液壓整體提升及下降技術(shù)在高空大跨度鋁合金網(wǎng)殼施工中的應(yīng)用

袁 鼎 羅建冬

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

拉斐爾云廊項目位于上海市松江區(qū)臨港漕河涇產(chǎn)業(yè)園，是在11棟已建的78.4 m高塔樓群之上安裝一個單層的波浪形鋁合金曲面網(wǎng)殼屋蓋。云廊（一期）長約736 m、寬約126 m，投影面積達(dá)86 000 m2，總質(zhì)量為8 686.37 t，是全球最大的鋁合金網(wǎng)殼屋蓋（圖1）。

圖1 云廊整體效果圖

云廊為金屬桿件四邊形格構(gòu)形成的不規(guī)則波浪形的單層曲面網(wǎng)格殼體[1-6]，12個波峰與10個波谷自然流動成形；波峰主要集中于10棟塔樓之上，最高點相對標(biāo)高103 m；波谷主要集中在樓宇間，最低點相對標(biāo)高86 m；檐口齊平，標(biāo)高為92.8 m。邊梁及受力較大區(qū)域的網(wǎng)殼構(gòu)件采用鋼構(gòu)件，其余區(qū)域的網(wǎng)殼構(gòu)件均為鋁合金構(gòu)件。屋蓋含四邊形格構(gòu)單元7 779個，其中1 784個單元上安裝太陽能光伏發(fā)電模塊，結(jié)合輻照分析，以塔樓頂部為中心向四周發(fā)散。

2 施工方案選擇

云廊覆蓋11棟塔樓及其裙房、高低連廊等，場況復(fù)雜，施工階段總共分成30個分區(qū)（圖2）。其中，施工難度最大的是南側(cè)塔樓之間的P區(qū)域，投影范圍內(nèi)為各異的4層矮裙房結(jié)構(gòu)，單個P區(qū)域面積最大為5 000 m2，最大間距為134 m、最小間距為78 m，寬約55 m。該區(qū)域網(wǎng)殼質(zhì)量約70 kg/m2，網(wǎng)殼高低起伏不一，最低點相對標(biāo)高86 m、最高點相對標(biāo)高103 m。

在方案設(shè)計初期，針對P區(qū)域跨度大、高度高、無支撐的特點，提出了3種網(wǎng)殼安裝的施工方案：

圖2 云廊施工分區(qū)平面布置

方案一：搭設(shè)滿堂支撐架高空散裝。

方案二：采用雙幅式正交桁架作為豎向及橫向支撐，采用吊裝的施工方法自地面安裝至塔樓屋面高度，然后再在上部設(shè)置與網(wǎng)殼匹配的臨時支撐系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)殼單元塊吊裝，待完成網(wǎng)殼安裝后，通過大型起重設(shè)備高空拆除所有措施結(jié)構(gòu)。

方案三：根據(jù)網(wǎng)殼模數(shù)設(shè)計臨時措施鋼平臺，結(jié)合吊裝以及液壓整體提升的工藝進(jìn)行措施鋼平臺的搭建。措施鋼平臺上部可設(shè)置臨時支撐，進(jìn)行網(wǎng)殼單元塊的吊裝和固定，最后通過液壓整體下降工藝將措施鋼平臺下降至原拼裝胎架上進(jìn)行拆除。

百米高的滿堂腳手架搭設(shè)代價巨大，且投影區(qū)域的頂板承載力難以滿足要求，故不予考慮；采用傳統(tǒng)的吊裝施工方案，在百米高空中施工風(fēng)險大，對起重設(shè)備要求高，且對網(wǎng)殼吊裝分塊面積要求較高，施工階段將產(chǎn)生較大的施工應(yīng)力；采用液壓整體提升及下降的工藝進(jìn)行措施鋼平臺的搭拆，可以降低施工的難度及風(fēng)險，但鋼平臺跨度較大，設(shè)計高度達(dá)7 m，施工難度大。

