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钢结构摩天大楼高效施工新技术
作者：广州钢构 来源：本站 发表时间：2016/4/5 10:11:27 查看：次
行走在世界各地，鳞次栉比的摩天大楼越来越多，外观迥异的高楼大厦为城市增添了美丽的风景。在中国，建筑的高度也在不断攀升，因各种不可预测的因素给施工单位带来的难度也在不断增大。中建钢构有限公司设计院院长、广东省钢结构协会秘书长陈振明等撰写的《钢结构摩天大楼高效施工新技术》重点介绍了中建钢构有限公司在深圳平安金融中心、广州东塔施工时采用新技术后减少施工现场塔吊设备投入、劳动人工降低等优势。
一、前言
为了有效地缓解城市空间压力和提高城市空间利用率，越来越多的摩天大楼拔地而起，根据目前CTBUH（世界高层都市建筑学会）收录的数据显示，世界上已建成和正在建设的400米以上摩天大楼共44座，其中正在建设的沙特阿拉伯“王国大厦”设计高度已经突破1000米，与此同时，仍有一大批摩天大楼已处在规划阶段。
钢结构摩天大楼一般都具备结构新颖、节点复杂、技术要求高、吊装及焊接与连接工程量大、危险性大、安全防护困难等特点，毋庸置疑，建筑高度越高，施工难度就越大，工期就越长。而在摩天大楼的建设方面，业主单位由于投资回报的考虑，通常又将工期因素作为一项重要的考核指标。在摩天大楼垂直方向无法实现多点同时施工的情况下，充分利用好塔吊工作时间对加快工程建设工期至关重要。
二、外挂自爬升塔吊支承架悬挂拆卸施工技术
1.技术背景
摩天大楼常用的结构主要有高层钢结构、高层混凝土结构和高层钢—混凝土组合结构，而高层钢—混凝土组合结构常用的体系主要有框架—筒体结构体系、巨型柱框架—核心筒结构体系、筒中筒结构体系以及其它新型结构体系。在施工的过程中，因大部分材料、构件都需要由塔吊从地面运转至高空，所以，塔吊作为最主要的垂直运输设备直接制约着工程的施工进度。
当前，摩天大楼施工现场一般配备2 4台大型动臂式塔吊，采取简支或悬挑的方式布置在核心筒内或挂于核心筒外。由于塔吊产生的竖向荷载及水平荷载都很大，与之配套的塔吊支承架也具有体积大、构件重、节点多、结构复杂等特点。在外挂自爬升塔吊支承架的拆卸方面，国内外一般采用邻边塔吊相互配合的方式进行，但其工艺复杂、施工效率低。因此，如何提高支承架拆卸、周转速度，对保证施工整体进度具有重要意义。
2.技术主要内容
第一，外挂自爬升塔吊爬升原理。外挂自爬升塔吊的爬升原理是采用特定的外挂爬升系统将塔吊附着于核心筒外壁上，一套外挂爬升系统由3道支承架组成，塔吊正常作业时由两道支承架共同作业，塔吊爬升过程则由3道支承架交替作业。塔吊的自爬升主要利用的是塔吊下部标准节内置的液压油缸和特制的钢爬梯，通过爬升爪的自锁、液压油缸的交替顶升和缩缸使塔吊向上爬升。
第二，支承架受力特点。塔吊工作状态时，下道支承主要承受塔吊自重，上道支承和下道支承一起平衡吊臂及吊重，以水平反力为主。完成每次的塔吊爬升动作后，仅承受水平力的上道支承又转为下道支承承受塔吊自重和水平力。
第三，支承架悬挂转移。塔吊支承架悬挂转移的思路是采用特制的索具将A榀支承架连接在C榀支承架上。索具端头设置有捯链，通过捯链，将A榀支承架整体提升并脱离核心筒的约束，再将组成支承架的两个三角框调平后拆开，实现拆卸的目的；拆卸后，支承架继续由索具悬挂，等待周转。因为塔吊支承架的重量不到塔吊自重的15%，所以将待转移的支承架悬挂在仅承受水平力的上道支承架上，对于塔吊支承结构的安全没有影响。
