進度計劃。另外一種解決方案，是當電梯的使用高度達到450 m前，通過搭設標準節基礎平臺完成施工電梯的置換。如采用原位置換，則施工時間過長，并且難以解決塔吊操作人員的交通問題；如采用異位置換，需對鋼平臺模架體系進行較大的改造加固，并且會打亂原有的施工電梯垂直運輸系統，因此均不可取。

經綜合考慮，決定采用托換處理方案，即當核心筒施工至一定高度時，通過加設標準節托換結構對L1、L2施工電梯標準節實行受力轉換，快速完成施工電梯標準節的體系轉換。

2.1 確定托換平臺設置樓層

最佳的托換平臺設置樓層需滿足以下幾個條件：施工電梯使用高度在托換前后均小于最大設計使用高度；托換前后的標準節總長度基本一致，便于標準節配置；托換結構平臺擱置處主體結構滿足受力要求，盡可能不進行結構加固；結合工程的總體進度計劃，盡可能不占用絕對施工工期。為方便分析，將L1施工電梯的各標高空間關系示于圖2，由圖可見，L1的總服務高度滿足公式（1）要求：

假定托換前后的標準節總長度相等，即h1=h2。根據以往經驗核心筒領先外圍結構約20～25F，標準層高為4.5 m，由此可知核心筒的領先高度大約為h≈100 m，可得h1、h2的高度為：h1=h2=（H+h）/2=355 m

圖2 L1施工電梯托換立面關系示意

可得托換平臺設置高度為h1-h=255 m，此時上段標準節高度與下段標準節的總高度匹配性效果為最佳。48F的核心筒連梁為鋼骨混凝土結構，將托換平臺擱置其上，經計算不需進行結構加固即能滿足受力要求，因此決定施工電梯托換在48F（標高+224.2 m）實施。實際48F外框結構施工完成時，核心筒完成72F（標高+337.6 m），液壓頂升鋼平臺模板腳手體系正進行空中變形改造施工，因此不占用結構施工絕對工期。下段標準節的總高度為367 m，上段標準節的設置高度為360 m，均遠小于最大設計使用高度450 m的指標，滿足施工電梯技術要求。

2.2 托換后交通組織及防護方案

托換施工完畢后拆除下部人貨兩用電梯標準節，采用封閉施工的方法將核心筒分為上下2 個獨立施工段，下方的核心筒施工段可進行結構施工及設備安裝。人員、物資及設備由L6、L7施工電梯直接到達49F，或通過L4、L5及L8、L9接力的方式到達49F，再換乘L1、L2施工電梯分別到達核心筒頂部、外圍施工樓層。為此在49F布置通行棧橋便于人員進出電梯。核心筒施工時，在48F墻面預先留設16#工字鋼牛腿，并在其上擱置16#工字鋼邊梁，與托換平臺共同組成硬隔離平臺框架，托換實施階段在硬隔離平臺框架上密鋪14#工字鋼連梁，隨后鋪設由三花紋鋼板面板及40 mm×4 mm角鋼邊框組成的平臺面板，共同形成硬隔離系統，保證下方結構、設備吊裝施工的安全。

2.3 托換平臺結構設計計算分析

2.3.1 托換平臺結構設計

托換平臺結構由主梁及次梁組成，主梁、次梁均為工廠化加工的焊接工字鋼，托換平臺平面布置示于圖3。其中，GL-1通長加工，GL-2采用分段加工、現場拼接成型。4根主梁組成井字形骨架，并擱置在勁性混凝土連梁上，主梁與勁性混凝土連梁上的預埋件采用角焊縫焊接。預埋件由面板及錨板焊接而成，板厚均為20 mm，錨板與連梁內的鋼骨采用角焊縫焊接，面板預留2 個澆搗孔，確保連梁混凝土能澆搗密實，次梁為傳力構件，將施工電梯標準節傳遞至主梁。

圖3 托換平臺結構平面布置

施工電梯標準節與托換平臺之間的荷載傳遞通過轉換機構完成，其立面及平面見圖4、圖5。轉換機構由上托梁、下托梁、墊梁及角撐組成。角撐一側與托梁焊接、另一側與標準節立柱焊接后，方可將下部標準節拆除。墊梁與主次梁連接后，將立柱下端與托梁焊接，方能完成體系的受力轉換。

圖4 轉換機構立面示意

圖5 轉換機構平面示意

2.3.2 主體結構計算分析

為分析結構的強度、剛度性能，利用有限元軟件SAP2000結構分析軟件建立整體結構模型進行了分析，主體結構采用梁單元、面板采用殼單元模擬。最大應力比約為0.8，滿足設計要求，豎向最大變形為8.44 mm，滿足規范要求。

為保證結構長期工作安全可靠，需對結構進行抗疲勞驗算分析。計算得到托換平臺的最大動彎矩為340.25 kN·m，焊接部位主體金屬應力幅[8]為48.0 MPa。經估算，托換結構在服役期所經受的應力循環次數約為1.2×106次，按常幅疲勞模式計算得到的容許應力幅為48.0 MPa，滿足要求。

3 托換施工要點

（a）核心筒48F施工時，在混凝土連梁上表面安裝預埋件便于托換平臺的擱置。在核心筒墻面預留16#工字鋼牛腿及16#工字鋼邊梁，為硬隔離平臺安裝做好準備。

（b）48F樓面結構施工完成后，安裝卸料平臺，將托換結構各構件吊運至48F樓面，并移至核心筒的D區、H區、G區。同時在E區的47F搭設雙層安全網，保證托換施工時下方的安全。

（c）停止L1、L2電梯的運行，由M1280D塔吊將2 根GL-1主梁自核心筒H區分別吊運至E區，通過安裝在49F連梁梁底的神仙葫蘆進行人工牽引安裝就位，在GL-1下方搭設懸掛操作腳手（圖6），準備后續施工。

（d）由M1280D塔吊將GL-2分段由D區、H區吊運至E區，通過人工牽引就位，并臨時固定。經復測滿足定位要求后，施工GL-1、 GL-2的固結節點，隨后安裝次梁，形成托換平臺結構的骨架體系。

（e）依次安裝轉換機構的下托梁、上托梁，分別將角撐與托梁、標準節立柱焊牢。檢查合格后拆除下部標準節，并及時安裝轉換機構的墊梁，通過加勁三角鋼板將立柱與墊梁焊牢。安裝轉換機構的同時分區施工48F硬隔離平臺。

（f）托換施工各工序完成后（圖7），對施工電梯進行檢測。符合要求后，L1、L2施工電梯重新啟用。

（g）利用原有標準節安裝2 個小型梯籠，自上而上依次拆除48F以下標準節后，進行核心筒E區48F以下的結構施工及設備安裝。

圖6 現場施工實景一

圖7 現場施工實景二

4 結語

對施工電梯實施空中托換是滿足超高層建造要求的一項新技術，對解決施工電梯標準節過高的問題具有極強的適應性，本文以上海中心大廈建造為背景，對托換平臺體系的設計及實施進行了研究，取得了較好的效果，保障了上海中心大廈超高結構的順利施工，也為同類工程提供了參考，并得到以下結論：

（a）通過實施托換，使施工電梯標準節達到最優化配置，降低了超高標準節的配置難度，節省了大量材料；

（b）通過施工電梯的空中托換，實現了核心筒的分段流水施工，以托換平臺為基礎形成硬隔離，保證了下部的結構施工及設備安裝同步、安全進行。