針對P區(qū)域的網(wǎng)殼施工，結(jié)合方案二、方案三，綜合考慮如下：

1）措施鋼平臺裝拆：P區(qū)域居中對稱加設(shè)6個自地面升起的格構(gòu)式臨時支撐塔架以減小鋼平臺跨度，大大降低了鋼平臺的設(shè)計及施工難度，鋼平臺設(shè)計高度由7 m降為3 m；以塔樓框架柱和新增塔架作為鋼平臺提升及下降的承重結(jié)構(gòu)，采用液壓整體提升和下降工藝進(jìn)行措施結(jié)構(gòu)的安裝和拆除，避免了措施結(jié)構(gòu)拆除階段在網(wǎng)殼和鋼平臺之間吊裝的復(fù)雜工況，同時在地面胎架上拼裝大大減少了高空作業(yè)的風(fēng)險。

2）網(wǎng)殼安裝：經(jīng)復(fù)核驗算，網(wǎng)殼采用9 m×9 m的九宮格單元塊進(jìn)行吊裝，施工應(yīng)力較小，施工精度可得到保證。

3 施工技術(shù)路線

本工程P區(qū)域采用高空搭設(shè)措施鋼平臺的方案進(jìn)行網(wǎng)殼安裝，主要可劃分為以下3個施工階段：

1）措施鋼平臺及網(wǎng)殼支撐系統(tǒng)的搭建。措施鋼平臺以投影范圍內(nèi)的裙房頂高度為基準(zhǔn)（標(biāo)高都在20 m左右）設(shè)置拼裝胎架進(jìn)行低空拼裝，同步進(jìn)行輔助提升的措施結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)殼格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)的安裝，全部安裝就位后，采用液壓整體提升工藝將鋼平臺整體提升至塔樓屋面高度[4-6]，具體施工流程為：提升方案的確定與設(shè)計→新增提升支撐塔架安裝→塔樓外伸反力架安裝及原結(jié)構(gòu)加固→鋼平臺低空拼裝→上部格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)安裝→提升設(shè)備的安裝與調(diào)試→鋼平臺整體提升→連接轉(zhuǎn)換終固→補(bǔ)完上部格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)。

2）網(wǎng)殼安裝與卸載。受限于提升塔架、鋼結(jié)構(gòu)樹狀柱等結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼在提升前無法安裝形成整體。因此，網(wǎng)殼待鋼平臺提升就位后采用兩側(cè)塔樓的平臂固定式塔吊進(jìn)行九宮格單元吊裝。待兩側(cè)塔樓區(qū)域網(wǎng)殼安裝完成并與鋼結(jié)構(gòu)樹狀柱焊接形成整體后，選擇P區(qū)域鋼桿件較多的位置搭設(shè)一連橋?qū)?棟塔樓連接起來，網(wǎng)殼以此連橋為基準(zhǔn)向兩側(cè)延伸安裝，安裝完成后根據(jù)方案要求分區(qū)域、分階段進(jìn)行同步卸載，具體施工流程為：兩側(cè)塔樓網(wǎng)殼安裝完成→搭建連橋→延伸安裝→整體成形→附屬結(jié)構(gòu)安裝→等待卸載→同步卸載。

3）措施結(jié)構(gòu)拆除。網(wǎng)殼及其附屬結(jié)構(gòu)安裝完成后，進(jìn)行措施結(jié)構(gòu)的拆除。P區(qū)域措施鋼平臺采用液壓整體下降至拼裝胎架上進(jìn)行拆除，具體施工流程為：拆除妨礙提升的措施結(jié)構(gòu)→鋼平臺整體下降→提升支撐塔架拆除→鋼平臺低空拆除。

4 措施鋼平臺及網(wǎng)殼支撐系統(tǒng)的搭建

4.1 措施鋼平臺概況及搭建

P區(qū)域措施鋼平臺最長134 m、寬57 m，主要由8榀對稱布置的平面桁架組成（圖3）。鋼平臺桁架高3 m，主要型材為HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm型鋼、φ325 mm×12 mm鋼管、□400 mm×400 mm×16 mm×16 mm方鋼等，鋼平臺凈重約750 t，上部支撐網(wǎng)殼安裝的格構(gòu)柱系統(tǒng)約200 t，合計提升質(zhì)量為900～1 000 t。

