某改造工程復雜外立面外腳手架選型分析*

劉壘壘，孟令亞，張東陽，吳兵兵

(中建一局集團建設發展有限公司，北京 100102)

1 工程概況

本工程為酒店更新改造工程，原建筑始建于1987年，于1991年投入使用。由于目前外立面開裂變形嚴重、地面交通流線混雜、設備老化存在風險，因此，對酒店實施全面改造。

本工程占地面積14 036.05m2，建筑總面積69 671.58m2。其中地上18層，地下2層，標準層高2.95m，建筑總高度67.25m。改造前后工程效果對比如圖1所示。

圖1 改造前后工程效果對比

1.1 建筑造型特點

地上建筑平面整體呈“飛鳥”形，1～3層為裙房，結構形式為框架結構；4～16層為建筑主體部分，其中，中部區域建筑功能為客房，外立面為弧形曲面，結構形式為剪力墻結構，兩翼為辦公及公寓部分，建筑平面為矩形，結構形式為框架結構，兩翼屋面分別在12，14層收進；17～18層突出屋面部分主要功能為總統套房與屋頂機房；改造后屋檐均設計有仿銅飛檐，出挑長度達2.1m。建筑總平面布置如圖2所示。

圖2 區域劃分

1.2 外腳手架系統區域劃分

根據現有建筑造型特點，兼顧各部位體量大小、結構形式及主要施工內容工藝要求，綜合考慮外立面整體施工組織，將外腳手架系統劃分為3個部分，如表1、圖2所示。

表1 外腳手架系統劃分

2 常用外腳手架方案

2.1 封閉操作層腳手架

封閉操作層腳手架僅對主體結構施工時的操作層進行封閉，封閉高度一般在4～6層，主要包括型鋼懸挑腳手架、爬升式腳手架、整體提升操作平臺等形式。

2.1.1型鋼懸挑腳手架

型鋼懸挑腳手架搭設在建筑物外邊緣向外伸出的懸挑結構上(一般采用槽鋼或工字鋼)，腳手架荷載由懸挑結構傳遞給建筑物，如圖3所示。此種形式將建筑物分成若干個高度段向上倒換搭設成部分封閉形式，但在本工程中，存在制約因素：①由于本工程改造過程外立面設計諸多工藝，如拆除、加固、保溫、幕墻等，專業隊伍交叉較多，施工位置零散，難以集中組織；②頂部屋檐出挑長度2.1m，架體懸挑超過3m，大面積使用安全風險大；③由于改造工程一般不設置塔式起重機，常規挑架工字鋼梁長度約5m，大量鋼梁僅靠施工電梯實現垂直運輸存在較大困難；④本工程中部客房區域原結構存在混凝土窗下墻，采用挑架開洞、修補，工作量加大。

圖3 型鋼懸挑腳手架

綜合分析，型鋼懸挑腳手架不適用本工程大面積作業，但對于局部施工，如施工電梯頂部后施工區域挑檐安裝等，仍可作為補充方案選用。

2.1.2爬升腳手架

爬升腳手架在每個提升點(機位)處設置了足夠強度和剛度的豎向主框架,在架體底部設置承力桁架,以承受和傳遞豎向和水平荷載，確保架體整體性。其工作原理是在建筑結構四周分布爬升機構，附著裝置安裝于結構構件上，架體利用導輪組通過導軌攀附安裝于附著裝置外側，提升葫蘆通過提升掛座固定安裝于導軌上,提升鋼絲繩穿過提升滑輪組件連在提升葫蘆掛鉤上并預緊，可實現架體依靠導輪組沿導軌的上下相對運動,從而實現導軌式爬架升降運動。爬升腳手架工作原理如圖4所示。爬升腳手架較傳統外腳手架節省材料，避免高空作業，工效較高，但在本工程中，存在制約因素：①爬升腳手架生根于主體結構，全部荷載通過埋件由主體結構承擔，通常改造工程結構年限較久，且表面存在一定碳化，大量埋件后植于原結構(一般架體搭設階段結構未進行加固)，易對原結構產生不良影響；②附墻部件較多，影響原結構加固施工；③外立面改造施工內容較多且難以集中，而爬升腳手架上升、下降操作復雜，工效較低，經常上升、下降也增加了安全風險；④兩翼部分屋面在12，14層退臺，采用爬升腳手架在此處需2次改造。經以上分析，爬升腳手架在結構規整、施工組織集中時可發揮最大優勢，但在本工程中應用，其弊端凸顯，優勢難以發揮。

圖4 爬升腳手架工作原理

2.1.3整體提升操作平臺

整體提升操作平臺是一種靠齒輪、齒條傳動的升降機械，有著非常可靠的電氣和機械安全系統、獨立防墜系統，可隨建筑物升高而自行升高，平臺可根據需要而加長或縮短。移動時只需拆除立柱和附墻連接件，通過底部滑輪方便更換作業地點。整體提升操作平臺可節省大量架體材料，一次安裝，任意升降，避免高空搭拆作業；利用爬升系統可實現自身升降，無需塔式起重機。在本工程中，整體提升操作平臺自身升降依靠結構外搭設立柱，而立柱與主體結構僅靠少量附墻連接件連接，大大減小了對原結構及加固施工的影響；平臺設有伸縮式外挑腳手板，操作平臺與結構間距可調節，滿足中部客房弧形立面的施工需求，同時，該平臺可自由升降，能較好地應對本工程外立面施工零散的特點。整體提升操作平臺組成如圖5所示。

