整體鋼平臺模架體系模塊庫構建與模塊化設計

劉 鑫/LIU Xin

（1.上海建工集團股份有限公司，上海 200080；2.上海高大結構建造工藝與裝備工程技術研究中心，上海 201114）

1 引 言

近年來，隨著城市化的發展，越來越多的超高層建筑在各地涌現，超高層建筑的飛速發展對建造工藝與水平提出了越來越高的要求。整體爬升鋼平臺模架是適應于超高混凝土結構施工而研發的專業模架體系，具有整體性強、承載力高、安全封閉性好、施工高效等優點，經過多年發展，已經成為中國超高層混凝土結構建造的主流裝備之一。整體鋼平臺模架的應用幾乎覆蓋了超高層混凝土結構施工的主要周期，其工作周期長，能夠實現施工現場平臺、模架、布料設備、塔機、施工電梯等各類機械設備設施的協同集成應用，具備推動超高層混凝土結構向工業化建造模式轉型升級的能力，如圖1所示。

圖1 面向超高混凝土結構施工的整體鋼平臺模架設計

隨著超高層建筑數量的不斷增多，整體鋼平臺模架體系在不同工程項目之間實現周轉、進而降低工程施工成本，逐漸成為了項目施工方案比選中關注的重點內容。對整體鋼平臺模架體系進行系統的模塊化設計并構建通用化模塊庫，是確保其實現較高周轉率和通用性的重要途徑之一。基于通用模塊庫開展整體鋼平臺模架的設計，不僅可以依托模塊庫實現整體鋼平臺模架標準部件的數字化，設計模型的可視化，還可做到以少變應多變，達到節約投入、減少資源消耗的目的。

2 模塊庫構建

實現整體鋼平臺模架裝備的模塊化設計，關鍵在于對模架裝備各系統進行建模，建立一個數字化、參數化的模型庫，便于設計開發人員使用和管理。

整體鋼平臺的參數化建模，并不意味著對鋼平臺模架體系進行簡單的拆分。模塊化拆分必須以功能性為核心，將整個鋼平臺體系分解成若干不同的模塊與子模塊。通過對這些模塊共同要素的歸納、替代、排除和擴展，對其進行分類管理。

對模塊庫進行模塊分類時，需要盡量遵循“高內聚，低耦合”的基本原則。高內聚指的是一個模塊內部各個要素彼此之結合的緊密程度高；低耦合則是指模塊與模塊之間互相聯系的緊密程度低。所以，模塊之間盡可能的獨立存在，盡可能的獨立完成某項特定的子功能，模塊與模塊的接口盡量的少而簡單。

按標準化程度分類，可將模塊分成標準件和非標準件。標準件指的是結構尺寸固定不變的、通用的模塊，例如鋼平臺框架系統中的標準跨墻連桿、鋼柱爬升系統中的爬升鋼柱和爬升靴組件、電液伺服控制系統中的液壓油缸等。非標準件指的是結構尺寸和規格不一的拼配化模塊，這類模塊具有參數化和系列化的特點，設計選用時通過對關鍵參數的設定，可以快速得出所需的結構模型，例如腳手吊架、走道板、圍擋板、抗風連桿、防墜閘板、牛腿等。

按使用程度分類，可分為基本模塊、必選模塊、可選模塊和其他模塊?；灸K是指在整體鋼平臺模架體系設計時，無論任何情況下，其功能和主體結構不會改變，是整個模架體系設計的基點，如頂部操作平臺，控制系統等。必選模塊是指根據實際施工環境和要求，其主體結構有較大變化，但功能性卻又是不可缺失的模塊，如鋼梁爬升模塊和鋼柱爬升模塊?？蛇x模塊是指在設計和使用過程中，可以通過其他形式替代或者不需要集成在整體鋼平臺模架體系中的模塊，如照明等輔助模塊。

通過對這些模塊進行分類管理，每個模塊可獨立設計、自由創新，有充分的自主性，而且不同組合可以構成可變的、協調的、完整的體系。

3 基于模塊庫的設計流程

按使用程度分為基本模塊、必選模塊、可選模塊和其他模塊。以此作為模塊庫選用流程的基礎，常規流程如圖2所示。

首先，將結構施工要求具化成參數，并作為選擇規則對各一級功能模塊進行選擇。然后，逐級選擇設計，直至形成初步完整的設計內容。最后，對接口和局部細節進行深化設計，完成整個模塊化設計工作。

