超高層建筑智能頂升平臺的應用

郭強楊冠杰孫棋美王健

(中建八局第二建設有限公司，山東 濟南 250014)

0 引言

隨著經濟的發展與社會的進步，人類開始追求更高的建筑，使得城市天際線越來越高，也越來越具有特色，超高層建筑作為城市地標建筑，帶動了區域經濟、文化、旅游等的發展。超高層建筑大多采用框架核心筒結構[1-5]，核心筒的施工建造是整個工程項目的施工進度主線，也是形象先鋒，已成為項目建造的關鍵技術[6-10]。此外，施工安全、建設周期和周邊環境等對核心筒的施工技術和工藝要求也越來越苛刻，從而極大地推動了“造樓神器”的發展。

自20 世紀80年代至今，核心筒的施工技術歷經了低位頂模、模塊化低位頂模、微凸支點頂模、智能頂升平臺(空中造樓機)四代[11-15]。支點位置低、頂升行程長、液壓智能頂升平臺技術，使得核心筒的建造越來越智能和快速。任何系統及設備都有一定的適應范圍和優缺點，需要結合項目特點對頂升平臺的布置和運行進行具體分析與研究。文章主要介紹了智能頂升平臺設計、頂升等在綠地山東國際金融中心的應用。

1 工程概況

1.1 工程概況

綠地山東國際金融中心主塔樓(如圖1 所示)的地下為4 層、地上為88 層，其建筑總高度為428 m，建成后將成為山東第一高樓。主塔樓平面大致呈正方形，采用框架核心筒結構，整個核心筒長寬均為30 m，由9 個矩形小筒組成(如圖2 所示)，最大壁厚為1 600 mm。隨著高度的增加，核心筒尺寸不斷發生變化:(1)筒外壁逐漸內移，其中4 個角的最大內移量為4 455 mm；(2)核心筒壁厚逐漸變薄，外壁由1 600 mm 逐漸減小至400 mm，而內壁由500 mm 逐漸減小到300 mm，其施工難度極大。

圖1 主塔樓的效果和平面圖

圖2 核心筒平面圖及箱梁布置圖/mm

1.2 工程施工難點

主塔樓核心筒的施工存在以下難點:

(1)主塔樓高達428 m，建成后將成為山東第一高，其核心筒體量大，對施工安全和工期提出了較高要求。

(2)建筑層高類型多，其標準層高度為4.3 m，而非標準層高度有5.85、6.45 m 兩種，筒壁模板設計時應考慮通用性和拆裝的便利性。

(3)核心筒外壁多次內收，且內、外壁厚度不斷縮小，澆筑過程中模板的位置應能進行調整以滿足施工要求。

(4)核心筒單層工序多、施工體量大、工期緊，鋼筋綁扎、洞口預留、合模、混凝土澆筑、鋼結構施工等各工序穿插進行，模板系統需滿足流水施工、穿插作業的要求。

(5)各類施工材料的垂直運輸和堆放應滿足施工需求。

為解決上述難點，核心筒在地上一層以下部分采用木模板體系建造，而在地上一層以上部分采用支點位置低、頂升行程長的智能頂升平臺建造。

2 智能頂升平臺的布置

2.1 智能頂升平臺的組成

支點位置低、頂升行程長的智能頂升平臺是目前超高層核心筒建造的最先進施工技術，該系統主要由桁架式平臺、格構式立柱、上下箱梁、掛架、模板、液壓油缸、智能監測與控制系統組成，如圖3 所示。桁架式平臺是施工布料和操作平臺，通過格構式立柱支承在箱梁上，其兩端通過伸縮節放置在墻體預留洞上。模板固定在掛架上，掛架通過鏈條懸掛在平臺下弦下部的掛梁上，并能通過手拉葫蘆實現水平位置的調整，以適應核心筒壁平面位置及厚度的變化。液壓油缸為平臺頂升提供動力，油缸設置在上下兩層箱梁之間，通過上、下箱梁交替變換支承，來實現頂升平臺的整體豎向位移。

圖3 智能頂升平臺組成及功能分區示意圖

整個頂升平臺沿豎向可以包裹多個樓層高度，若箱梁支點位置低，位于下部強度達標的混凝土核心筒壁上，可以為上部若干個樓層的鋼筋綁扎、模板支設、混凝土澆筑、混凝土養護等一系列施工提供有效空間和時間，實現流水施工和安全防護；同時也對液壓油缸的行程提出了較高要求。因此，箱梁支點位置通常不低于一個樓層高度。

2.2 智能頂升平臺的布置

2.2.1 掛架及模板選擇

掛架是保障核心筒施工的關鍵，掛架高度越大，越方便不同工序的流水施工，但同時也會對平臺結構和頂升動力提出較高的要求，掛架自身還應能抵抗超高層的風荷載作用。

綜合考慮上述各因素后，掛架高度取15.95 m，可以跨越兩個4.3 m 的標準層和一個6.45 m 的非標準層，滿足3 個樓層流水施工的要求，也即上層鋼筋綁扎和模板支設、中間層混凝土澆筑、下層混凝土養護(如圖3 所示)，大大提高了施工速度。此外，核心筒的施工作業全部在四周全封閉的平臺內進行，有效地提升了高空操作的安全性。

