超高層勁性結(jié)構(gòu)及大型機(jī)械設(shè)備立體協(xié)同施工技術(shù)

馬飛燕 劉 文

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

國(guó)內(nèi)的超高層建筑常采用內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)，其外框常采用鋼柱＋疊合板的形式，在主體施工階段核心筒可采用自爬式鋼平臺(tái)的工藝，先施工內(nèi)筒并領(lǐng)先外框架若干層。但也有不少的超高層建筑采用的外框架為勁性混凝土結(jié)構(gòu)，其在主體施工階段需使外框與內(nèi)核心筒同時(shí)施工，無法像常見的超高層建筑采用大型鋼平臺(tái)的施工方法[1-4]。本文基于某超高層勁性結(jié)構(gòu)建筑群項(xiàng)目，總結(jié)了其施工過程中內(nèi)爬式塔吊、內(nèi)爬式布料機(jī)、液壓爬升式外防護(hù)體系等大型機(jī)械與高聳的預(yù)裝勁性柱的立體協(xié)同作業(yè)原則及相互制約關(guān)系，為同類工程提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

1 超高層勁性結(jié)構(gòu)工程概況

某超高層建筑群項(xiàng)目位于甘肅省蘭州市，項(xiàng)目由3棟超200 m的超高層建筑、4棟商業(yè)及3層地下車庫組成，總建筑面積33.7萬 m2，為集辦公、酒店、SOHO及商業(yè)為一體的大型城市綜合體項(xiàng)目，工程建筑設(shè)計(jì)新穎、功能齊全。

其中較為典型的塔樓B，地上54層，結(jié)構(gòu)高度249.8 m，建筑高度278 m，結(jié)構(gòu)形式為內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)，外立面為鉆石切銷形，呈水晶簇狀。主體施工階段，在核心筒兩對(duì)角處安裝了2臺(tái)STL720動(dòng)臂式塔吊負(fù)責(zé)垂直運(yùn)輸，在核心筒中部安裝1臺(tái)HGY32內(nèi)爬遙控式混凝土布料機(jī)。此外，為保證外傾斜式外立面的安全圍護(hù)，采用了單元片式液壓爬升防護(hù)屏。

本工程3棟塔樓結(jié)構(gòu)形式均為型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為特一級(jí)，框架柱、框架梁以及剪力墻均存在混凝土內(nèi)裹鋼結(jié)構(gòu)的勁性結(jié)構(gòu)，且樓板為混凝土現(xiàn)澆樓板，不適合采用先行施工核心筒，待核心筒與外圍結(jié)構(gòu)存在高差后再施工外框架部分結(jié)構(gòu)。為保證工程進(jìn)度與勁性柱安裝精度及焊接質(zhì)量，考慮到塔吊工作高度，本項(xiàng)目采用勁性鋼骨領(lǐng)先土建層1～2層吊裝施工，土建結(jié)構(gòu)層每層整體澆筑施工的方式。

2 超高層勁性結(jié)構(gòu)建筑群項(xiàng)目大型機(jī)械設(shè)備立體協(xié)同難點(diǎn)

1）豎向設(shè)備與構(gòu)件高度關(guān)系復(fù)雜。內(nèi)爬式塔吊、內(nèi)爬式布料機(jī)、單元片式爬升防護(hù)屏以及鋼結(jié)構(gòu)之間的高度關(guān)系復(fù)雜。內(nèi)爬式塔吊獨(dú)立高度為54 m，每20 m爬升1次。

2）豎向設(shè)備與構(gòu)件提升節(jié)拍不一致。內(nèi)爬式塔吊、布料機(jī)及防護(hù)屏均采用液壓爬升，可能存在交叉作業(yè)現(xiàn)象，爬升之間互相影響（時(shí)間、空間），現(xiàn)場(chǎng)管控難度較大。

