超高層建筑樓層內(nèi)混凝土布料裝備研究

(1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；

2.上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201114)

1 超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑特點(diǎn)

在目前的超高層建筑中，鋼筋混凝土核心筒加外圍鋼結(jié)構(gòu)或外圍混合結(jié)構(gòu)成為了超高層建筑的基本形式。在核心筒施工中，一般采用在整體提升鋼平臺(tái)上安裝布料機(jī)來進(jìn)行混凝土澆筑，布料機(jī)隨著鋼平臺(tái)的提升而提升。在外圍施工中，出于安全性考慮，一般是鋼結(jié)構(gòu)吊裝完成后鋪設(shè)該層的壓型鋼板組合樓板然后再吊裝上一層的鋼結(jié)構(gòu)。外圍鋼結(jié)構(gòu)吊裝往往要滯后于核心筒施工8～10層，外圍鋼結(jié)構(gòu)樓層面的混凝土澆筑施工要滯后于外圍鋼結(jié)構(gòu)吊裝4～6層，這樣就導(dǎo)致了鋼平臺(tái)上的布料機(jī)無法在外圍鋼結(jié)構(gòu)樓層面施工中應(yīng)用。由于上述施工均已完成，導(dǎo)致了樓層面混凝土澆筑時(shí)有諸多限制，市面上沒有合適的布料裝備來進(jìn)行布料。

目前，該工況大多采用“退管法”進(jìn)行混凝土澆筑，即先從距垂直爬升管較遠(yuǎn)處開始澆筑，通過拆管邊退邊泵，最后進(jìn)行距爬升管較近處的混凝土澆筑。此方法進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)只能沿著泵管布置方向一條直線進(jìn)行澆筑，需要人工將混凝土扒至泵管無法澆筑的地方，存在泵管鋪設(shè)時(shí)間長、施工效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和污染施工環(huán)境等諸多問題，無法滿足現(xiàn)代施工的要求。建筑施工工藝工序和樓層層高決定了新型布料裝備需滿足以下幾點(diǎn)要求。

1）臂架展開滿足空間要求 由于上下都已鋪設(shè)壓型鋼板組合樓板，一般樓層凈高4m左右，這就要求臂架能在4m凈高內(nèi)的空間中展開工作。

2）上下樓及樓層間的轉(zhuǎn)場方便 上下都已鋪設(shè)壓型鋼板組合樓板，不適合頻繁利用塔機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)場；樓層分布在核心筒四周，在樓層間要做到布料全覆蓋需布置多臺(tái)設(shè)備或設(shè)備可移動(dòng)。

3）安裝位置的要求 只能安裝在核心筒四周或鋼結(jié)構(gòu)大梁及立柱上。

2 常規(guī)混凝土布料機(jī)

混凝土布料機(jī)是泵送混凝土的末端設(shè)備，其作用是將泵送來的混凝土通過管道送到要澆筑構(gòu)件的模板內(nèi)，它普遍應(yīng)用于高層建筑及大型建筑的混凝土澆筑施工。按安裝形式可分為：樓面內(nèi)爬式、電梯井內(nèi)爬式、塔式、船載式、移動(dòng)式和專用式；接臂架形式分為R式、Z式及RZ式。其可通過多節(jié)折疊臂的俯仰及展折變幅來改變布料半徑，布料半徑從12～45m不等，通過回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)水平方向運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)結(jié)合可在臂架長度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)三維立體空間的全方位澆注，無澆注死角，能方便地實(shí)現(xiàn)墻體、管、柱、樁等各種混凝土澆注作業(yè)，如圖1所示。

3 適用于樓層內(nèi)的混凝土布料裝備

針對超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑特點(diǎn)，結(jié)合施工工藝，本文提出了以下3種適用于超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑布料裝備。

圖1 常規(guī)混凝土布料機(jī)

3.1 核心筒外爬式布料機(jī)