由于網(wǎng)殼自身高差達(dá)到17 m，且措施鋼平臺設(shè)計時考慮依附于塔樓傳遞荷載，因此，措施鋼平臺最終標(biāo)高定為77.2 m，兩側(cè)塔樓18層框架柱設(shè)計有外伸反力架進(jìn)行鋼平臺提升及擱置。考慮到鋼平臺跨度太大，在P區(qū)域居中位置增加了6個臨時支撐塔架以減小鋼平臺跨度，同時作為鋼平臺提升點及擱置點。措施鋼平臺帶格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)采用整體提升及下降的方案進(jìn)行裝拆，提升高度約56 m，由拼裝時標(biāo)高21 m提升至終固標(biāo)高77.2 m，合計20個提升點、28個擱置點（圖4）。

圖3 P區(qū)域措施鋼平臺示意

圖4 P區(qū)域措施鋼平臺平面布置

4.1.1 鋼平臺低空拼裝

根據(jù)現(xiàn)場土建以及措施結(jié)構(gòu)的最高點，確定鋼平臺低空拼裝的標(biāo)高為＋21 m，在地下室頂板以及裙房上根據(jù)吊裝分段設(shè)置臨時支撐胎架。

鋼平臺主桁架根據(jù)方案的分段要求，先采用汽車吊在地面進(jìn)行組拼，然后通過南側(cè)450 t履帶吊以及北側(cè)ZSL380行走式塔吊吊裝到裙房頂胎架上。

拼裝前，先在所有臨時支撐頂部進(jìn)行鋼平臺主桁架中心線及邊線的放樣，每一次吊裝根據(jù)放樣先進(jìn)行初步定位，然后通過全站儀測量，使用起重葫蘆以及吊機(jī)配合微調(diào)，將坐標(biāo)及標(biāo)高調(diào)整到位后焊接固定，兩側(cè)塔吊應(yīng)同時配合安裝次桁架，使之形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)后方可松鉤。

4.1.2 上部格構(gòu)柱系統(tǒng)吊裝

利用兩側(cè)1#、3#樓塔吊吊裝不影響提升施工的鋼平臺上部的格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)（圖6）。

4.2 新增提升支撐塔架安裝

本項目在P區(qū)域居中對稱加設(shè)了6個格構(gòu)式臨時支撐塔架，作為鋼平臺提升、擱置以及下降的承重結(jié)構(gòu)之一。新增塔架中心尺寸為3.2 m×5.2 m，主肢為φ609 mm×14 mm的圓管，主要規(guī)格為8、12 m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，通過法蘭螺栓連接，塔架頂標(biāo)高為＋80.0 m，頂部設(shè)置連系梁進(jìn)行約束。塔架安裝時采用450 t履帶吊以及ZSL380行走式塔吊進(jìn)行吊裝，每節(jié)吊裝時通過全站儀測量調(diào)節(jié)垂直度。

新增提升塔架頂部設(shè)置1根箱梁用以放置千斤頂來提升鋼平臺上弦，底部設(shè)計外伸牛腿作為終固點擱置鋼平臺下弦（圖5）。

4.3 塔樓提升反力架安裝及原結(jié)構(gòu)加固

P區(qū)域兩側(cè)塔樓作為鋼平臺提升、擱置以及下降的主要承重結(jié)構(gòu)，依附塔樓鄰邊的框架柱伸出16個反力架，反力架與混凝土柱采取抱箍灌漿的形式進(jìn)行連接固定。塔樓反力架跨17、18兩層樓高度，相當(dāng)于2個復(fù)合的“7”字架疊加，上下2個“7”字架節(jié)點處設(shè)置小箱體銷軸作為鋼平臺牛腿的擱置點（圖6）。其中，鋼平臺提升或下降階段僅角柱的8個反力架放置提升設(shè)備來提升或下降鋼平臺上弦。

