郭強(qiáng)楊冠杰孫棋美王健

(中建八局第二建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)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(biāo)建筑，帶動(dòng)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)、文化、旅游等的發(fā)展。超高層建筑大多采用框架核心筒結(jié)構(gòu)[1-5]，核心筒的施工建造是整個(gè)工程項(xiàng)目的施工進(jìn)度主線，也是形象先鋒，已成為項(xiàng)目建造的關(guān)鍵技術(shù)[6-10]。此外，施工安全、建設(shè)周期和周邊環(huán)境等對(duì)核心筒的施工技術(shù)和工藝要求也越來越苛刻，從而極大地推動(dòng)了“造樓神器”的發(fā)展。

自20 世紀(jì)80年代至今，核心筒的施工技術(shù)歷經(jīng)了低位頂模、模塊化低位頂模、微凸支點(diǎn)頂模、智能頂升平臺(tái)(空中造樓機(jī))四代[11-15]。支點(diǎn)位置低、頂升行程長(zhǎng)、液壓智能頂升平臺(tái)技術(shù)，使得核心筒的建造越來越智能和快速。任何系統(tǒng)及設(shè)備都有一定的適應(yīng)范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，需要結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)對(duì)頂升平臺(tái)的布置和運(yùn)行進(jìn)行具體分析與研究。文章主要介紹了智能頂升平臺(tái)設(shè)計(jì)、頂升等在綠地山東國(guó)際金融中心的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程概況

綠地山東國(guó)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(jié)構(gòu)，整個(gè)核心筒長(zhǎng)寬均為30 m，由9 個(gè)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(fā)生變化:(1)筒外壁逐漸內(nèi)移，其中4 個(gè)角的最大內(nèi)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(nèi)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(diǎn)

主塔樓核心筒的施工存在以下難點(diǎn):

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

(2)建筑層高類型多，其標(biāo)準(zhǔn)層高度為4.3 m，而非標(biāo)準(zhǔn)層高度有5.85、6.45 m 兩種，筒壁模板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮通用性和拆裝的便利性。

(3)核心筒外壁多次內(nèi)收，且內(nèi)、外壁厚度不斷縮小，澆筑過程中模板的位置應(yīng)能進(jìn)行調(diào)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(yù)留、合模、混凝土澆筑、鋼結(jié)構(gòu)施工等各工序穿插進(jìn)行，模板系統(tǒng)需滿足流水施工、穿插作業(yè)的要求。

(5)各類施工材料的垂直運(yùn)輸和堆放應(yīng)滿足施工需求。

為解決上述難點(diǎn)，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(diǎn)位置低、頂升行程長(zhǎng)的智能頂升平臺(tái)建造。

2 智能頂升平臺(tái)的布置

2.1 智能頂升平臺(tái)的組成

支點(diǎn)位置低、頂升行程長(zhǎng)的智能頂升平臺(tái)是目前超高層核心筒建造的最先進(jìn)施工技術(shù)，該系統(tǒng)主要由桁架式平臺(tái)、格構(gòu)式立柱、上下箱梁、掛架、模板、液壓油缸、智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)組成，如圖3 所示。桁架式平臺(tái)是施工布料和操作平臺(tái)，通過格構(gòu)式立柱支承在箱梁上，其兩端通過伸縮節(jié)放置在墻體預(yù)留洞上。模板固定在掛架上，掛架通過鏈條懸掛在平臺(tái)下弦下部的掛梁上，并能通過手拉葫蘆實(shí)現(xiàn)水平位置的調(diào)整，以適應(yīng)核心筒壁平面位置及厚度的變化。液壓油缸為平臺(tái)頂升提供動(dòng)力，油缸設(shè)置在上下兩層箱梁之間，通過上、下箱梁交替變換支承，來實(shí)現(xiàn)頂升平臺(tái)的整體豎向位移。

圖3 智能頂升平臺(tái)組成及功能分區(qū)示意圖

整個(gè)頂升平臺(tái)沿豎向可以包裹多個(gè)樓層高度，若箱梁支點(diǎn)位置低，位于下部強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的混凝土核心筒壁上，可以為上部若干個(gè)樓層的鋼筋綁扎、模板支設(shè)、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)等一系列施工提供有效空間和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)流水施工和安全防護(hù)；同時(shí)也對(duì)液壓油缸的行程提出了較高要求。因此，箱梁支點(diǎn)位置通常不低于一個(gè)樓層高度。

