300 m以上的超高層建筑施工核心建造裝備策劃及應用

耿 濤

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

1 研究背景

伴隨著我國城市化進程加速，城市土地資源越來越稀缺，城市化發展對超高層建筑的需求將持續增長，超高層建筑的建造已經是我國城市，尤其是中心城市發展的必然趨勢。在我國經濟社會的發展進程中，正逐漸形成幾大區域發展中心，如長三角地區、珠三角地區、京津環渤海灣地區、中原地區、西部地區和東北地區等，這些地區的中心城市CBD地區，都有大量在建或擬建的超高層建筑。

本文結合我公司最近幾年完工或正在施工的超高層建筑項目作為參考案例，包括已經完工的高632 m的上海中心大廈，已竣工的高320 m的浦西第一高樓白玉蘭廣場（圖1），正在施工的高349 m的昆明恒隆廣場（圖2）和高358 m的吳江綠地等。

通過前期策劃，過程追蹤以及完工總結，對超高層建筑建造的主要關鍵技術路線等相關因素進行綜合分析，研發與其配套的適應性強、自動化程度高、性能先進的核心建造裝備，滿足日益復雜的超高層建筑施工需求。

2 關鍵技術路線解析

2.1 基于復雜多變結構體系的超高層建筑模架體系設計

圖1 上海白玉蘭廣場

圖2 昆明恒隆廣場

超高層建筑結構體系中核心筒墻體和外框巨柱結構會存在不同程度的截面收分、斜向變形和臨空變形等變化。同時由于體系內伸臂桁架及剪力鋼板的存在，這些都給結構施工帶來較大困難，因此必須在兼顧高效施工和安全施工的同時，設計出適應性強的超高層模架體系[1-3]。

2.2 超高性能高強混凝土配制與泵送

1）高約束狀態高強混凝土防裂難度大。塔樓的核心筒墻體內暗埋了大量剪力厚鋼板，鋼結構和鋼筋工程相互位置關系復雜，在超厚鋼板、大量配筋等強約束下的高強混凝土裂縫控制施工，以及混凝土澆筑密實性控制難度大。

2）高強混凝土的超高泵送性能要求高。越來越多的項目中要求將C70及以上標號的混凝土泵送至高300 m以上。考慮到地區材料的差異性以及一泵到頂的施工工藝，對現有泵送設備的泵送能力提出了較高要求。

2.3 基于大噸位鋼結構吊裝的超高空群塔布置

鋼結構總量大，大量的主構件為超重超大件，塔吊的選型及數量對工程成本影響較大。同時受結構特點及場地條件所限，塔吊的安裝位置也將對堆場行車布置、運輸計劃、構件的進場和安裝安排、輔助機械的停放等造成極大影響。

2.4 大體量垂直運輸系統設計與配置

超高層建筑工程體量超大，牽涉到同時段作業專業分包多，施工電梯布置的合理與否將直接影響工程進度，同時施工電梯后期與永久電梯的使用轉換合理與否將會是保證工程順利建造的關鍵。

3 超高層建筑建造技術路線簡析

3.1 總體施工技術路線

工期往往是超高層建筑建造最為關鍵的因素之一。而塔樓的工期作為關鍵線路又是重中之重，為確保其順利完成，我們一般會制訂塔樓區先進行施工、裙房區后續施工的總體思路，裙房區域可根據場地及周邊環境情況選擇逆作或順作的作業方式[4-5]。

例如在上海中心大廈和上海白玉蘭廣場的施工中，采用深大基坑中部先進行順作、裙房后續逆作相結合的高效分區支護技術，中部順作區域先進行施工，縮短主樓關鍵工期（圖3）。

圖3 上海中心大廈“主順裙逆”

3.2 地下室結構施工技術路線

常規施工中，塔樓地下室結構核心筒部分和外框部分往往同步施工，如能和圍護設計單位、結構設計單位及早溝通，則可以進一步開創新思路，將支撐體系優化，地下室核心筒避開支撐結構先進行施工，外框結構滯后施工。例如高349 m、地下4層的昆明恒隆廣場（圖4）塔樓地下室核心筒先進行施工，核心筒施工至6層時，安裝整體爬升鋼平臺模架體系。再如高300 m左右的上海恒基中心（圖5）塔樓在地下室施工至地下1層時，其中核心筒先進行施工，外框滯后施工，確保關鍵線路進度。

