高耸塔式构筑物施工整体模架设计关键技术研究

杨德生/YANG De-sheng

（1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；2.上海建工装备工程有限公司，上海 201114）

在超高层建（构）筑物工程的结构建造方案设计中，模架技术的选择是关键环节，对于结构施工的安全、质量以及总体效率有着重要的影响，是施工组织设计成功与否的关键。高耸塔式构筑物有其作为超高构筑物的共性，如采用钢筋混凝土核心筒+钢结构外框的组合结构形式；也有其自身的独特性，如筒体较小，筒内空间狭小，筒体外形多为异形构造等。

如图1 所示，上港滨江城总体开发建设项目中的地标建筑——风塔，是一幢高耸塔式构筑物。结合项目特点，该项目采用了上海建工自主研发的整体钢平台模架体系。与传统模架相比，该模架在结构体型适应性、封闭性、安全性、高效性等方面优势明显。基于模块化设计、构件化加工的设计理念，整体钢平台体系的所有结构构件均在加工厂生产制作，加工完成后进行预拼装，然后在施工现场进行整体安装[1-6]。

图1 上港滨江城项目效果图

1 项目概况

如图2 所示，风塔地下3 层，地上18 层，建筑高度179.900m。核心筒为钢筋混凝土剪力墙结构，平面由不同曲率多段圆弧组成且内部空间狭小；在11F、13F 核心筒墙体分别变形一次，部分墙体消失；随着高度变化，核心筒墙体厚度逐步减少；核心筒结构中沿高度设置3道伸臂桁架。

图2 风塔核心筒平面布置图

2 项目难点

1）风塔核心筒平面由不同曲率多段圆弧组成且内部空间狭小，增大了整体钢平台模架设计难度。整体钢平台模架不仅要适应小空间复杂曲面结构施工，而且要充分考虑与塔机、施工电梯等施工机械的空间关系及协同施工问题。钢大模设计要适应多段圆弧混凝土墙体，并适应墙体收分及伸臂桁架层等复杂工况施工。外挂脚手设计时要根据外附塔机附墙的平面、立面位置，确定外脚手底部开洞及下挂吊笼的位置，并对下挂吊笼位置处的外脚手进行加固处理。

2）本工程核心筒外墙收分2 次，由600mm收分至350mm，部分内墙收分1 次，由600mm收分至500mm，需对脚手进行适应性设计满足墙体收分需求；核心筒墙体平面在11F 及13F 分别有一次变形，根据墙体变化特点，需对钢平台进行改造，包括平台梁的拆除、内外挂脚手的拆除和补缺、外部侧网封闭、支撑及动力系统移位等。设计时既要保持整体刚度，又要钢平台体系便于高空拆除和组装，在确保高空作业安全的前提下迅速调整，满足墙体变化后的施工要求。

3）核心筒沿高度方向设置两道伸臂桁架。伸臂桁架钢结构吊装时须从钢平台顶部穿过，施工过程中与钢平台部分联系钢梁相碰，钢平台必须通过临时解体才能满足其吊装要求；钢平台外挂脚手部分同样存在与伸臂桁架牛腿相冲突的问题，部分外挂脚手必须采取相应的避让措施针对性措施。

3 整体钢平台模架部件设计

整体钢平台模架由钢平台系统、筒架支撑系统、钢柱爬升系统、脚手架系统、模板系统五部分组成。为了适应该项目的施工特点，钢平台在各系统模块均进行了针对性设计，能够较好地适应该项目的施工要求。

3.1 钢平台系统设计

1）钢平台系统构造 如图3 所示，钢平台系统在正常施工时处于整个体系的顶部，由钢平台框架、盖板、格栅盖板、围挡板、安全栏杆等部件组装而成。其平面覆盖施工层混凝土结构，并延伸至外墙脚手架区域，具有较大的承载能力，起到顶部施工作业平台以及物料中转堆场的作用。钢平台的主梁及次梁均由H 型钢组成，位于同一水平面，钢梁上根据施工实际情况覆盖铺板，平台的外周边一圈设置2m 高的挡板网，以防止人、物等高空坠落。

图3 风塔核心筒整体钢平台

2）适用于伸臂桁架施工的可拆装构造 风塔核心筒整体钢平台顶平台布置如图4 所示，针对伸臂桁架施工，结合钢结构图纸及分段，钢平台钢梁设置部分可拆装式连系梁，桁架结构吊装时，局部相碰的连系梁临时拆除，吊装结束后再重新连接。

