核心筒偏置結構超高層工程施工安全管理

翁益民

上海市建設工程安全質量監督總站 上海 200032

隨著我國經濟快速發展，內置核心筒超高層建筑不斷增加。但內置核心筒超高層建筑空間利用率低、無形成本大等缺點逐漸顯露，嚴重制約了超高層建筑的發展。為此，國內外建筑設計師開始嘗試超高層核心筒偏置的設計理念。核心筒偏置設計理念在一定程度上緩解了超高層建筑面臨的經濟、運行壓力。但相比內置核心筒超高層建筑，核心筒偏置超高層建筑施工安全管控難度更高，在施工過程中，物體打擊、高處墜落、機械傷害等事故風險巨大，因此如何通過安全技術創新，強化安全管理，最大限度地降低安全事故發生概率，有著重要的意義[1-4]。

1 核心筒偏置超高建筑定義及安全特點

超高層結構體系多為核心筒-框架體系，為保證壓縮變形、剛度的均勻性，核心筒常采用內置中心的形式，但內置核心筒超高層建筑空間利用率低、無形成本投入大的缺點也成為超高層建筑發展過程中亟待解決的難題。

國內外建筑設計師為打破這一設計壁壘，提出了超高層核心筒偏置設計的理念。核心筒偏置超高層結構是指將核心筒結構嵌套在建筑外框一側或設置在外框外側的超高層建筑。該類型結構體系的主要特點是核心筒偏置一隅，具有外框空間大、利用率高等優點，也存在由于核心筒墻與框架柱軸壓比不同，Y向結構布置與質量、剛度分布不均勻，造成塔樓在建設及使用過程中隨著荷載變化會產生不均勻壓縮變形，從而導致過大水平位移等問題。為協調核心筒與外框剛度，需減少結構中非必要構件，使得塔樓出現大量的臨空面、多工序無操作平臺等安全防護問題，如客用電梯不停樓層前室設置為空腔，操作平臺搭設困難；核心筒無外框包裹，立面交叉作業多；模架體系選擇、大型設備安拆對核心筒質量影響大及無操作平臺滿足施工；核心筒外幕墻安裝無操作平臺等。上海市新江灣城F區F1-D超高層項目作為國內唯一超過250 m的核心筒偏置超高層，目前正在建設中，本文將以此項目為例對上述安全管控難點進行具體描述。

2 工程概況

上海市新江灣城F區F1-D商辦項目包含1棟塔樓（280 m/49層）和2棟裙樓（23.1 m/4層），塔樓結構形式采用鋼框架-核心筒結構，塔樓單層建筑面積約2 100 m2，核心筒面積約716 m2，核心筒偏置在整體結構東側，為國內超過250 m建筑唯一采用此類設計理念的項目。

本項目主要特點為：核心筒偏置；核心筒墻與框架柱軸壓比不同；Y向結構布置與質量、剛度分布不均勻。綜合上述特點，塔樓建設完成后將發生水平變形，結構封頂最大水平偏移量達176.9 mm，活載加載后達229.9 mm，活載加載5年后達242.0 mm。

為此，項目設計階段在充分保證核心筒剛度的同時，盡量減少核心筒的質量，以減少鋼混凝土不同壓縮變形量導致的核心筒水平傾斜，從而避免因質心偏移導致不均勻沉降。在施工階段，針對本項目采用水平預起拱，整體預調值根據有限元模型計算確定，施工過程中對塔樓分段變形/位移監測數據進行迭代計算，對糾偏預調值進行修正。

3 核心筒偏置超高建筑施工現場存在的安全隱患

3.1 空腔區域施工安全防護與操作平臺搭設存在的問題

為減少核心筒質量，確保整棟建筑質心偏移量在可控范圍內，防止不均勻沉降引發水平傾斜，結構設計中采用核心筒分為低、中、高3個區的收筒方式。同時，中區在低區（21層以下）無電梯前室樓板，高區電梯在低中區（36層以下）無電梯前室樓板。