2.2 智能頂升平臺(tái)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(guān)鍵，掛架高度越大，越方便不同工序的流水施工，但同時(shí)也會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和頂升動(dòng)力提出較高的要求，掛架自身還應(yīng)能抵抗超高層的風(fēng)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(gè)4.3 m 的標(biāo)準(zhǔn)層和一個(gè)6.45 m 的非標(biāo)準(zhǔn)層，滿足3 個(gè)樓層流水施工的要求，也即上層鋼筋綁扎和模板支設(shè)、中間層混凝土澆筑、下層混凝土養(yǎng)護(hù)(如圖3 所示)，大大提高了施工速度。此外，核心筒的施工作業(yè)全部在四周全封閉的平臺(tái)內(nèi)進(jìn)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(zhuǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)木模板，同時(shí)能夠避免超高層火災(zāi)的發(fā)生，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率。定制大型鋼模板尺寸基于4.3 m 的澆筑高度設(shè)計(jì)，根據(jù)爬升規(guī)劃通過少量拼裝或拆卸便可滿足非標(biāo)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(jù)核心筒的平面特點(diǎn)，頂升平臺(tái)共設(shè)4 組箱梁，如圖2 所示，對(duì)稱布置在核心筒內(nèi)部，每組箱梁有8 個(gè)箱梁端部伸縮節(jié)，其中上、下箱梁各4 個(gè)箱梁端部伸縮節(jié)。頂升平臺(tái)總重1 400 t，其中平臺(tái)自重1 100 t，平臺(tái)上部堆場(chǎng)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(gè)液壓主油缸頂升，則單臺(tái)油缸所需推力大，且箱梁承擔(dān)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(hù)。如果每組箱梁采用兩臺(tái)液壓主油缸頂升，則單臺(tái)油缸所需推力可降低1/2，箱梁的內(nèi)力也會(huì)顯著降低，但同時(shí)也對(duì)同步頂升提出了更高要求。

圖4 箱梁的彎矩與剪力圖

根據(jù)上述情況，頂升平臺(tái)選擇了8 臺(tái)液壓主油缸，參數(shù)見表1，單臺(tái)額定推力300 t，8 臺(tái)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(tái)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(tái)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(shù)表

除了主油缸之外，還設(shè)置了32 臺(tái)控制箱梁端部伸縮節(jié)伸縮的液壓副油缸，參數(shù)見表1。箱梁端部伸縮節(jié)伸出后以核心筒壁上預(yù)留的伸縮節(jié)洞為支承點(diǎn)，將整個(gè)箱梁平穩(wěn)地放置在核心筒內(nèi)。

考慮到平臺(tái)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(tái)的同步頂升，共設(shè)置了兩套泵站，其中1 號(hào)泵站為核心筒東西兩側(cè)的主油缸供油，2 號(hào)泵站為南北兩側(cè)的主油缸供油。

2.2.3 箱梁設(shè)置導(dǎo)向裝置

箱梁采用單油缸時(shí)，頂升過程中每組箱梁只能對(duì)平臺(tái)提供一個(gè)支承點(diǎn)，側(cè)向剛度小、穩(wěn)定性低，平臺(tái)容易發(fā)生偏移或扭轉(zhuǎn)。采用雙油缸時(shí)，每組箱梁對(duì)平臺(tái)提供2 個(gè)支承點(diǎn)，平臺(tái)側(cè)向剛度和穩(wěn)定性顯著提高，可降低平臺(tái)的偏移或旋轉(zhuǎn)量。

在箱梁豎向位移過程中，箱梁端部伸縮節(jié)已經(jīng)脫離了核心筒支點(diǎn)，此時(shí)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(huì)發(fā)生水平位移，導(dǎo)致箱梁會(huì)與核心筒壁發(fā)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(chuàng)新性地引入了導(dǎo)向裝置(如圖5 所示)，頂升過程中導(dǎo)向輪沿核心筒壁表面豎向滾動(dòng)，起到限位器的作用，為箱梁提供水平約束，保障了頂升的穩(wěn)定性和安全性。

圖5 箱梁端部的導(dǎo)向裝置圖

3 智能頂升平臺(tái)的同步控制

3.1 位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在頂升平臺(tái)的8 臺(tái)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(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過電信號(hào)將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)及時(shí)地傳達(dá)至中控室操作設(shè)備，監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)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(tǒng)的壓力(如圖6 所示)。操作人員可以對(duì)主油缸的頂升速度、行程進(jìn)行調(diào)整。

圖6 中控液壓與行程監(jiān)控畫面圖

為實(shí)現(xiàn)8 臺(tái)主油缸的同步頂升，設(shè)置了“開度設(shè)置”功能，可對(duì)主油缸進(jìn)行調(diào)整和控制。閘門開度檢測(cè)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(cè)量范圍內(nèi)，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(cè)到相應(yīng)的位移變化，通過閘門開度檢測(cè)裝置，將鋼絲繩位移改變量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，傳遞到中控室油缸行程監(jiān)控系統(tǒng)。反之，當(dāng)下箱梁收縮時(shí)，主油缸的活塞桿被收回，位移監(jiān)測(cè)方式同理。

3.2 同步頂升的實(shí)施

為實(shí)現(xiàn)頂升平臺(tái)的同步頂升，控制系統(tǒng)需對(duì)支撐上、下箱梁的8 臺(tái)主油缸以及32 臺(tái)副油缸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。每個(gè)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(dāng)行程差＞3 mm時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