圖4 昆明恒隆廣場

圖5 上海恒基中心

3.3 上部結構施工技術路線

塔樓上部結構施工主要分為核心筒施工、巨柱混凝土結構施工、外框鋼結構施工和核心筒水平結構及外框梁板施工，形成多階梯式工況。

塔樓核心筒結構先進行施工，核心筒墻體作為關鍵線路先行施工并安裝模架體系，隨后進入正常施工節拍。

外框鋼結構吊裝落后核心筒4～10層，外框梁板柱混凝土施工落后外框鋼結構吊裝4～5層。其中核心筒內水平梁板結構與外框梁板柱混凝土施工同步。

幕墻施工則處于最后一個節拍，落后1～2個施工分區（圖6）。

圖6 階梯式施工立面示意

4 模架體系設計

4.1 主要考慮因素

1）超高空作業的安全可靠性。該套模架體系必須給作業人員提供安全的操作平臺，方便其施工。

2）頂升、爬升或提升的高效性。模架體系每一次的提升都能夠高效順利完成，盡量不影響主體結構的施工進度。

3）由于結構體系的復雜性，需充分考慮因核心筒收分、墻體厚度變化帶來的不利影響，以便于在高空中的重新拆除與組裝。

4.2 常規模架體系適應性分析

4.2.1 整體液壓鋼平臺模架體系

該體系由5大系統組成，分別是鋼平臺系統、全封閉腳手架系統、爬升系統、模板系統和支撐系統。其中以混凝土結構為支承點，以液壓油缸頂升或蝸輪蝸桿提升機為動力，通過交替支撐完成綜合爬升，并在兩側腳手架中完成各作業面的施工。該套體系主要用于超高層結構的核心筒結構的施工（圖7）。

優點主要體現在以下3個方面：

1）提供大承載力整體施工平臺，解決超高空作業堆場問題。

2）體系自適應能力強。針對筒體的多次變形收分，超高伸臂桁架層等特殊工況，能靈活應對。

3）集成性高。平臺上裝載布料機解決超高空混凝土泵送，施工電梯直達鋼平臺，垂直運輸效率高。

其缺點最主要還是體現在造價方面，成本相比其他體系要高。

4.2.2 液壓爬模體系

液壓爬模體系由爬升機械系統、液壓動力系統、電氣控制系統、操作平臺系統和大模板體系5大系統組成，采用液壓動力對導軌和爬架交替頂升，同時實現帶模爬升，是超高層結構尤其是核心筒結構的一種常用施工裝備（圖8）。

圖7 整體提升鋼平臺模架體系

圖8 液壓爬模體系

爬架僅僅在筒體外框提供封閉安全的操作平臺，內部則還需借助井架或其他腳手體系才能完成同步施工，其架體高度和質量都遠小于鋼平臺體系。

主要的優點表現在有一定的適應能力，針對結構的收分變形，實現分段爬升、斜面爬升和帶模爬升，同時造價相對便宜些。缺點主要體現在整體性上，堆載能力欠缺，裝備集成能力差，施工效率和安全性要打些折扣。

4.2.3 整體提升腳手架體系

整體提升腳手架體系由腳手系統、提升系統、支撐系統、防墜系統、防傾系統構成。傳統的體系骨架由鋼管、綠網組成，安全性較差，我們在此基礎上進行研發改進，采用鋼板網模塊化設計的方法，實現了腳手體系雙維度的標準化設計與組裝，增強了超高層結構施工中的適應性和防火安全性。該體系可廣泛用于超高層核心筒或外框結構的施工，并可衍生用于外圍的安全防護體系（圖9）。

新體系的優點顯而易見，工具化的拼裝方式使得整個體系構造簡單，成本低，提高了施工工效；缺點是自動化程度低，集成能力差，堆載能力欠缺。

5 大型機械塔吊配置

這里主要針對塔樓上部結構展開分析，裙房以及地下室結構不作討論。

圖9 整體提升腳手架

超高層建筑鋼結構總量多，噸位大，上部鋼構件基準分段質量可到50～60 t，由于大型塔吊成本較高，施工時間長，因此在優化鋼結構分段的同時，還要盡可能地減少吊裝和現場焊接的工作量。因此塔吊型號和數量的抉擇便成了技術路線策劃里很重要的一個環節。

5.1 結合成本的塔吊數量確定

根據超高層建筑大廈高度的不同，針對高300～500 m的大樓，通常情況下配置2～3臺大型塔吊，規格為500 t-m級以上，而高500 m以上的大樓則須考慮配置3～4臺大型塔吊，塔吊為900 t-m級以上。

5.2 塔吊安裝位置最優化

塔吊安裝位置的主要影響因素主要考慮以下3個方面。

1）受場地限制的塔吊起吊半徑。盡可能地利用塔樓周邊的空地，在最大程度上發揮塔吊的起重半徑。

2）結構體系的變形和收分。確保塔吊的提升梁或者提升框能借助結構體系受力起到支撐作用。避免在超高空進行移位，減少安全因素。

3）外掛和內爬2種塔吊形式的選擇。前者針對塔吊平衡臂之間可能相碰的矛盾，可以更好地在空間上拉開距離，起吊半徑相對較大，但如果遇到結構體系的變形或收分，則后續的加固或移位危險系數較大。后者布置在核心筒內爬升，如能在空間上進行合理避讓，安全性會更好一些。