3.技术应用及前景
第一，应用实例。深圳平安金融中心高660米，共配置4台动臂式塔吊，每台塔吊配备一套支承系统。塔楼整个施工过程中，每台塔吊将使用23次支承架悬挂拆卸施工技术向上爬升，可为项目创造如下工期效益（见常规拆卸技术与悬挂拆卸技术时间对比表）。
从常规拆卸技术与悬挂拆卸技术时间对比表可知，与常规技术需要临近2台塔吊配合拆卸支承架相比，使用该技术后，单台塔吊支承架累计拆卸时间可由34.5天缩短至11.5天，增加该塔吊20天使用时间；同时，可节约相邻2台塔吊共2×1.5×23=69天的使用时间。由此得出，项目上单台塔吊支承架的周转可节省出1台塔吊89天时间用于结构吊装。
同时，由于常规拆卸技术还要使用塔吊将支承架运回地面再周转，因此，当建筑高度越高时，该技术效果更加明显。
第二，推广前景。该技术使用新型索具作为悬挂拆卸工具，不占用塔吊有效工作时间；支承架采用整体提升、高空分离的方式拆卸，过程安全平稳，高效可靠，为塔吊的快速爬升奠定了基础；支承架拆卸后，继续由索具悬挂于半空，等待周转，节省了地面堆场，为车辆进场、构件堆放提供了良好条件，间接地加快了施工进度。
在深圳平安金融中心项目应用之后，该技术又在597米高的天津117项目得到推广应用，为项目解决了塔吊支承架拆卸难度大、拆卸时间长、占用塔吊时间过多等一系列问题。
三、跨障碍自爬升操作平台应用技术1.技术背景
在钢结构摩天大楼的施工方面，钢柱对接部位经常用到操作平台。而目前应用最多的操作平台是脚手架操作平台或装配式型钢操作平台，但两种操作平台都需要利用塔吊进行转移。在钢结构安装施工完全依赖于塔吊的现状下，必将对工程的整体施工进度产生较大影响。
钢结构摩天大楼正朝着更高的结构高度、更大的构件截面、更多的钢柱分段和变截面发展，对施工操作平台的要求越来越高，吊装设备紧张的问题与操作平台频繁移位之间的矛盾日益突出，急需新型操作平台的出现。
2.技术主要内容
第一，跨障碍自爬升平台组成。跨障碍自爬升平台由爬升系统、平台系统和同步电控系统组成。爬升系统作为平台系统的支承，由双向动力油缸推动，通过机械装置实现系统自爬升；平台系统是伸缩式设置，在局部位置可避让楼层钢梁，实现跨障碍的功能；同步电控系统则由微电脑与传感器对液压系统进行遥控。
第二，大梯度变截面自爬升系统。该系统应用同心挂座的设计，通过挂座、导轨、机架创新的机械配合形式，使液压爬升设备具备爬升导轨与爬升架体一同绕挂座进行大角度顺畅转动的功能，从而实现大梯度变截面爬升。
第三，自动悬挂附着装置。该装置由挂座自动回位卡舌、同心自动挂爪及其配合机构组成。挂座自动回位卡舌，可在导轨与之接触时对其自动悬挂；同心自动挂爪及其配合机构，使机架在爬升到位后可自动挂着于挂座两侧配合机构。
第四，伸缩卡舌式防坠调向机构。该机构采用了结构简单的圆柱状伸缩式单向爪，只需通过转动单向爪的尾部即可实现装置的换向。通过观察单向爪尾部伸出状态即可判断单向爪是否故障，并可将其滑动卡舌自动复位时发出的声响，作为液控系统的手动换向阀适时换向的准确信号。