图4 风塔核心筒整体钢平台顶平台布置

3.2 脚手架系统设计

1）脚手架系统构造 如图5 所示，内外挂脚手系统由脚手吊架、走道板、围挡板、楼梯、防坠闸板等组成，悬挂在钢平台梁上，为混凝土结构施工提供高空立体作业空间，位于钢平台系统下方、混凝土结构的侧面。内外脚手共6 层，上3 层为钢筋、模板施工区，其中顶层高度为2.05m，其余2 层高度为1.90m/层；下3 层为拆模整修区，其高度为1.90m/层。脚手架系统1～5 层走道板采用钢板网，底部走道板采用薄钢板，同时必须安装防坠闸板，在钢平台模架装备施工作业时，防坠闸板与混凝土墙面紧贴，起到防止高空坠物的作用。

图5 整体钢平台脚手系统

2）适用于外墙面收分变化的滑移式脚手 针对墙体的收分，将整个外挂脚手设计为可滑移脚手，脚手架顶部与整体顶平台采用滑轮连接，在墙面收分以后，通过外挂脚手的滑移，能够满足施工时脚手与墙面的距离要求。

3.3 钢柱爬升系统设计

1）钢柱爬升系统构造 钢柱爬升系统在钢平台体系爬升过程支撑在混凝土结构顶面上，并提供爬升动力。钢柱爬升系统由爬升立柱、爬升靴组件装置、双作用液压缸动力系统组成。钢柱爬升系统与筒架支撑系统配套使用，可在爬升过程、施工作业过程实现交替支撑，从而实现重复周转使用。钢柱支撑爬升动力系统包括液压泵站、短行程双作用液压油缸、液压阀组、管路和中央控制系统等。本工程动力系统由2 台液压泵站，12 套液压顶升油缸和1 套集中控制系统组成。每个导轨立柱装有2 套上、下爬升靴，每套爬升靴配有一个顶升油缸。在液压系统中，采用比例同步技术，可以有效提高整个系统的同步调节功能。

2）适用于异形钢平台的同步爬升控制技术液压同步控制系统是超高层自爬升模架装备重要组成部分，其中，多点位同步性控制方法是模架装备核心技术之一[7]。异形平台对同步爬升控制技术提出了更高的要求。本项目中央系统安置在中央控制室中，位于钢平台模架设备的第六层，负责整个液压系统同步工作，保证顶升作业的顺利完成。爬升钢柱配有压力传感器和位移传感器，平台系统顶升作业过程中的测定数据通过传感器采集并传送到计算机上。通过数据分析，并进行系统调节，可以控制液压油缸工作的同步性，及时进行偏差处理，提高了施工的安全性和自动化水平。为保证工作钢平台爬升过程中的平稳和安全，在每一次爬升过程中，利用PLC 控制系统实现高精度的同步控制。

3.4 筒架支撑系统设计

1）筒架支撑系统构造 如图6 所示，筒架支撑系统包括竖向型钢杆件、横向型钢杆件、竖向支撑限位装置（牛腿）、水平支撑限位装置（附墙导轮）等。筒架支撑系统在钢平台体系施工作业状态提供支撑作用，通过其上设置的竖向支撑限位装置与水平限位支撑装置分别将钢平台体系承受的竖向荷载、水平荷载传递给混凝土结构。筒架支撑系统与脚手架系统相连接，沿着混凝土结构纵向二者相通，协同实现脚手功能，故其底部走道板同样采用薄钢板，且必须设置防坠闸板。本工程设置设22 个牛腿，通过牛腿顶推油缸控制牛腿自动伸缩。

图6 整体钢平台筒架支撑系统

2）适用于狭小空间的筒架结构设计 高耸塔式构筑物不同于建筑物，其核心筒内并不用于居住以及办公等要求，多为管道井等，因此部分空间较为狭小，而通常用于建筑物的筒架结构缺乏有效的支撑空间。针对这一情况，本项目将核心筒内较大的区域设计为筒架支撑，进行强化，承受整个平台的荷载；局部狭小空间（7～10#筒）则设计为下挂脚手架，如图7 所示，这样可以满足狭小空间内工人的安全施工要求。