我們在塔吊的布置點位上主要分為“十字對稱型”“三足品字型”以及“兩點平衡型”。例如上海中心大廈的施工，我們在核心筒外框布置4臺M1280D塔吊。又如我們在66層高320 m的白玉蘭廣場施工中，在斜對角布置了2臺M1280D塔吊。

6 超大體量垂直運輸配置

超高層建筑施工體量大，涉及專業分包多，因此垂直運輸量大，同時對垂直運輸管理也提出了較高要求。由于塔樓核心筒內電梯井道較多，且井道洞口尺寸較大，因此常規情況下我們會利用其布置臨時施工電梯。

6.1 施工各階段運能分析

從結構施工階段開始至機電、幕墻和裝修等各專業分包依次進入交叉施工時，根據以往施工經驗，對人員及貨物垂直運能進行分析，如表1所示，再根據運營情況投入合理的施工電梯數量。

表1 人員及貨物垂直運能分析

6.2 施工電梯與永久電梯的轉換

需考慮在工期緊張情況下的施工電梯與永久電梯的轉化。首先，如果施工電梯長時間占用核心筒井道，必將影響對應位置結構區域的補缺；其次，外部臨時施工電梯的使用必將對幕墻的完全封閉產生影響。上述因素都會對最終的工期進度產生不利因素[6-7]。

6.2.1 電梯基礎托換

針對最先投入的為塔樓核心筒結構服務的施工電梯，在中后期對其進行基礎托換，完成后，新基礎下方的結構可及早進行封閉。

6.2.2 躍層電梯啟用

躍層電梯作為一種新的電梯安裝技術，其工作的基本原理是將已完成的部分井道臨時封閉，并在井道頂部臨時固定移動機房，安裝電梯動力裝置、轎廂及其他電梯部件，安裝完成后可在已封閉的井道內運行，進行施工材料、設備和人員等的垂直運輸，兼作施工電梯使用；等結構封頂后，電梯更換部件再次安裝調試，就可以轉換為正式電梯了。

躍層電梯運行速度由普通施工電梯的1 m/s提升至4 m/s，單臺躍層電梯的乘客運力是同規格施工電梯的約12倍，同時極大地加快永久電梯的啟用時間，相比常規的電梯安裝方法，完工時間提前約120 d，為外框施工電梯封閉幕墻創造有利條件。我們在昆明恒隆廣場的建造中就啟用了2臺躍層電梯。

6.2.3 全內置化施工電梯

常規思路中，我們會在核心筒內和塔樓外框設置一定數量的施工電梯以滿足垂直運輸的施工方案。等核心筒內永久電梯開始啟用后，再將外框的施工電梯逐步拆除，往往就是這樣的時間差導致幕墻未能及時封閉，而影響后續的機電裝修。因此我們考慮將所有施工電梯全部布置在核心筒內。例如上海中心大廈采用10臺人貨兩用電梯，全部布置在核心筒內，后期采用9臺永久電梯分階段轉換，并且在52層對核心筒內最早啟用的2部施工電梯進行超高空建筑基礎托換。

7 超高強混凝土泵送

7.1 超高壓泵及泵管配置

超高層建筑混凝土泵送一般采用一泵到頂的工藝，因此對現有設備的泵送能力要求很高。

高300 m以上的超高層建筑我們一般會選用HBT90系列的大功率固定泵，在現場泵送過程中，同時根據樓層高度合理地進行高低壓泵送切換。

7.2 配套泵管

通常我們會選用3套D150超高層耐磨輸送管，做到二打一備，滿足泵送壓力及耐磨性能。為了平衡垂直管道混凝土產生的反壓，同時結合現場交通組織，在首層鋪設長為50～60 m的水平管道，或以增加90°彎管的形式進行長度補償。

7.3 終端布料設備

靈活選用終端布料設備。若在模架體系平臺上，可考慮固定布置長臂型布料設備；若在尚未完成澆筑的結構面層上，可布置成可移動型的短臂輕型布料機。例如我們在上海中心大廈核心筒的施工中配備了2臺28 m的布料機，在昆明恒隆廣場的超高泵送中配備了2臺21 m的布料機。

8 結語

300 m以上超高層建筑的施工過程中，對施工技術裝備提出了全新的要求，結合已有案例，通過對項目關鍵技術路線的策劃梳理，我們逐步形成了可成套的超高層建筑建造裝備，通過技術的不斷積累以及示范應用，可以極大地提高企業的機械化、自動化以及智能化建造水平，引領行業的產業升級與發展。