3）豎向設(shè)備間互相影響，盲區(qū)較多。內(nèi)爬式塔吊及布料機(jī)吊裝爬升用鋼梁時(shí)，存在吊裝盲區(qū)，爬升難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高；布料機(jī)存在作業(yè)盲區(qū)，澆筑面無法全面覆蓋。

4）工期緊、工作量大、各設(shè)備間協(xié)調(diào)使用困難。超高層建筑高度高，大型構(gòu)件多、分包專業(yè)多，單次吊裝時(shí)間隨著高度提升也隨之增加，超高降效較為嚴(yán)重。

3 大型機(jī)械設(shè)備立體協(xié)同難點(diǎn)處理措施

3.1 高度關(guān)系

超高層建筑由于其建筑高度高，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，所需的大型施工機(jī)械種類也更加繁多。本項(xiàng)目高度最高的B塔樓配置了2臺(tái)STL720動(dòng)臂式塔吊，1臺(tái)HGY32內(nèi)爬式布料機(jī)，外圍防護(hù)采用液壓爬升式防護(hù)屏，由于塔樓鋼結(jié)構(gòu)需領(lǐng)先土建結(jié)構(gòu)面2層施工，在同一時(shí)段，塔樓上部將有5個(gè)主要控制高度（塔吊、布料機(jī)、防護(hù)屏、鋼結(jié)構(gòu)、施工面），需要保證其各自正常作業(yè)，各機(jī)械之間的協(xié)同配合是一大難點(diǎn)。通過一段時(shí)間的實(shí)踐論證，現(xiàn)將解決思路整理如下。

3.1.1 鋼結(jié)構(gòu)分節(jié)與塔吊高度關(guān)系

鋼結(jié)構(gòu)的最小吊裝高度是塔吊需保證的最低作業(yè)高度，所以鋼結(jié)構(gòu)分節(jié)與塔吊頂升的高度關(guān)系至關(guān)重要。對(duì)于樓層層高一致的塔樓，塔吊頂升節(jié)點(diǎn)與鋼結(jié)構(gòu)分節(jié)相對(duì)固定，鋼結(jié)構(gòu)分節(jié)需考慮現(xiàn)場(chǎng)施工便利性以及塔吊吊重的影響，統(tǒng)一優(yōu)化即可。本項(xiàng)目A、C塔樓每層樓層標(biāo)高基本一致，除桁架層外，鋼結(jié)構(gòu)以2層結(jié)構(gòu)層高度（10.2 m）為1節(jié)組合吊裝；塔吊按樓層情況每3層或4層爬升1次（圖1）。

圖1 C塔樓塔吊爬升與鋼結(jié)構(gòu)高度關(guān)系

對(duì)于樓層標(biāo)高不一致的塔樓，塔吊頂升流程和層高施工都需綜合考慮，鋼結(jié)構(gòu)分節(jié)需考慮層高結(jié)構(gòu)變化以及塔吊頂升流程等多種因素。本項(xiàng)目B塔樓集辦公、酒店、loft公寓為一體，包含4.2、3.7、5.1 m等3個(gè)層高，鋼柱分節(jié)也隨層高變化調(diào)整，每節(jié)長(zhǎng)度7～10 m不等，塔吊按樓層情況每4層或5層爬升1次（圖2）。

圖2 B塔樓塔吊爬升與鋼結(jié)構(gòu)高度關(guān)系

本項(xiàng)目A、C塔樓采用平臂式塔吊，在進(jìn)行有效吊裝高度計(jì)算時(shí)，考慮吊裝作業(yè)操作空間，以吊鉤處于最高點(diǎn)時(shí)的底端高度向下3 m作為塔吊工作的最大起吊高度，若鋼柱高于此高度，塔吊需進(jìn)行爬升才能正常進(jìn)行吊裝作業(yè)（圖3）。