圖5 新增提升塔架提升及擱置節(jié)點

圖6 塔樓提升反力架提升及擱置節(jié)點

由于塔樓的懸臂梁截面較小，所有塔樓提升點處的角柱懸臂梁抗剪承載力無法滿足提升要求，故在其柱邊外伸1 m范圍內(nèi)采取植筋擴(kuò)大截面的加固措施。

4.4 提升設(shè)備的安裝與調(diào)試

對鋼平臺帶部分上部格構(gòu)柱支撐系統(tǒng)進(jìn)行提升狀態(tài)下的建模分析，計算得出各提升點的荷載，對應(yīng)配置提升設(shè)備以及鋼絞線。完成前期鋼平臺及相關(guān)措施的安裝工作后，進(jìn)行提升設(shè)備的安裝與調(diào)試。P區(qū)域措施鋼平臺提升主要采用了16個100 t穿心式液壓千斤頂、4個200 t穿心式液壓千斤頂，總計20個提升點，設(shè)備布置如圖7所示。

圖7 P區(qū)域措施鋼平臺提升設(shè)備平面布置

安裝前，先根據(jù)提升支架及擱置箱梁預(yù)留槽口的圓心將液壓千斤頂投影至鋼平臺桁架上，保證投影點與預(yù)設(shè)提升點的誤差在2 cm以內(nèi)，根據(jù)投影點進(jìn)行下吊具的安裝，保證液壓千斤頂上下同心。

根據(jù)各提升點荷載的大小對每個千斤頂配置對應(yīng)數(shù)量的鋼絞線，左、右旋各一半，在地面上將鋼絞線穿入千斤頂并夾緊上下錨具，通過兩側(cè)塔吊進(jìn)行千斤頂?shù)牡跹b。安裝就位后設(shè)置壓板固定，然后根據(jù)編號將泵站及分控箱吊裝到位，并拉通通信線以及電源。

提升設(shè)備安裝完成以后對各站點進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試以及聯(lián)動調(diào)試，確保設(shè)備及控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，繃緊所有鋼絞線，準(zhǔn)備鋼平臺的整體連續(xù)提升。

4.5 鋼平臺的整體連續(xù)提升

1）預(yù)提懸停。準(zhǔn)備工作就緒之后，斷開鋼平臺與拼裝胎架的連接，鋼平臺預(yù)提騰空約10 cm，并懸停靜置12 h以上。待結(jié)構(gòu)因自重產(chǎn)生的變形穩(wěn)定后，觀察鋼平臺結(jié)構(gòu)、千斤頂放置點的措施結(jié)構(gòu)、土建原結(jié)構(gòu)等變形情況，并測量復(fù)核新增提升支撐塔架的垂直度變化。

2）鋼平臺整體連續(xù)提升。懸停12 h后，對鋼平臺進(jìn)行整體測量并與初始狀態(tài)比較，鋼平臺調(diào)整姿態(tài)后正式開始提升。采用計算機(jī)控制各站點泵站，通過穿心式液壓千斤頂集群實現(xiàn)鋼平臺全自動同步提升。提升過程中需要在外部使用測量儀器觀測鋼平臺高度和高差，實時調(diào)整鋼平臺狀態(tài)。鋼平臺在提升過程中的整體高差應(yīng)控制在設(shè)計允許范圍內(nèi)，以保證各提升點的同步性滿足要求。各提升點的提升荷載或高差出現(xiàn)異變或被提升結(jié)構(gòu)的變形超出相應(yīng)值時，應(yīng)立即停止提升。

3）落架終固。連續(xù)提升至快到就位位置時，將計算機(jī)自動控制調(diào)為人工手動控制，連接轉(zhuǎn)換階段需要多提升3 cm，以預(yù)留施工作業(yè)面，然后關(guān)閉油缸保持結(jié)構(gòu)，進(jìn)行反力架銷軸的安裝和塔架牛腿的焊接，最后通過下降行程將鋼絞線上的載荷全部轉(zhuǎn)移至塔樓反力架和新增塔架的2個承重結(jié)構(gòu)上，測量鋼平臺平整度，檢查28個擱置點并墊平抄實，完成落架。

為縮短鋼平臺落架終固的時間以及實現(xiàn)對塔樓幕墻的成品保護(hù)，在兩側(cè)塔樓反力架上設(shè)置了牛腿銷軸的擱置節(jié)點。擱置牛腿根據(jù)反力架投影坐標(biāo)調(diào)整好后在提升前完成焊接，提升就位后僅安裝插銷即可落架，減少高空焊接工作量和時間，大大提高鋼平臺落架效率，同時避免了對下部樓層幕墻的破壞。