本方案（圖2）采用了核心筒墻體外爬式的安裝方式，臂架形式上采用了3節(jié)臂水平回轉(zhuǎn)展開形式，包括附墻裝置、爬升導(dǎo)軌、液壓爬升機(jī)構(gòu)、臂架一、臂架二和臂架三。附墻裝置由預(yù)埋螺桿、錐形預(yù)埋螺母、附墻支座、附墻靴、附墻靴插銷、爬升承重插板和鎖緊螺母組成，主要用作布料機(jī)在核心筒墻體外固定支點(diǎn)，其可在排方案時(shí)考慮與液壓爬模系統(tǒng)共用部分附墻裝置。液壓爬升機(jī)構(gòu)采用與液壓爬模系統(tǒng)相似的爬升機(jī)構(gòu)，通過液壓缸、防墜裝置、調(diào)向裝置及爬升架實(shí)現(xiàn)豎直方向上的自我爬升，在爬升到位后采用受力體系轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將爬升平臺(tái)與附墻裝置完全固定。3組臂架均由鋼索、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)桁架、桁架臂、泵管、抱箍組成。臂架一通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在爬升平臺(tái)上，上部通過鋼索與爬升平臺(tái)相連；臂架二下部通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在臂架一上，上部通過鋼索與回轉(zhuǎn)桁架相連；臂架三下部通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在臂架二上，上部通過鋼索與臂架二相連；3節(jié)臂架均可通過回轉(zhuǎn)支承做水平方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2 核心筒外爬式布料機(jī)主要機(jī)構(gòu)

此方案通過爬升導(dǎo)軌和液壓爬升機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)豎直方向的爬升，通過3個(gè)回轉(zhuǎn)支承來實(shí)現(xiàn)臂架的旋轉(zhuǎn)，通過3節(jié)臂架的不同角度來實(shí)現(xiàn)布料點(diǎn)的變動(dòng)。由于臂架是水平旋轉(zhuǎn)展開的，避免了樓層內(nèi)的層高對展開空間的限制，在樓層內(nèi)可方便實(shí)現(xiàn)展開和收縮動(dòng)作，滿足了爬升和作業(yè)時(shí)的工況要求。布料機(jī)在施工作業(yè)期間只需進(jìn)行豎向混凝土泵送輸入管的拆接，其它都可利用自身進(jìn)行自動(dòng)化操作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了混凝土澆筑的施工效率，提高了混凝土布料施工質(zhì)量，降低了施工成本。但此方案也存在以下缺點(diǎn)：一棟建筑內(nèi)需布置多臺(tái)設(shè)備（圖3），增加了設(shè)備投入成本；在壓型鋼板組合樓板鋪設(shè)時(shí)需預(yù)留爬升孔，爬升后需補(bǔ)上，增加了施工工序等。

圖3 核心筒外爬式布料機(jī)布置圖

采用核心筒外爬式布料機(jī)樓層內(nèi)澆筑混凝土施工方法如下。

1）根據(jù)核心筒及樓層大小形狀合理確定布料機(jī)的位置及數(shù)量，在施工時(shí)預(yù)埋附墻螺栓并留出布料機(jī)爬升時(shí)所需的爬升孔。

2）利用現(xiàn)場塔機(jī)將布料機(jī)的各個(gè)部件吊裝至第N層并現(xiàn)場裝配。

3）裝配完成后爬升至第N+1層。

4）將豎向混凝土泵送管與布料機(jī)泵管連接。

5）在第N+1層內(nèi)利用3節(jié)臂架的不同角度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行混凝土布料。

6）在布料完成后收縮3節(jié)臂架并垂直于安裝面鎖定，進(jìn)入爬升狀態(tài)（圖4）。

7）拆除豎向混凝土泵送管與布料機(jī)泵管連接。

8）利用自身液壓爬升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)布料機(jī)的整體爬升一層樓面至第N+2層。

9）將豎向混凝土泵送管與布料機(jī)泵管連接。

10）將第N+1層預(yù)留的爬升孔補(bǔ)上并澆灌混凝土。

11）在第N+2層內(nèi)利用三節(jié)臂架的不同角度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行混凝土布料。

12）重復(fù)6～11步驟直至整體施工完成。

13）利用塔機(jī)進(jìn)行布料機(jī)拆除。

圖4 核心筒外爬式布料機(jī)爬升示意圖

3.2 軌道自行式布料機(jī)