圖3 平臂式塔吊吊鉤作業(yè)高度示意

本項(xiàng)目B塔樓采用動(dòng)臂式塔吊，影響吊裝高度主要為動(dòng)臂式塔吊回轉(zhuǎn)平臺(tái)高度，鋼柱只要低于此高度即可正常進(jìn)行吊裝作業(yè)（圖4）。

圖4 動(dòng)臂式塔吊作業(yè)高度示意

3.1.2 布料機(jī)、爬升式防護(hù)屏與塔吊及鋼結(jié)構(gòu)高度間的協(xié)同關(guān)系

本項(xiàng)目3棟塔樓均采用液壓爬升式布料機(jī)進(jìn)行上層結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑工作，布料機(jī)采用逐層頂升的方式，布料機(jī)工作高度需高于鋼結(jié)構(gòu)高度且低于塔吊高度，為保證塔吊及布料機(jī)正常工作，塔吊爬升與布料機(jī)爬升如在同一時(shí)間段，應(yīng)先完成塔吊爬升工作，以保證布料機(jī)的工作空間。

本項(xiàng)目采用液壓爬升式防護(hù)屏作為上部作業(yè)面防護(hù)，逐層爬升。在與塔吊及鋼結(jié)構(gòu)高度協(xié)同關(guān)系中，通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)吊裝會(huì)提前一層施工，即在已吊裝鋼結(jié)構(gòu)上邊一層土建施工時(shí)開始吊裝，此種工況不需考慮爬架高度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)吊裝的影響。

特殊情況下，鋼結(jié)構(gòu)吊裝會(huì)在已吊裝鋼結(jié)構(gòu)樓層土建施工全部完成的情況下進(jìn)行，此時(shí)爬架高度未爬升狀態(tài)高于結(jié)構(gòu)面層約1.2 m，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)吊裝無影響。但此時(shí)如進(jìn)行爬架頂升施工，為避讓爬架，鋼結(jié)構(gòu)吊裝高度將比正常吊裝高度高一個(gè)樓層高度（本項(xiàng)目為5.1 m），原有塔吊高度將可能無法滿足該工況下的鋼結(jié)構(gòu)吊裝作業(yè)，此種情況應(yīng)先進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊裝，后進(jìn)行爬架頂升施工，如圖5所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)吊裝先于爬架頂升施工現(xiàn)場(chǎng)

對(duì)于塔吊、布料機(jī)、爬架以及鋼結(jié)構(gòu)四者之間的協(xié)同關(guān)系可總結(jié)如下：鋼結(jié)構(gòu)吊裝高度是四者高度關(guān)系中控制的重點(diǎn)；布料機(jī)高度需高出鋼結(jié)構(gòu)高度方可正常工作，塔吊應(yīng)先于布料機(jī)進(jìn)行爬升；爬架高度在不影響鋼結(jié)構(gòu)吊裝的情況下，可按樓層進(jìn)度爬升；塔吊爬升的優(yōu)先級(jí)最高，其次是爬架和布料機(jī)。

3.2 工作盲區(qū)

3.2.1 塔吊工作盲區(qū)

本項(xiàng)目塔樓塔吊均布置于電梯井內(nèi)，由于空間有限，預(yù)留塔吊井均處于塔吊吊裝盲區(qū)內(nèi)，塔吊鋼梁無法自井道內(nèi)翻轉(zhuǎn)，遂采用自塔樓外部翻轉(zhuǎn)的方式。通過在塔吊井內(nèi)布置的電葫蘆將鋼梁拆卸下來轉(zhuǎn)移至樓層板，再由塔吊自樓層板邊自塔樓外側(cè)吊至需要放置的樓層高度，再由板面轉(zhuǎn)移至塔吊井筒內(nèi)，采用電動(dòng)葫蘆吊裝完成。

