超高层建筑施工电梯空中托换平台体系的设计与应用*

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

0 引言

随着我国经济的快速发展，超高层建筑日益增多。超高建筑体量大、高度高，施工人员与材料运输量极大，因此施工电梯是超高层建筑施工中关键性垂直运输装备[1-3]，施工电梯垂直运输系统设计合理与否直接影响到施工工期、建造成本，是超高层领域的重要施工技术之一。当前针对施工电梯应用研究的最大使用高度多为450 m以下[4-6]，针对450 m以上的研究则较少。当施工电梯使用高度超过450 m以后，垂直运输系统设计的难度急剧增大，主要体现在：随使用高度的增加，降效系数增大[7]；施工电梯标准节需采用超重型、重型、普通型混合配置的方式，工艺极为繁琐，经济性也较差；将长期占用一部分永久结构施工空间，对总体施工计划造成重大影响。

1 工程概况

上海中心大厦位于浦东新区陆家嘴金融贸易区Z3-1、Z3-2地块，毗邻金茂大厦及上海环球金融中心，建成后将成为上海城市的新地标。工程占地面积约3.1 万m2，总建筑面积约57 万m2。建筑地上121 层、地下5 层，建筑总高度632 m，结构总高度为580 m，屋顶皇冠钢结构位于整栋建筑顶部。

根据各施工阶段垂直运输的需求分析与统计，确定了施工电梯分阶段使用方案，共在核心筒内布置10 台施工电梯，施工后期利用部分永久电梯进行适时转换，施工电梯平面布置及运行区间见图1。受核心筒内主体结构布置的制约，L1、L2施工电梯无法利用永久电梯井道布置，占用了梁板结构的空间，其余均布置在永久电梯井道中。L2施工电梯基础布置在基础底板，下部出入口设置在首层，人员从地面进入电梯，用于核心筒外框架结构的施工，兼顾主楼低区前期施工阶段使用。L1基础布置在基础底板，用于核心筒墙体施工，下部出入口设置在首层，人员从地面进入电梯，中间不停靠，使用中直达核心筒墙体顶部钢平台。

图1 施工电梯平面布置

2 施工电梯托换平台体系设计

L1、L2施工电梯的最大设计使用高度为450 m，而本工程中L1的实际使用总高度达610 m，L2的使用高度也超过450 m，均不能满足施工电梯技术性能要求。为此，需对施工电梯标准节采取特殊的加强措施，使其满足610 m的使用要求，但这样既不经济，也会长期占用核心筒E区的结构施工、设备安装空间，进而影响总进度计划。另外一种解决方案，是当电梯的使用高度达到450 m前，通过搭设标准节基础平台完成施工电梯的置换。如采用原位置换，则施工时间过长，并且难以解决塔吊操作人员的交通问题；如采用异位置换，需对钢平台模架体系进行较大的改造加固，并且会打乱原有的施工电梯垂直运输系统，因此均不可取。

经综合考虑，决定采用托换处理方案，即当核心筒施工至一定高度时，通过加设标准节托换结构对L1、L2施工电梯标准节实行受力转换，快速完成施工电梯标准节的体系转换。

2.1 确定托换平台设置楼层

最佳的托换平台设置楼层需满足以下几个条件：施工电梯使用高度在托换前后均小于最大设计使用高度；托换前后的标准节总长度基本一致，便于标准节配置；托换结构平台搁置处主体结构满足受力要求，尽可能不进行结构加固；结合工程的总体进度计划，尽可能不占用绝对施工工期。为方便分析，将L1施工电梯的各标高空间关系示于图2，由图可见，L1的总服务高度满足公式（1）要求：

假定托换前后的标准节总长度相等，即h1=h2。根据以往经验核心筒领先外围结构约20～25F，标准层高为4.5 m，由此可知核心筒的领先高度大约为h≈100 m，可得h1、h2的高度为：h1=h2=（H+h）/2=355 m

图2 L1施工电梯托换立面关系示意

可得托换平台设置高度为h1-h=255 m，此时上段标准节高度与下段标准节的总高度匹配性效果为最佳。48F的核心筒连梁为钢骨混凝土结构，将托换平台搁置其上，经计算不需进行结构加固即能满足受力要求，因此决定施工电梯托换在48F（标高+224.2 m）实施。实际48F外框结构施工完成时，核心筒完成72F（标高+337.6 m），液压顶升钢平台模板脚手体系正进行空中变形改造施工，因此不占用结构施工绝对工期。下段标准节的总高度为367 m，上段标准节的设置高度为360 m，均远小于最大设计使用高度450 m的指标，满足施工电梯技术要求。