平臺(tái)頂升過程如下:主油缸伸出50 mm，使上箱梁處于騰空狀態(tài)；上箱梁兩端副縮油缸收回，帶動(dòng)上箱梁端部伸縮節(jié)收回；主油缸繼續(xù)伸出4 300 mm(標(biāo)準(zhǔn)層高度)；上箱梁兩端副油缸伸出，推動(dòng)上箱梁端部伸縮節(jié)伸出；主油缸收回100 mm，使上箱梁端部伸縮節(jié)壓實(shí)在核心筒壁的箱梁端部伸縮節(jié)洞口上，同時(shí)下箱梁處于騰空狀態(tài)；下箱梁兩端的副油缸收回，帶動(dòng)下箱梁端部伸縮節(jié)收回；主油缸繼續(xù)全部收回，下箱梁提升一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層高度；下箱梁兩端副油缸伸出，推動(dòng)下箱梁端部伸縮節(jié)伸出；主油缸伸出至桿腔壓力達(dá)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(fù)荷，提高安全儲(chǔ)備。

液控系統(tǒng)采用同步控制方式，對(duì)8 臺(tái)主油缸的液壓油流量進(jìn)行智能調(diào)節(jié)和控制，使得8 臺(tái)主油缸滿足高精準(zhǔn)度的同步頂升要求。考慮到操作平臺(tái)上布料機(jī)的架設(shè)和鋼筋堆放會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)荷載不均勻，使得頂升過程中某個(gè)主油缸的壓力值發(fā)生變化，進(jìn)而影響同步頂升，操作人員需實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)顯示的油缸桿腔壓力值，當(dāng)某一主油缸壓力值出現(xiàn)較大變化時(shí)，應(yīng)對(duì)油缸行程及速度予以相應(yīng)調(diào)整。

3.3 安全控制

液控系統(tǒng)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(gè)閘閥來控制整個(gè)系統(tǒng)和緊急狀態(tài)下的自鎖。在頂升過程中若出現(xiàn)斷電、油缸漏油、壓力不足等情況，液壓鎖會(huì)立即自鎖，將整個(gè)系統(tǒng)保持在當(dāng)前位置，保證頂升平臺(tái)的安全，待故障排除后繼續(xù)頂升。

智能液壓頂升平臺(tái)跨越了多個(gè)樓層，各作業(yè)面的現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，為確保頂升過程安全運(yùn)行，頂升過程中由專業(yè)人員在各工作面進(jìn)行巡視，檢查平臺(tái)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(fā)生剮蹭、鋼筋或懸挑結(jié)構(gòu)是否阻礙平臺(tái)運(yùn)行等，并與中控室操作人員及時(shí)進(jìn)行溝通和信息反饋。

此外，每個(gè)主副油缸周圍都設(shè)置了高清攝像頭，將油缸周圍的情況實(shí)時(shí)反映在中控室監(jiān)控顯示屏上，中控室負(fù)責(zé)人通過監(jiān)控畫面，隨時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況。

4 實(shí)施效果

通過一年多的實(shí)施運(yùn)行，目前綠地山東國(guó)際金融中心主塔樓核心筒施工至400 m 高，取得了以下幾個(gè)方面的突出效果:

(1)施工速度快，節(jié)約勞動(dòng)力 采用智能頂升平臺(tái)后，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整體同步頂升，且平臺(tái)下的掛架跨越了3 個(gè)樓層，使鋼筋綁扎、合模、C60 混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)等工序可合理穿插進(jìn)行，施工周期由傳統(tǒng)工藝的10～15 d 縮短至4～7 d，節(jié)約了30%～50%。

箱梁端部設(shè)置導(dǎo)向裝置后，平臺(tái)整體位移由常規(guī)的200 mm 矯正至＜20 mm，有效避免了頂升過程中對(duì)平臺(tái)的糾偏、糾扭。

(2)施工質(zhì)量高 掛架適合采用定制大型鋼模板，其側(cè)向剛度大，不易變形，拼縫嚴(yán)密且組合拆分方便，混凝土成型后的質(zhì)量好。此外，箱梁端部伸縮節(jié)支承點(diǎn)在施工操作層的下一層端部伸縮節(jié)洞處，混凝土有足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，強(qiáng)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(shù)，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(tǒng)及箱梁的安全性。核心筒施工在全封閉的平臺(tái)內(nèi)完成，不存在高空作業(yè)問題，有效杜絕了高空作業(yè)安全事故。

(4)節(jié)能環(huán)保，減少了消防隱患 大型鋼模板無(wú)材料損耗，可周轉(zhuǎn)多個(gè)工程，符合綠色施工的要求，最大限度地減少了火災(zāi)危險(xiǎn)源。

5 結(jié)語(yǔ)

智能頂升平臺(tái)集技術(shù)、機(jī)械、安全于一體，是當(dāng)前最先進(jìn)的集成化施工技術(shù)。綠地山東國(guó)際金融中心主塔樓采用支點(diǎn)位置低、頂升行程長(zhǎng)、液壓雙油缸智能頂升平臺(tái)建造，結(jié)合工程特點(diǎn)，進(jìn)行了技術(shù)分析和改進(jìn)，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(dǎo)向裝置的設(shè)置、平臺(tái)同步頂升控制等，為核心筒的安全順利施工提供了技術(shù)保障。

通過一系列的技術(shù)實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了施工速度快、施工質(zhì)量高、安全環(huán)保的目標(biāo)，有力推動(dòng)了山東建造技術(shù)的發(fā)展。