值得注意的是，在建立模塊庫時，模塊與模塊之間的功能關系可能相互交織，此時要預先考慮該模塊的功能和結構的契合性，并進行分類。另外，部分模塊需要進行冗余設計，預留功能的擴展余地，以提高模塊的通用性與兼容性。

4 設計案例

上海普陀真如副中心項目工程的塔樓為框架加核心筒結構，核心筒地上57層，結構高度296.7m，墻體結構變化明顯，過程中需進行多次收分，且伸臂桁架層與勁性柱結構復雜。采用模塊庫構建及模塊化設計方法，不僅最大限度地避免了施工過程中的結構碰撞，而且壓縮了設計周期，顯著提升超高層混凝土結構建造裝備的集約化水平。

根據模塊庫的常規使用流程，首先根據功能性確定整體鋼平臺模架體系的幾大一級模塊，如圖3所示。一級模塊有鋼平臺系統、電液伺服控制系統、爬升與支撐系統、內外架防護系統、大模板系統以及其輔助系統。

一級模塊的應用功能如下。

1）鋼平臺系統主要為施工人員操作平臺，及材料、設備的堆放場所。

2）電液伺服控制系統由一套集中控制系統和若干液壓設備組成，為鋼平臺爬升提供動力，控制同步爬升。

圖3 鋼柱爬升式鋼平臺功能系統圖

3）爬升與支撐系統是鋼平臺體系傳遞載荷、實現爬升的承重系統。

4）內外架防護系統主要滿足于施工人員綁筋和支模、拆模。同時做到內外圍護措施，防止高空墜落。

5）大模板系統用于混凝土澆筑。

6）輔助系統用于照明、監控等。

將以上一級模塊按使用程度分類。①基本模塊：鋼平臺系統和電液伺服控制系統；②必選模塊：爬升與支撐系統、內外架防護系統和大模板系統；③可選模塊：輔助系統。

以鋼平臺系統為例，鋼梁布置需要綜合考慮核心筒結構變化、鋼結構件的吊裝、桁架層施工、模板施工、施工電梯與塔機位置、鋼平臺導軌立柱、內外腳手架、整體受力情況等諸多因素。雖然鋼梁的結構受這些因素制約，但其功能和主體結構不曾改變，依然是通過框架模塊和標準跨墻連梁組合變化完成，故將其列為基本模塊，如圖4所示。

圖4 鋼平臺系統模塊分級圖

一級模塊鋼平臺系統由規格不一的標準單元框架、標準跨墻連梁及非標單元框架等若干二級模塊通過標準螺栓連接形成。其中，標準跨墻連梁可滿足剪力墻和伸臂桁架的吊裝要求。而三級模塊則包含了鋼平臺蓋板、格柵蓋板、圍擋等參數化非標件，并采用了工具化的拼配技術。

以爬升與支撐系統為例。爬升與支撐系統可分為鋼梁頂升式和鋼柱提升式兩種形式，兩者功能相同，結構完全不同，但又是整體鋼平臺模架體系中不可缺少的系統，故將其列為必選模塊，如圖5和圖6所示。

圖5 鋼梁頂升模塊

圖6 鋼柱提升模塊

根據工程特點的不同，需要選擇合適的爬升工藝。對于雙層剪力鋼板、伸臂桁架層吊裝，選用鋼梁頂升模塊，通過低位懸掛高度實現雙層剪力鋼板的作業要求。對于單層剪力鋼板、桁架層吊裝，選用鋼柱提升模塊即可。前者支撐在結構側面，后者支撐在結構頂部，并與支撐牛腿進行交替爬升。鋼梁頂升模塊中，伸縮鋼梁作為二級模塊可適用于不同跨度的施工需求。鋼柱提升模塊中的二級模塊，爬升鋼柱、爬升靴及油缸等為標準定型構件。豎向限位支撐和水平限位支撐為標準受力機構。

以施工過程中的墻體收分情況為例，根據實際施工要求，將其參數化并制成選擇規則，以此為作為內外架防護系統模塊的選擇依據，對模塊庫中的模塊進行逐級選擇。如圖7所示。

圖7 施工工況與模塊選擇關系圖

5 結 語

超高層建筑施工中，整體鋼平臺模架體系的模塊化設計研究可顯著提升建造集約化水平，減少設計成本，避免重復生產帶來的資源浪費，降低建造過程對環境的不良影響，達到降低勞動強度，提高產品周轉率和通用性的目標，促進了我國超高層建筑綠色建造技術進步。

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