圖5 整體提升操作平臺組成

2.2 全封閉式腳手架

全封閉式腳手架是將建筑物外立面滿搭形成全封閉式，形成全封閉施工，安全性好，但材料用量大、占用時間長且費工費時。

2.2.1全封閉式腳手架

鋼管落地腳手架因受立桿承載力限制，搭設高度多控制在50m以下，超過50m時底部鋼管應采用雙立桿，并采取分段卸荷措施，以增加架體承載力。本工程架體高度約60m，若采用全封閉式鋼管落地腳手架，底部40m高度范圍內立桿應采用雙鋼管，由于外腳手架系統需滿足屋頂挑檐安裝，而鋼管腳手架不適合外挑，若在本項目應用鋼管腳手架應采三排腳手架。本工程為改造工程，施工場地狹小，原有建筑物緊鄰內部道路，采用三排腳手架將占據運輸道路空間，對運輸組織造成不利影響。

近年來，隨著新型腳手架推廣，盤扣式腳手架因安全可靠、穩定性好、承載力大(φ48×3.25鋼管，材質為Q345B低碳合金結構鋼)，零部件安裝便捷、可適應變化復雜的截面，而且盤扣式腳手架頂部可外伸懸挑，可滿足屋頂挑檐安裝施工需要，且不占用底部道路空間，由于其立桿自身承載力較高，單立桿雙排架即可滿足承載力要求，適用于本工程外腳手架體系。

2.2.2全封閉式懸挑腳手架

全封閉式懸挑腳手架是落地腳手架和懸挑腳手架相結合的一種腳手架形式，其架體底部一般在25m內采用落地腳手架，上部采用型鋼懸挑腳手架，每個懸挑段架體高度一般在15～25m，構造如圖6所示。全封閉式懸挑腳手架主要解決落地腳手架承載力受限的問題。但在本項目中，架體高度約60m，對增加落地腳手架承載力構造措施的投入，要遠小于改用懸挑架增加鋼梁的投入，并且由前述分析，懸挑架并不適用于本改造工程。

圖6 全封閉式懸挑腳手架

3 效益分析

3.1 適用性分析

根據本工程建筑結構造型特點、施工內容及施工組織需要，結合各類常見外腳手架體系特點，對各類外腳手架體系在本工程中的適用性進行分析，如表2所示。

表2 適用性分析

3.2 技術分析

根據各類外腳手架系統在本工程中的適用情況，對三排腳手架、盤扣式腳手架和整體提升操作平臺進行技術特點比對分析，如表3所示。

表3 技術分析

3.3 經濟分析

3.3.1模型建立

對外腳手架系統方案經濟性進行對比分析，建立分析模型。該模型在系統中應具有代表性，并能滿足本工程外立面所有關鍵施工內容的工藝需求。因此，選取位于工程北側，～軸區域立面進行分析，該區域寬25m，檐口高度57.6m，包含原立面拆除、結構加固，新增保溫、幕墻龍骨、石材幕墻、鋁板幕墻、玻璃及外挑飛檐安裝等施工內容。該區域體量適中，包含全部外立面關鍵施工內容，具備代表性。因此，針對盤扣式腳手架、三排腳手架和整體提升操作平臺在該區域分別建立分析模型。模型基本參數如表4所示。

表4 經濟分析模型關鍵參數

3.3.2造價對比

針對3個分析模型進行造價分析，將3個模型工程量分別進行統計，材料、人工及機械費用均取當時當地市場的平均價格；架體考慮租賃，使用時間為1年；計算工程量時只考慮凈量，不計算材料損耗。各模型工程量及費用構成如表5～7所示。

表5 模型1(盤扣式腳手架)工程量及費用構成

3.3.3分析結果

在3個模型對比中，盤扣式腳手架造價最低，整體提升操作平臺次之，三排腳手架造價最高。進一步分析，各模型費用占比分析如圖7所示。由圖7可知，盤扣式腳手架材料使用適中，人工消耗適中，費用最低。因此，在本工程兩翼部位優先考慮使用盤扣式腳手腳。

圖7 費用占比分析

表6 模型2(三排腳手架)工程量及費用構成

表7 模型3(整體提升操作平臺)工程量及費用構成

4 結語

改造工程外腳手架系統區別于新建工程，改造建筑物及周圍環境為既有條件，為外腳手架設計與選型帶來諸多制約，并且改造工程往往涉及外立面拆除與結構加固、新圍護結構施工等內容，此時外腳手架系統需要滿足多項分部工程的施工使用需求。與新建工程外腳手架施工過程不同，改造工程外腳手架系統一次搭設完成，材料、機械及勞動組織更為密集，投入量更大。總之，改造工程外腳手架系統的選型對施工總體的組織、安全與成本具有較大影響，是影響一個改造項目能否順利實施的關鍵因素。