本方案（圖5）采用了軌道自行式的安裝方式，臂架形式上采用了兩節(jié)臂水平回轉(zhuǎn)展開形式，包括泵管隨動(dòng)裝置、行走軌道、行走裝置、臂架一和臂架二。泵管隨動(dòng)裝置由固定泵管、管箍、彎管、可轉(zhuǎn)動(dòng)管箍、旋轉(zhuǎn)泵管一、滾輪支撐和旋轉(zhuǎn)泵管二組成；通過滾輪支撐在壓型鋼板組合樓板上的支撐可以帶動(dòng)泵管跟隨布料機(jī)運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。行走軌道由工字鋼軌道、橫梁、安裝座組成，其中安裝座安裝在建筑主體的大梁處并與需澆筑的混凝土等高，在混凝土澆筑完畢后預(yù)埋在混凝土內(nèi)部不予回收利用。行走裝置由滾輪組、驅(qū)動(dòng)裝置、鎖緊裝置、行走平臺(tái)組成；通過驅(qū)動(dòng)裝置可驅(qū)動(dòng)行走裝置在行走軌道上運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)布料位置時(shí)，可通過鎖緊裝置將行走裝置與行走軌道鎖定后開始布料。臂架由回轉(zhuǎn)支承、桁架臂、泵管、抱箍等組成；臂架一通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在行走平臺(tái)上；臂架二下部通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在臂架一上，上部通過鋼索二與桁架臂一相連；兩節(jié)臂架均可通過回轉(zhuǎn)支承做水平方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。臂架一為短臂架，臂架二為長臂架，布料機(jī)在行走時(shí)將臂架折疊固定，這樣就保證了行走時(shí)重心位置更接近行走裝置的中心，減輕了傾翻力矩。

圖5 軌道自行式布料機(jī)主要機(jī)構(gòu)

本方案通過行走軌道和行走裝置來實(shí)現(xiàn)水平方向的移動(dòng)，通過兩個(gè)回轉(zhuǎn)支承來實(shí)現(xiàn)臂架的旋轉(zhuǎn)，通過二節(jié)臂架的不同角度來實(shí)現(xiàn)布料點(diǎn)的變動(dòng)。由于臂架是水平旋轉(zhuǎn)展開的，避免了樓層內(nèi)的層高對展開空間的限制，在樓層內(nèi)可方便實(shí)現(xiàn)展開和收縮動(dòng)作，滿足了作業(yè)時(shí)的工況要求。泵管隨動(dòng)裝置可通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)泵管一和旋轉(zhuǎn)泵管二之間的夾角來適應(yīng)行走平臺(tái)和固定泵管之間的距離變化，做到了輸入泵管的免拆除。布料機(jī)在一層樓層施工作業(yè)期間只需進(jìn)行兩至三次輸入泵管的拆接，其它都可利用自身進(jìn)行自動(dòng)化操作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了混凝土澆筑的施工效率。但此方案也存在以下缺點(diǎn)：新增了軌道安裝拆除的工作量；布料機(jī)上下樓時(shí)需吊裝，占用了卸料平臺(tái)及塔機(jī)等。

采用軌道自行式布料機(jī)樓層內(nèi)澆筑混凝土施工方法如下。

1）根據(jù)核心筒及樓層大小形狀合理確定行走軌道的的位置。

2）利用現(xiàn)場塔機(jī)將各節(jié)導(dǎo)軌吊裝至第N層并現(xiàn)場安裝。

3）利用現(xiàn)場塔機(jī)將布料機(jī)的各個(gè)部件吊裝至第N層并現(xiàn)場裝配。

4）利用現(xiàn)場塔機(jī)將另一組導(dǎo)軌吊裝至第N+1層并現(xiàn)場安裝（另一組人員同步作業(yè)）。

5）將豎向混凝土泵送管與泵管隨動(dòng)裝置泵管連接。

6）在第N層內(nèi)沿著導(dǎo)軌行走并利用二節(jié)臂架的不同角度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行混凝土布料。