图7 狭小空间筒架布置

3.5 模板系统设计

1）模板系统构造 本工程采用钢大模进行核心筒施工。模板采用-5mm 板作为面板，双拼10号槽钢为横向主围檩，6.3#槽钢为竖向围檩。大模板分为3 350mm 和接高段300mm 和400mm配置，底部配置100mm×80mm 活动角钢，可满足所有层高的模板施工。大模板采用∅16mm 螺杆为拉杆螺栓。每块大模板上设置2 个吊耳，每个钢板吊耳用可通过卸扣和3t 手动葫芦挂在钢平台钢大梁吊点耳板上。

2）适用于圆弧墙面的模板设计 针对多段圆弧混凝土墙体收分及伸臂桁架层等复杂工况针对性的设计钢大模，采用收分后模板加收分条的形式近似收分前的模板，误差较小且降低成本。模板包含一个外侧圆弧基础模板，一个内侧圆弧基础模板及多个收分模板，外侧圆弧基础模板和内侧圆弧基础模板是以圆弧平面结构立面最后一次收分后的圆弧半径尺寸为依据制成，收分前及收分过程中的圆弧平面结构的外侧圆弧模板共用外侧圆弧基础模板和内侧圆弧基础模板，并增设一个相应的收分模板以满足所在分段的圆弧平面结构的外径尺寸要求，采用最后一次收分后的外侧圆弧基础模板加收分模板的形式组成近似收分前及收分过程中的外侧圆弧模板，使得收分前后的钢大模板尽可能多地共用，以减少材料浪费。

4 钢平台与垂直运输设备的协同施工

4.1 钢平台与塔机的协同施工

本项目由于核心筒内空间狭小，因此塔机采用在核心筒外墙附着的模式，塔机附墙支座始终位于钢平台以下，为了满足塔机附墙支座安装的需要，钢平台设置下挂的操作平台，该区域局部钢平台进行加强设计。

4.2 钢平台与人货电梯的协同施工

为了提高工人施工效率，钢平台模架与人货电梯一体化集成设计，将钢平台作为人货电梯的支撑结构，电梯标准节上的活动附墙通过型钢柱与钢平台连接，并随钢平台一起爬升。这使得工人及小型物料能够乘坐电梯直达核心筒施工层，施工层的废料也可以运输至地面，这充分的释放了塔机的垂直运输重任，极大地提高了施工效率。

5 有限元分析

按照钢平台实际构造，建立有限元模型进行有限元分析计算，本次计算分为钢筋绑扎状态和模板提升状态两个不同的工况，应力比和变形均满足要求，具体计算结果如下。

1）钢筋绑扎状态 钢平台绑扎钢筋工作状态，模板固定在剪力墙上，钢平台主要承受钢筋堆载、钢平台重量和施工操作的活荷载。同样对绑扎钢筋状态的整体钢平台结构进行有限元分析，可以看出，钢平台主梁及方钢立柱的应力较大，最大应力比为0.78，其他大部分构件的应力比在0.6 以内。

结构竖向最大变形位于钢平台外围弧角部，变形值为21.3mm。

2）模板提升状态 对模板提升状态的整体钢平台结构进行有限元分析，可以看出，钢平台主梁及方钢立柱的应力较大，最大应力比为0.78，其他大部分构件的应力比在0.6 以内。

结构最大竖向变形发生在钢平台外围弧角部，变形值为25.9mm。

6 结语

本文针对高耸塔式构筑物核心筒异形、墙面收分、伸臂桁架以及狭小空间等特点，研究了整体钢平台模架施工关键技术，并在上港滨江城总体开发建设项目风塔工程中进行应用，总体达到了2 天/层的施工效率。

1）在桁架层施工中，通过可拆装式连系梁的临时拆除实现桁架结构吊装就位，避免了整体结构空中进行分体组合，大大提高了作业的安全性和工效。

2）针对墙体收分，通过滑移装置实现了脚手架定向滑移，随着墙面变化，脚手架能够与墙面之间保持安全距离。

3）通过筒架与吊架相结合，解决了筒内狭小空间的架体布置问题。

4）通过塔机、人货电梯与模架的协同施工，大大提高了施工效率。

5）经有限元分析，钢平台满足承载力和变形要求，安全可靠。