2.2 托换后交通组织及防护方案

托换施工完毕后拆除下部人货两用电梯标准节，采用封闭施工的方法将核心筒分为上下2 个独立施工段，下方的核心筒施工段可进行结构施工及设备安装。人员、物资及设备由L6、L7施工电梯直接到达49F，或通过L4、L5及L8、L9接力的方式到达49F，再换乘L1、L2施工电梯分别到达核心筒顶部、外围施工楼层。为此在49F布置通行栈桥便于人员进出电梯。核心筒施工时，在48F墙面预先留设16#工字钢牛腿，并在其上搁置16#工字钢边梁，与托换平台共同组成硬隔离平台框架，托换实施阶段在硬隔离平台框架上密铺14#工字钢连梁，随后铺设由三花纹钢板面板及40 mm×4 mm角钢边框组成的平台面板，共同形成硬隔离系统，保证下方结构、设备吊装施工的安全。

2.3 托换平台结构设计计算分析

2.3.1 托换平台结构设计

托换平台结构由主梁及次梁组成，主梁、次梁均为工厂化加工的焊接工字钢，托换平台平面布置示于图3。其中，GL-1通长加工，GL-2采用分段加工、现场拼接成型。4根主梁组成井字形骨架，并搁置在劲性混凝土连梁上，主梁与劲性混凝土连梁上的预埋件采用角焊缝焊接。预埋件由面板及锚板焊接而成，板厚均为20 mm，锚板与连梁内的钢骨采用角焊缝焊接，面板预留2 个浇捣孔，确保连梁混凝土能浇捣密实，次梁为传力构件，将施工电梯标准节传递至主梁。

图3 托换平台结构平面布置

施工电梯标准节与托换平台之间的荷载传递通过转换机构完成，其立面及平面见图4、图5。转换机构由上托梁、下托梁、垫梁及角撑组成。角撑一侧与托梁焊接、另一侧与标准节立柱焊接后，方可将下部标准节拆除。垫梁与主次梁连接后，将立柱下端与托梁焊接，方能完成体系的受力转换。

图4 转换机构立面示意

图5 转换机构平面示意

2.3.2 主体结构计算分析

为分析结构的强度、刚度性能，利用有限元软件SAP2000结构分析软件建立整体结构模型进行了分析，主体结构采用梁单元、面板采用壳单元模拟。最大应力比约为0.8，满足设计要求，竖向最大变形为8.44 mm，满足规范要求。

为保证结构长期工作安全可靠，需对结构进行抗疲劳验算分析。计算得到托换平台的最大动弯矩为340.25 kN·m，焊接部位主体金属应力幅[8]为48.0 MPa。经估算，托换结构在服役期所经受的应力循环次数约为1.2×106次，按常幅疲劳模式计算得到的容许应力幅为48.0 MPa，满足要求。

3 托换施工要点

（a）核心筒48F施工时，在混凝土连梁上表面安装预埋件便于托换平台的搁置。在核心筒墙面预留16#工字钢牛腿及16#工字钢边梁，为硬隔离平台安装做好准备。

（b）48F楼面结构施工完成后，安装卸料平台，将托换结构各构件吊运至48F楼面，并移至核心筒的D区、H区、G区。同时在E区的47F搭设双层安全网，保证托换施工时下方的安全。

（c）停止L1、L2电梯的运行，由M1280D塔吊将2 根GL-1主梁自核心筒H区分别吊运至E区，通过安装在49F连梁梁底的神仙葫芦进行人工牵引安装就位，在GL-1下方搭设悬挂操作脚手（图6），准备后续施工。

（d）由M1280D塔吊将GL-2分段由D区、H区吊运至E区，通过人工牵引就位，并临时固定。经复测满足定位要求后，施工GL-1、 GL-2的固结节点，随后安装次梁，形成托换平台结构的骨架体系。

（e）依次安装转换机构的下托梁、上托梁，分别将角撑与托梁、标准节立柱焊牢。检查合格后拆除下部标准节，并及时安装转换机构的垫梁，通过加劲三角钢板将立柱与垫梁焊牢。安装转换机构的同时分区施工48F硬隔离平台。

（f）托换施工各工序完成后（图7），对施工电梯进行检测。符合要求后，L1、L2施工电梯重新启用。

（g）利用原有标准节安装2 个小型梯笼，自上而上依次拆除48F以下标准节后，进行核心筒E区48F以下的结构施工及设备安装。

图6 现场施工实景一

图7 现场施工实景二

4 结语

对施工电梯实施空中托换是满足超高层建造要求的一项新技术，对解决施工电梯标准节过高的问题具有极强的适应性，本文以上海中心大厦建造为背景，对托换平台体系的设计及实施进行了研究，取得了较好的效果，保障了上海中心大厦超高结构的顺利施工，也为同类工程提供了参考，并得到以下结论：

（a）通过实施托换，使施工电梯标准节达到最优化配置，降低了超高标准节的配置难度，节省了大量材料；

（b）通过施工电梯的空中托换，实现了核心筒的分段流水施工，以托换平台为基础形成硬隔离，保证了下部的结构施工及设备安装同步、安全进行。