該工程選用定制大型鋼模板，利用其剛度大、可回收利用、周轉率高等優點，代替傳統木模板，同時能夠避免超高層火災的發生，降低風險發生率。定制大型鋼模板尺寸基于4.3 m 的澆筑高度設計，根據爬升規劃通過少量拼裝或拆卸便可滿足非標層5.85和6.45 m 層高的澆筑。

2.2.2 箱梁布置及油缸選擇

根據核心筒的平面特點，頂升平臺共設4 組箱梁，如圖2 所示，對稱布置在核心筒內部，每組箱梁有8 個箱梁端部伸縮節，其中上、下箱梁各4 個箱梁端部伸縮節。頂升平臺總重1 400 t，其中平臺自重1 100 t，平臺上部堆場以及施工物料的總重約300 t。箱梁的彎矩與剪力如圖4 所示。如果每組箱梁采用單個液壓主油缸頂升，則單臺油缸所需推力大，且箱梁承擔跨中集中荷載P，l為箱梁跨度，彎矩分布極不均勻，跨中彎矩和剪力都較大，油缸與箱梁交接處需著重加固和安全防護。如果每組箱梁采用兩臺液壓主油缸頂升，則單臺油缸所需推力可降低1/2，箱梁的內力也會顯著降低，但同時也對同步頂升提出了更高要求。

圖4 箱梁的彎矩與剪力圖

根據上述情況，頂升平臺選擇了8 臺液壓主油缸，參數見表1，單臺額定推力300 t，8 臺總推力為2 400 t，滿足頂升及安全要求。主油缸的有效行程為6 m，大于掛架高度，滿足施工要求。兩臺主油缸分別布置在箱梁的1/4 跨度處，彎矩分布比較均勻，與單臺主油缸布置方式相比，彎矩峰值降低了50%。

表1 液壓油缸參數表

除了主油缸之外，還設置了32 臺控制箱梁端部伸縮節伸縮的液壓副油缸，參數見表1。箱梁端部伸縮節伸出后以核心筒壁上預留的伸縮節洞為支承點，將整個箱梁平穩地放置在核心筒內。

考慮到平臺及其上部物料的自重并非均勻分布，各組主梁承受的豎向荷載存在差異，為便于控制平臺的同步頂升，共設置了兩套泵站，其中1 號泵站為核心筒東西兩側的主油缸供油，2 號泵站為南北兩側的主油缸供油。

2.2.3 箱梁設置導向裝置

箱梁采用單油缸時，頂升過程中每組箱梁只能對平臺提供一個支承點，側向剛度小、穩定性低，平臺容易發生偏移或扭轉。采用雙油缸時，每組箱梁對平臺提供2 個支承點，平臺側向剛度和穩定性顯著提高，可降低平臺的偏移或旋轉量。

在箱梁豎向位移過程中，箱梁端部伸縮節已經脫離了核心筒支點，此時箱梁只有豎向約束，沒有水平約束，屬于幾何可變體系，必然會發生水平位移，導致箱梁會與核心筒壁發生剮蹭，存在安全隱患。為了控制箱梁的水平位移，在箱梁端部創新性地引入了導向裝置(如圖5 所示)，頂升過程中導向輪沿核心筒壁表面豎向滾動，起到限位器的作用，為箱梁提供水平約束，保障了頂升的穩定性和安全性。

圖5 箱梁端部的導向裝置圖

3 智能頂升平臺的同步控制

3.1 位移監測系統

在頂升平臺的8 臺主油缸上均布置了位移與壓力傳感器，將油缸地伸出與縮回量通過位移傳感器轉換成電信號，通過電信號將監測得到的數據精準及時地傳達至中控室操作設備，監控畫面可以實時顯示各主油缸的行程位移、主油缸的桿腔壓力以及泵站系統的壓力(如圖6 所示)。操作人員可以對主油缸的頂升速度、行程進行調整。

圖6 中控液壓與行程監控畫面圖

為實現8 臺主油缸的同步頂升，設置了“開度設置”功能，可對主油缸進行調整和控制。閘門開度檢測裝置鋼絲繩的兩端分別固定在上、下箱梁主油缸支座處，鋼絲繩始終在線性測量范圍內，保持其垂直度和一定的張力(約為100 N)。在上箱梁頂升的過程中，主油缸的活塞桿均伸出，鋼絲繩被拉伸從而檢測到相應的位移變化，通過閘門開度檢測裝置，將鋼絲繩位移改變量轉變成電信號，傳遞到中控室油缸行程監控系統。反之，當下箱梁收縮時，主油缸的活塞桿被收回，位移監測方式同理。