第五，伸缩式工作平台。该平台应用互相嵌入式导槽、滑轮的子母平台结构，以及重叠式安全围护系统，在无需拆装的前提下，使子平台相对于母平台可随意伸缩，实现伸缩平台系统的尺寸无级调整，从而方便地避开钢柱上已焊装的牛腿或钢梁，使平台能顺利地进行跨障碍自爬升。
第六，多油缸自动同步电控系统。该系统通过开度仪检测油缸行程、接近开关检测防坠爬升器卡舌状态，将爬升系统状态输入控制台，由PLC预置程序进行同步控制、安全监控。根据开度仪读数，自动对油缸发出速度调整指令，利用液压站的比例阀进行油缸速度调控。
3.技术应用及前景
第一，应用实例。广州东塔建筑高度539.2米，主塔楼是带加强层的巨型框架——筒体结构。由于巨柱截面大（最大处5600毫米×3500毫米）、随楼层上升分阶段收缩（共渐变11次）、分段数量多（地上574节），焊接操作平台需频繁移位。根据现场实测数据显示，该平台每次爬升一个标准层（4.5米）平均占用3名作业人员2.5小时；与传统的脚手架操作平台或装配式操作平台需要塔吊移位相比，该平台每爬升一次平均可节约塔吊0.5天的工作时间，爬升次数越多，节约塔吊的时间越多。
第二，应用前景。该技术具备跨越牛腿障碍、爬升大梯度变截面以及自动同步爬升的功能，可解决钢柱施工过程中操作平台频繁移位的问题，适应变截面能力强，能增加塔吊的有效工作时间，又可避免大量高空安拆作业。跨障碍自爬升平台技术，采用机械动力，为钢结构施工提供了一种高效快捷的安全措施。
四、结束语
外挂自爬升塔吊支承架悬挂拆卸技术，使用新型索具作为拆卸设备，避免了因配合拆卸而浪费相邻塔吊的大量时间；其高效的拆卸速度，又为自身塔吊争取了更多有效工作时间。跨障碍自爬升操作平台应用技术，可实现跨障碍自爬升，避免了因操作平台的频繁移位而占用过多的塔吊时间；采用机械动力措施，提高了操作平台的机械化水平，有利于加快平台的爬升速度。随着摩天大楼的快速发展，塔吊作为最主要的吊装设备，应充分用于主体结构吊装，减少塔吊在其他方面的使用次数，这也是加快工程建设整体工期行之有效的好方法。
为了有效地缓解城市空间压力和提高城市空间利用率，越来越多的摩天大楼拔地而起，根据目前CTBUH（世界高层都市建筑学会）收录的数据显示，世界上已建成和正在建设的400米以上摩天大楼共44座，其中正在建设的沙特阿拉伯“王国大厦”设计高度已经突破1000米，与此同时，仍有一大批摩天大楼已处在规划阶段。
钢结构摩天大楼一般都具备结构新颖、节点复杂、技术要求高、吊装及焊接与连接工程量大、危险性大、安全防护困难等特点，毋庸置疑，建筑高度越高，施工难度就越大，工期就越长。而在摩天大楼的建设方面，业主单位由于投资回报的考虑，通常又将工期因素作为一项重要的考核指标。在摩天大楼垂直方向无法实现多点同时施工的情况下，充分利用好塔吊工作时间对加快工程建设工期至关重要。
二、外挂自爬升塔吊支承架悬挂拆卸施工技术
1.技术背景
摩天大楼常用的结构主要有高层钢结构、高层混凝土结构和高层钢—混凝土组合结构，而高层钢—混凝土组合结构常用的体系主要有框架—筒体结构体系、巨型柱框架—核心筒结构体系、筒中筒结构体系以及其它新型结构体系。在施工的过程中，因大部分材料、构件都需要由塔吊从地面运转至高空，所以，塔吊作为最主要的垂直运输设备直接制约着工程的施工进度。