施工難點(diǎn)及解決方法：

因塔吊盲區(qū)影響，在鋼梁翻轉(zhuǎn)至吊裝樓層后，還需要通過電動(dòng)葫蘆及額外人工，才可將鋼梁放置于相應(yīng)位置，由于塔吊鋼梁最重可達(dá)5 t，現(xiàn)場(chǎng)施工難點(diǎn)較大。

在外部吊裝安全管理方面，因自樓層板面起吊鋼梁無法垂直起吊，吊裝盲區(qū)大，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，在增加塔吊指揮的基礎(chǔ)上還應(yīng)保障操作人員的安全防護(hù)，全員佩戴安全帶，并且通過滑輪改變拉繩受力方向，增加安全系數(shù)。

3.2.2 布料機(jī)工作盲區(qū)

本項(xiàng)目采用的液壓爬升式布料機(jī)工作半徑為32 m，在無遮擋的情況下可覆蓋全部作業(yè)面，但因塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)遮擋，3棟塔樓布料機(jī)均存在一個(gè)扇形的澆筑盲區(qū)。此盲區(qū)范圍內(nèi)的塔吊澆筑可分為2部分。在低樓層階段，采用地面汽車泵完成盲區(qū)范圍內(nèi)的澆筑工作；當(dāng)樓層高度高于汽車泵的工作高度后，通過第2根泵管采用手動(dòng)式布料機(jī)，完成澆筑工作。

3.3 超高降效

超高層建筑由于施工高度高，在施工時(shí)都會(huì)面臨超高降效的問題，塔吊的選型就至關(guān)重要。解決思路主要有兩點(diǎn)：一是吊得快，二是吊得多。

本項(xiàng)目A塔樓及C塔樓采用1臺(tái)STT753式平臂塔吊，主要考慮以下2個(gè)方面：

1）A、C塔樓樓層面積較小，無法同時(shí)滿足2臺(tái)動(dòng)臂式塔吊的工作空間，考慮平臂式塔吊吊運(yùn)效率高于動(dòng)臂式塔吊，遂決定采用1臺(tái)平臂式塔吊，通過“吊得快”解決超高降效的問題。STT753塔吊的吊重已經(jīng)可以滿足上部結(jié)構(gòu)的需求，在實(shí)用和經(jīng)濟(jì)角度雙重考慮下，最終選擇該型號(hào)。

2）本項(xiàng)目B塔樓由于樓層建筑面積大，可滿足2臺(tái)動(dòng)臂式塔吊布置，遂采用2臺(tái)動(dòng)臂式的方案，通過“吊得多”來解決超高降效的問題。

總結(jié)來說，在超高層建筑中，動(dòng)臂式塔吊具有更大的優(yōu)點(diǎn)：在同樣安裝高度下，具有更高的吊裝高度、更小的回轉(zhuǎn)半徑；由于采用“桿”式結(jié)構(gòu)，相比水平塔機(jī)的梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，相同吊重下，動(dòng)臂式塔吊的結(jié)構(gòu)大小要小于平臂式，更加節(jié)約空間，對(duì)于多在狹小場(chǎng)地施工的超高層建筑來說，無疑為更優(yōu)解。

4 結(jié)語

該超高層項(xiàng)目在主體施工階段時(shí)，采用了大量的液壓爬升機(jī)械與設(shè)備，且其施工作業(yè)面上有高聳的塔吊、布料機(jī)、勁性柱，外側(cè)還有全包圍的外立面防護(hù)設(shè)屏，這些設(shè)備之間的安裝高度、爬升節(jié)點(diǎn)以及互相之間的協(xié)同工作尤其重要。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式較為特殊，結(jié)構(gòu)層高高且全部采用勁性柱加現(xiàn)澆樓板的形式，施工難度較大，可以作為同類建筑中的典型代表。

本文基于此項(xiàng)目，總結(jié)了各機(jī)械之間立體的協(xié)同關(guān)系以及鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋之間深化協(xié)同的難點(diǎn)，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，提出了解決思路，為同類型的工程提供了一定的參考。