3.2 同步頂升的實施

為實現頂升平臺的同步頂升，控制系統需對支撐上、下箱梁的8 臺主油缸以及32 臺副油缸進行聯動控制。每個主油缸的同步頂升速度為1 500 mm/h，并且控制主油缸之間的行程差＜3 mm；當行程差＞3 mm時，系統將進行自動補償。

平臺頂升過程如下:主油缸伸出50 mm，使上箱梁處于騰空狀態；上箱梁兩端副縮油缸收回，帶動上箱梁端部伸縮節收回；主油缸繼續伸出4 300 mm(標準層高度)；上箱梁兩端副油缸伸出，推動上箱梁端部伸縮節伸出；主油缸收回100 mm，使上箱梁端部伸縮節壓實在核心筒壁的箱梁端部伸縮節洞口上，同時下箱梁處于騰空狀態；下箱梁兩端的副油缸收回，帶動下箱梁端部伸縮節收回；主油缸繼續全部收回，下箱梁提升一個標準層高度；下箱梁兩端副油缸伸出，推動下箱梁端部伸縮節伸出；主油缸伸出至桿腔壓力達到7 MPa，使下箱梁受力為1 000 kN，減小施工過程中上箱梁的負荷，提高安全儲備。

液控系統采用同步控制方式，對8 臺主油缸的液壓油流量進行智能調節和控制，使得8 臺主油缸滿足高精準度的同步頂升要求。考慮到操作平臺上布料機的架設和鋼筋堆放會導致平臺荷載不均勻，使得頂升過程中某個主油缸的壓力值發生變化，進而影響同步頂升，操作人員需實時觀察系統顯示的油缸桿腔壓力值，當某一主油缸壓力值出現較大變化時，應對油缸行程及速度予以相應調整。

3.3 安全控制

液控系統主要由兩套泵站、液壓管路以及閘閥組成，并且可以通過控制各個閘閥來控制整個系統和緊急狀態下的自鎖。在頂升過程中若出現斷電、油缸漏油、壓力不足等情況，液壓鎖會立即自鎖，將整個系統保持在當前位置，保證頂升平臺的安全，待故障排除后繼續頂升。

智能液壓頂升平臺跨越了多個樓層，各作業面的現場情況復雜，為確保頂升過程安全運行，頂升過程中由專業人員在各工作面進行巡視，檢查平臺翻板是否與核心筒壁完全脫離、模板或掛架是否與核心筒壁發生剮蹭、鋼筋或懸挑結構是否阻礙平臺運行等，并與中控室操作人員及時進行溝通和信息反饋。

此外，每個主副油缸周圍都設置了高清攝像頭，將油缸周圍的情況實時反映在中控室監控顯示屏上，中控室負責人通過監控畫面，隨時掌握現場情況。

4 實施效果

通過一年多的實施運行，目前綠地山東國際金融中心主塔樓核心筒施工至400 m 高，取得了以下幾個方面的突出效果:

(1)施工速度快，節約勞動力 采用智能頂升平臺后，可實現自動整體同步頂升，且平臺下的掛架跨越了3 個樓層，使鋼筋綁扎、合模、C60 混凝土澆筑及養護等工序可合理穿插進行，施工周期由傳統工藝的10～15 d 縮短至4～7 d，節約了30%～50%。

箱梁端部設置導向裝置后，平臺整體位移由常規的200 mm 矯正至＜20 mm，有效避免了頂升過程中對平臺的糾偏、糾扭。

(2)施工質量高 掛架適合采用定制大型鋼模板，其側向剛度大，不易變形，拼縫嚴密且組合拆分方便，混凝土成型后的質量好。此外，箱梁端部伸縮節支承點在施工操作層的下一層端部伸縮節洞處，混凝土有足夠的養護時間，強度容易滿足頂升要求。

(3)安全性高 箱梁采用液壓雙油缸頂升技術，不僅使所需主油缸的額定推力降低了1/2，通過合理布置主油缸位置，也使箱梁彎矩峰值降低了50%，大大提高了液壓系統及箱梁的安全性。核心筒施工在全封閉的平臺內完成，不存在高空作業問題，有效杜絕了高空作業安全事故。

(4)節能環保，減少了消防隱患 大型鋼模板無材料損耗，可周轉多個工程，符合綠色施工的要求，最大限度地減少了火災危險源。

5 結語

智能頂升平臺集技術、機械、安全于一體，是當前最先進的集成化施工技術。綠地山東國際金融中心主塔樓采用支點位置低、頂升行程長、液壓雙油缸智能頂升平臺建造，結合工程特點，進行了技術分析和改進，包括掛架和模板選擇、液壓雙主油缸的選擇與布置、箱梁受力分析及導向裝置的設置、平臺同步頂升控制等，為核心筒的安全順利施工提供了技術保障。

通過一系列的技術實施，實現了施工速度快、施工質量高、安全環保的目標，有力推動了山東建造技術的發展。