当前，摩天大楼施工现场一般配备2 4台大型动臂式塔吊，采取简支或悬挑的方式布置在核心筒内或挂于核心筒外。由于塔吊产生的竖向荷载及水平荷载都很大，与之配套的塔吊支承架也具有体积大、构件重、节点多、结构复杂等特点。在外挂自爬升塔吊支承架的拆卸方面，国内外一般采用邻边塔吊相互配合的方式进行，但其工艺复杂、施工效率低。因此，如何提高支承架拆卸、周转速度，对保证施工整体进度具有重要意义。
2.技术主要内容
第一，外挂自爬升塔吊爬升原理。外挂自爬升塔吊的爬升原理是采用特定的外挂爬升系统将塔吊附着于核心筒外壁上，一套外挂爬升系统由3道支承架组成，塔吊正常作业时由两道支承架共同作业，塔吊爬升过程则由3道支承架交替作业。塔吊的自爬升主要利用的是塔吊下部标准节内置的液压油缸和特制的钢爬梯，通过爬升爪的自锁、液压油缸的交替顶升和缩缸使塔吊向上爬升。
第二，支承架受力特点。塔吊工作状态时，下道支承主要承受塔吊自重，上道支承和下道支承一起平衡吊臂及吊重，以水平反力为主。完成每次的塔吊爬升动作后，仅承受水平力的上道支承又转为下道支承承受塔吊自重和水平力。
第三，支承架悬挂转移。塔吊支承架悬挂转移的思路是采用特制的索具将A榀支承架连接在C榀支承架上。索具端头设置有捯链，通过捯链，将A榀支承架整体提升并脱离核心筒的约束，再将组成支承架的两个三角框调平后拆开，实现拆卸的目的；拆卸后，支承架继续由索具悬挂，等待周转。因为塔吊支承架的重量不到塔吊自重的15%，所以将待转移的支承架悬挂在仅承受水平力的上道支承架上，对于塔吊支承结构的安全没有影响。
3.技术应用及前景
第一，应用实例。深圳平安金融中心高660米，共配置4台动臂式塔吊，每台塔吊配备一套支承系统。塔楼整个施工过程中，每台塔吊将使用23次支承架悬挂拆卸施工技术向上爬升，可为项目创造如下工期效益（见常规拆卸技术与悬挂拆卸技术时间对比表）。
从常规拆卸技术与悬挂拆卸技术时间对比表可知，与常规技术需要临近2台塔吊配合拆卸支承架相比，使用该技术后，单台塔吊支承架累计拆卸时间可由34.5天缩短至11.5天，增加该塔吊20天使用时间；同时，可节约相邻2台塔吊共2×1.5×23=69天的使用时间。由此得出，项目上单台塔吊支承架的周转可节省出1台塔吊89天时间用于结构吊装。
同时，由于常规拆卸技术还要使用塔吊将支承架运回地面再周转，因此，当建筑高度越高时，该技术效果更加明显。
第二，推广前景。该技术使用新型索具作为悬挂拆卸工具，不占用塔吊有效工作时间；支承架采用整体提升、高空分离的方式拆卸，过程安全平稳，高效可靠，为塔吊的快速爬升奠定了基础；支承架拆卸后，继续由索具悬挂于半空，等待周转，节省了地面堆场，为车辆进场、构件堆放提供了良好条件，间接地加快了施工进度。
在深圳平安金融中心项目应用之后，该技术又在597米高的天津117项目得到推广应用，为项目解决了塔吊支承架拆卸难度大、拆卸时间长、占用塔吊时间过多等一系列问题。
三、跨障碍自爬升操作平台应用技术1.技术背景
在钢结构摩天大楼的施工方面，钢柱对接部位经常用到操作平台。而目前应用最多的操作平台是脚手架操作平台或装配式型钢操作平台，但两种操作平台都需要利用塔吊进行转移。在钢结构安装施工完全依赖于塔吊的现状下，必将对工程的整体施工进度产生较大影响。
钢结构摩天大楼正朝着更高的结构高度、更大的构件截面、更多的钢柱分段和变截面发展，对施工操作平台的要求越来越高，吊装设备紧张的问题与操作平台频繁移位之间的矛盾日益突出，急需新型操作平台的出现。