該結構形式導致核心筒在底、中區施工時，空腔區域的施工安全防護以及電梯軌道梁、砌體墻等施工操作平臺的設置成為本項目安全管控的重點。

3.2 大型設備安拆運行安全防護存在的問題

為減少施工荷載（尤其是塔吊電梯設備、核心筒與外框同步施工等）對核心筒質量的影響，本工程塔吊采用內爬式＋附墻式，內爬式塔吊靠近外框筒內，附墻式塔吊位于核心筒外側（基礎落至頂板上），塔吊布置形式在滿足施工垂直運輸的條件下，對核心筒質心產生正向影響。該大型設備布置需關注的安全管控重點如下：

1）內爬式塔吊筒內水平結構后補、塔吊基礎梁倒梁等立體交叉作業安全防護、外附著塔吊附墻件安裝安全防護等成為本項目安全管控的重點。

2）由于塔樓采用預先調平技術，隨著塔樓建造進程，塔樓會逐步消化預調水平值，塔樓垂直度是一個動態變化的過程，這對塔樓外附的電梯、塔吊的垂直度控制有了更高的要求。因此，如何保證塔樓外附大型設備的垂直度，也成為本項目安全管控的重點。

3.3 模架體系安全防護存在的問題

為減少核心筒質量，調整核心筒剛度，結構設計中采用核心筒分為低、中、高3個區的收筒方式；工程采用“外爬內支”“南北流水”作業，核心筒低、中區2次收筒；爬模空中需改造2次，爬升45次。

爬模空中改造和爬升安全防護、分段式爬升架體高低跨安全防護、爬模臨邊作業安全防護、內外爬模走道布置等成為本項目安全管控的重點。

3.4 外置核心筒幕墻施工安全防護存在的問題

本項目為核心筒偏置結構，需在核心筒上直接安裝幕墻單元，核心筒外側施工人員無法直接在樓層板上進行幕墻安裝，項目采用雙軌道安裝方式，幕墻單元板與安裝人員均通過雙軌道安全的吊索、吊籃進行運輸。

該方式涉及大量的吊籃、滑軌等高空、臨邊危險性作業，同時上部為核心筒作業面外架，立面防高空墜物的水平安全防護等成為本項目安全管控的重點。

3.5 活載加載導致立體交叉作業安全防護存在的問題

為減少活荷載變化對結構的影響，本工程活載加載必須嚴格按照設計模擬荷載加載順序及時間節點進行施加，因此，項目需嚴格按照工序穿插施工，進而形成較多立體交叉作業面。

由于核心筒外側無外框防護作為緩沖，導致爬模架體、施工作業層各種材料、廢渣等均存在物體打擊的風險，安全管控難度較大，故立體防護成為本項目安全管理重點。

4 核心筒偏置超高建筑安全技術措施

4.1 空腔區域安全防護與操作臺搭設技術

為減少和避免施工過程中的安全風險，電梯前室利用鋼梁鋪設工字鋼搭設操作架，懸挑工字鋼型號為20a#，鋼管采用盤扣架，每3層懸挑1次，外側設置2道攔腰桿及擋腳板；攔腰桿外側滿設安全密目網，每層架體與梁之間增設縱向桿并鋪設安全網。懸挑工字鋼配置3套周轉，待兩側井道砌體結構施工后，方可拆除下方懸架體，架體通過卸料平臺周轉至上方使用。在實現材料高效利用的同時，又從根本上提供了施工安全保障。

4.2 大型設備安拆運行安全防護技術

4.2.1 塔吊井道隔離平臺

項目部根據內爬式塔吊施工特點，增設塔吊井道隔離平臺，安全有效地解決井道高空墜物問題。塔吊井道隔離平臺由鋼結構平臺、翻板、懸掛系統等組成。隔離平臺的爬升操作與塔吊爬升穿插進行，實現全封閉式安全防護，給下方施工人員提供隔離屏障，確保施工作業環境條件安全可靠。

4.2.2 塔吊附墻操作平臺

本工程為偏心筒結構，核心筒側無樓板，且無洞口，塔吊附墻難度大，且存在極大的安全隱患，塔吊附墻采用自主研發的集成于爬模下架體的操作平臺，附墻耳板在爬模上焊接，連接銷軸在下架體上安裝，安全高效。