5 網(wǎng)殼安裝與卸載

5.1 格構(gòu)柱設(shè)置

根據(jù)復(fù)核驗算以及鋁合金網(wǎng)殼的施工經(jīng)驗，本項目對鋼平臺區(qū)域的網(wǎng)殼采用九宮格的小單元塊進(jìn)行吊裝（圖8），基本可以達(dá)到零應(yīng)力施工的要求。鋼平臺上部按9 m×9 m對應(yīng)區(qū)域正交布置格構(gòu)柱，最短格構(gòu)柱高7 m、最高格構(gòu)柱高20 m，格構(gòu)柱之間采用扁平格構(gòu)式走道梁連通，頂部采用可調(diào)節(jié)的絲桿頂托進(jìn)行網(wǎng)殼擱置。

圖8 網(wǎng)殼的格構(gòu)柱臨時支撐體系

5.2 網(wǎng)殼安裝

由于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)較柔，故P區(qū)域網(wǎng)殼必須在兩側(cè)塔樓屋面區(qū)域網(wǎng)殼安裝完成并與鋼結(jié)構(gòu)樹狀柱焊接形成整體以后方可進(jìn)行安裝。安裝思路為選擇鋼桿件較多的區(qū)域從兩側(cè)塔樓依次相向搭橋連接，搭橋完成后以連橋區(qū)域網(wǎng)殼為基準(zhǔn)向兩側(cè)發(fā)散安裝（圖9）。

圖9 P區(qū)域網(wǎng)殼施工流程

5.3 網(wǎng)殼分階段整體卸載

本項目網(wǎng)殼采用分階段卸載，將11棟塔樓分為5個卸載分區(qū)，每次進(jìn)行1個分區(qū)的網(wǎng)殼卸載時，必須與未安裝區(qū)域保留1個分區(qū)作為過渡區(qū)域，避免卸載影響后續(xù)網(wǎng)殼的安裝。已卸載區(qū)域可以提前交付，同時也可以周轉(zhuǎn)措施材料，大大降低了施工成本，縮短了工期。

網(wǎng)殼單個分區(qū)卸載時盡可能做到同步卸載，根據(jù)卸載計算模型得出各支撐點位的卸載量，采用多步分級循環(huán)的方式將卸載支撐點下移，使可調(diào)托座隨著逐級卸載和主結(jié)構(gòu)逐步脫開，使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)平緩地達(dá)到設(shè)計受力狀態(tài)。

6 措施結(jié)構(gòu)拆除

鋼平臺寬達(dá)53 m、高達(dá)77.2 m，網(wǎng)殼高低落差大，鋼平臺與網(wǎng)殼最小間距為7 m，且網(wǎng)殼投影區(qū)域為裙房，無法上起重設(shè)備，采用常規(guī)的吊裝方案進(jìn)行措施結(jié)構(gòu)拆除的施工難度極大。

本工程在完成網(wǎng)殼的安裝和卸載后，鋼平臺沿用原提升系統(tǒng)整體下降至原拼裝胎架并拆除，避免了在網(wǎng)殼和鋼平臺夾縫之間拆除的復(fù)雜工況。

7 結(jié)語

高空大跨度單層鋁合金網(wǎng)殼的施工難度大、安裝要求高、安全風(fēng)險大，將液壓整體提升應(yīng)用到此類網(wǎng)殼施工中可大大降低施工風(fēng)險，為鋁合金網(wǎng)殼的安裝提供一個安全穩(wěn)定的作業(yè)平臺。

臨時措施鋼平臺在設(shè)計階段可根據(jù)網(wǎng)殼的安裝要求相應(yīng)設(shè)置臨時支撐，可很好地匹配網(wǎng)殼安裝施工，盡量減小施工過程中的應(yīng)力。同時，在網(wǎng)殼安裝完成后沿用原設(shè)備進(jìn)行措施結(jié)構(gòu)的整體下降，避免起重設(shè)備在網(wǎng)殼和鋼平臺有限夾層空間內(nèi)進(jìn)行拆除作業(yè)，降低拆除風(fēng)險，提高拆除效率。