2.技术主要内容
第一，跨障碍自爬升平台组成。跨障碍自爬升平台由爬升系统、平台系统和同步电控系统组成。爬升系统作为平台系统的支承，由双向动力油缸推动，通过机械装置实现系统自爬升；平台系统是伸缩式设置，在局部位置可避让楼层钢梁，实现跨障碍的功能；同步电控系统则由微电脑与传感器对液压系统进行遥控。
第二，大梯度变截面自爬升系统。该系统应用同心挂座的设计，通过挂座、导轨、机架创新的机械配合形式，使液压爬升设备具备爬升导轨与爬升架体一同绕挂座进行大角度顺畅转动的功能，从而实现大梯度变截面爬升。
第三，自动悬挂附着装置。该装置由挂座自动回位卡舌、同心自动挂爪及其配合机构组成。挂座自动回位卡舌，可在导轨与之接触时对其自动悬挂；同心自动挂爪及其配合机构，使机架在爬升到位后可自动挂着于挂座两侧配合机构。
第四，伸缩卡舌式防坠调向机构。该机构采用了结构简单的圆柱状伸缩式单向爪，只需通过转动单向爪的尾部即可实现装置的换向。通过观察单向爪尾部伸出状态即可判断单向爪是否故障，并可将其滑动卡舌自动复位时发出的声响，作为液控系统的手动换向阀适时换向的准确信号。
第五，伸缩式工作平台。该平台应用互相嵌入式导槽、滑轮的子母平台结构，以及重叠式安全围护系统，在无需拆装的前提下，使子平台相对于母平台可随意伸缩，实现伸缩平台系统的尺寸无级调整，从而方便地避开钢柱上已焊装的牛腿或钢梁，使平台能顺利地进行跨障碍自爬升。
第六，多油缸自动同步电控系统。该系统通过开度仪检测油缸行程、接近开关检测防坠爬升器卡舌状态，将爬升系统状态输入控制台，由PLC预置程序进行同步控制、安全监控。根据开度仪读数，自动对油缸发出速度调整指令，利用液压站的比例阀进行油缸速度调控。
3.技术应用及前景
第一，应用实例。广州东塔建筑高度539.2米，主塔楼是带加强层的巨型框架——筒体结构。由于巨柱截面大（最大处5600毫米×3500毫米）、随楼层上升分阶段收缩（共渐变11次）、分段数量多（地上574节），焊接操作平台需频繁移位。根据现场实测数据显示，该平台每次爬升一个标准层（4.5米）平均占用3名作业人员2.5小时；与传统的脚手架操作平台或装配式操作平台需要塔吊移位相比，该平台每爬升一次平均可节约塔吊0.5天的工作时间，爬升次数越多，节约塔吊的时间越多。
第二，应用前景。该技术具备跨越牛腿障碍、爬升大梯度变截面以及自动同步爬升的功能，可解决钢柱施工过程中操作平台频繁移位的问题，适应变截面能力强，能增加塔吊的有效工作时间，又可避免大量高空安拆作业。跨障碍自爬升平台技术，采用机械动力，为钢结构施工提供了一种高效快捷的安全措施。
四、结束语
外挂自爬升塔吊支承架悬挂拆卸技术，使用新型索具作为拆卸设备，避免了因配合拆卸而浪费相邻塔吊的大量时间；其高效的拆卸速度，又为自身塔吊争取了更多有效工作时间。跨障碍自爬升操作平台应用技术，可实现跨障碍自爬升，避免了因操作平台的频繁移位而占用过多的塔吊时间；采用机械动力措施，提高了操作平台的机械化水平，有利于加快平台的爬升速度。随着摩天大楼的快速发展，塔吊作为最主要的吊装设备，应充分用于主体结构吊装，减少塔吊在其他方面的使用次数，这也是加快工程建设整体工期行之有效的好方法。
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