4.2.3 外附電梯、塔吊垂直度調整

塔樓采用預調平技術，進行水平方向預起拱，導致塔樓為非垂直狀態，外附設備在該狀態下為保證垂直度，附墻桿件長度并不相同；而隨著塔樓的逐層建造，荷載逐步增加，塔樓會由預調狀態回歸，勢必牽引外附設備側移；最終，塔樓逐步由預調狀態回歸到垂直狀態，外附設備卻由垂直狀態轉變為傾斜狀態。因此，在建造過程中需逐步對外附設備的所有附墻桿件長度進行調整，以實現外附設備的垂直度滿足要求。

根據塔樓健康監測數據、塔樓垂直度變化數據，反算外附設備水平位移值，外附施工電梯與塔吊每安裝一次附墻件便進行一次計算，預計垂直度超過規范允許值時，對所有受影響的附墻桿件進行長度調節。通過每次計算調整，將預計垂直度控制在安全范圍之內，確保電梯安全平穩運行。

4.3 模架體系安全防護技術

4.3.1 爬模架體與墻體的防護及架體間的防護

爬模設置5層主要平臺，上平臺滿鋪鋼跳板；主平臺、液壓平臺及吊平臺均鋪滿鋼跳板；綁筋輔助平臺根據實際需要鋪設鋼跳板；液壓平臺和吊平臺與墻體間間隙用鋼制翻板封閉，導軌與平臺鋼跳板間縫隙用木質封板封閉。

4.3.2 外立面防護

由于核心筒偏置一側，無外框結構做臨邊緩沖，因此，在爬模設計時架體外圍采用帶孔彩鋼板，相對于安全網及木模板，帶孔彩鋼板具有較高的防刺破強度，可有效防止高空物體墜落。

4.3.3 內外架體安全通道

為滿足設計模擬荷載加載時序的需求，保證施工進度與模擬時序相吻合，客梯核心筒采用內外爬模，由于內架體為獨立架體，施工人員需跨越架體進行施工操作。因此，內外架體采用導軌推拉式安全通道，兩側設置踢腳板，端頭使用插銷固定，相對于木跳板安全防護標準大大提高。

4.4 外置核心筒幕墻施工安全防護技術

4.4.1 核心筒幕墻安裝

本工程為偏心筒結構，核心筒東側無樓板，無人員操作面提供給幕墻單位安裝單元板塊，解決方案為分別在23層和39層及屋面安裝“雙軌吊籃”，一條吊籃用于提升單元板塊，另外一條吊籃用于人員站立和安裝單元板塊（圖1、圖2）。

圖1 核心筒幕墻施工平面

圖2 核心筒大面部位軌道節點

4.4.2 核心筒外水平防護

幕墻硬防護安裝與軌道安裝采用一體化施工，利用雙軌道懸挑鋼梁作為懸挑棚骨架，懸挑工字鋼采用18#工字鋼懸挑，總長度4 500 mm，采用上拉懸臂方式，滿鋪30 mm厚木跳板作為硬質隔離防護層，避免了材料或垃圾掉落發生的物體打擊事故（圖3）。

圖3 硬防護與軌道一體化搭設

4.5 立面交叉作業安全防護技術

核心筒內側電梯井區域采用安全平網鋪設，框架采用扣件鋼管單層雙向搭設，橫向鋼管采用搭接方式連接，縱向鋼管選用直徑6 m鋼管。框架下方與樓板固定，使安全平網與水平面形成30°夾角。在樓板區域內搭設安全平網，有效避免了搭設安全防護過程增加的安全風險。

為加快施工作業層各種材料、廢渣等轉運的處理效率，減少物體打擊風險，本工程采用液壓自爬升卸料平臺，在現場簡單拼裝后吊裝至使用位置，利用預埋結構與主體結構可靠連接，使用時通過液壓千斤頂沿導軌提升至指定位置使用即可，一次安裝循環使用，操作簡單快捷，使用安全高效。

5 結語

核心筒偏置超高層建筑施工過程業態復雜，安全管控難度大，只有通過安全技術設計手段，使生產系統本身具有安全性，才能在發生失誤或故障時也不會發生安全事故。除此之外，還應與行為安全及智能管控相互結合，實現真正意義上的本質安全，保障建筑施工安全有序生產。