7）拆除豎向混凝土泵送管與泵管隨動(dòng)裝置泵管連接。

8）利用現(xiàn)場塔機(jī)將布料機(jī)的各個(gè)部件吊裝至第N+1層并現(xiàn)場裝配。

9）拆除第N層導(dǎo)軌并利用現(xiàn)場塔機(jī)吊裝至第N+2層進(jìn)行現(xiàn)場安裝（另一組人員同步作業(yè)）。

10）將豎向混凝土泵送管與泵管隨動(dòng)裝置泵管連接。

11）在第N+1層內(nèi)沿著導(dǎo)軌行走并利用二節(jié)臂架的不同角度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行混凝土布料。

12）重復(fù)7～11步驟直至整體施工完成。

3.3 履帶式布料機(jī)

本方案（圖6）采用了履帶式底盤自由行走方式，臂架形式上采用了單節(jié)臂水平回轉(zhuǎn)形式，包括泵管隨動(dòng)裝置、履帶底盤、臂架。泵管隨動(dòng)裝置由固定泵管、管箍、彎管、可轉(zhuǎn)動(dòng)管箍、旋轉(zhuǎn)泵管一、滾輪支撐、旋轉(zhuǎn)泵管二組成；通過滾輪支撐在壓型鋼板組合樓板上的支撐可以帶動(dòng)泵管跟隨布料機(jī)運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。履帶底盤采用定制的輕量化底盤加橡膠履帶組合，在滿足工況要求的情況下使其對壓型鋼板組合樓板的壓力最小。臂架由回轉(zhuǎn)支承、矩形臂、泵管、抱箍等組成，通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在履帶底盤上。

圖6 履帶式布料機(jī)主要機(jī)構(gòu)

本方案通過履帶底盤的行走及臂架的回轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)布料點(diǎn)的變動(dòng)。履帶底盤及臂架組成一臺(tái)可自由移動(dòng)式小型布料機(jī)，在樓層內(nèi)可自由移動(dòng)布料，滿足了作業(yè)時(shí)的工況要求。泵管隨動(dòng)裝置可通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)泵管一和旋轉(zhuǎn)泵管二之間的夾角來適應(yīng)行走平臺(tái)和固定泵管之間的距離變化，做到了輸入泵管的免拆除。布料機(jī)在一層樓層施工作業(yè)期間只需進(jìn)行2～3次輸入泵管的拆接，其它都可利用自身進(jìn)行自動(dòng)化操作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了混凝土澆筑的施工效率。但此方案也存在以下缺點(diǎn)：履帶底盤在壓型鋼板組合樓板上行走會(huì)對已鋪設(shè)好的鋼筋桁架有輕微影響。

采用履帶式布料機(jī)樓層內(nèi)澆筑混凝土施工方法如下。

1）根據(jù)核心筒及樓層大小形狀，合理確定固定泵管的出口位置及泵管隨動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)布料管一、旋轉(zhuǎn)布料管二的長度。

2）根據(jù)確定的方案由標(biāo)準(zhǔn)泵管、管箍、彎管、可轉(zhuǎn)動(dòng)管箍、滾輪支撐在所需澆筑樓層內(nèi)組裝泵管隨動(dòng)裝置。

3）利用塔機(jī)將履帶底盤和臂架吊至所需澆筑樓層。

4）將泵管隨動(dòng)裝置、履帶底盤及臂架按要求拼裝，并將其中的泵管通過可轉(zhuǎn)動(dòng)管箍連接成同一管路。

5）通過履帶底盤在壓型鋼板組合樓板上行走及臂架旋轉(zhuǎn)布料澆筑。

6）澆筑完成后將泵管隨動(dòng)裝置、履帶行走裝置及臂架拆除。

7）重復(fù)2～6步驟直至整體施工完成。

4 結(jié) 語

上述3種方案初步實(shí)現(xiàn)了超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑機(jī)械布料的功能，但在施工工藝工序及設(shè)備上仍然存在諸多需進(jìn)一步深入研究改進(jìn)的地方。隨著人力資源成本及施工質(zhì)量要求的不斷提升，自動(dòng)化、機(jī)械化是必然的發(fā)展趨勢，如何更快捷方便、高效安全、節(jié)能環(huán)保地實(shí)現(xiàn)超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑布料還值得進(jìn)一步深入研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉佩衡.高層建筑施工中混凝土布料桿的應(yīng)用和選擇方法[J].建筑技術(shù)，2001，32(1)：46-48.