超高层建筑楼层内混凝土布料装备研究

(1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；

2.上海高大结构建造工艺与装备工程技术研究中心，上海 201114)

1 超高层建筑楼层内混凝土浇筑特点

在目前的超高层建筑中，钢筋混凝土核心筒加外围钢结构或外围混合结构成为了超高层建筑的基本形式。在核心筒施工中，一般采用在整体提升钢平台上安装布料机来进行混凝土浇筑，布料机随着钢平台的提升而提升。在外围施工中，出于安全性考虑，一般是钢结构吊装完成后铺设该层的压型钢板组合楼板然后再吊装上一层的钢结构。外围钢结构吊装往往要滞后于核心筒施工8～10层，外围钢结构楼层面的混凝土浇筑施工要滞后于外围钢结构吊装4～6层，这样就导致了钢平台上的布料机无法在外围钢结构楼层面施工中应用。由于上述施工均已完成，导致了楼层面混凝土浇筑时有诸多限制，市面上没有合适的布料装备来进行布料。

目前，该工况大多采用“退管法”进行混凝土浇筑，即先从距垂直爬升管较远处开始浇筑，通过拆管边退边泵，最后进行距爬升管较近处的混凝土浇筑。此方法进行混凝土浇筑时只能沿着泵管布置方向一条直线进行浇筑，需要人工将混凝土扒至泵管无法浇筑的地方，存在泵管铺设时间长、施工效率低、劳动强度大和污染施工环境等诸多问题，无法满足现代施工的要求。建筑施工工艺工序和楼层层高决定了新型布料装备需满足以下几点要求。

1）臂架展开满足空间要求 由于上下都已铺设压型钢板组合楼板，一般楼层净高4m左右，这就要求臂架能在4m净高内的空间中展开工作。

2）上下楼及楼层间的转场方便 上下都已铺设压型钢板组合楼板，不适合频繁利用塔机进行转场；楼层分布在核心筒四周，在楼层间要做到布料全覆盖需布置多台设备或设备可移动。

3）安装位置的要求 只能安装在核心筒四周或钢结构大梁及立柱上。

2 常规混凝土布料机

混凝土布料机是泵送混凝土的末端设备，其作用是将泵送来的混凝土通过管道送到要浇筑构件的模板内，它普遍应用于高层建筑及大型建筑的混凝土浇筑施工。按安装形式可分为：楼面内爬式、电梯井内爬式、塔式、船载式、移动式和专用式；接臂架形式分为R式、Z式及RZ式。其可通过多节折叠臂的俯仰及展折变幅来改变布料半径，布料半径从12～45m不等，通过回转支承进行360°回转实现水平方向运动，两种运动结合可在臂架长度范围内实现三维立体空间的全方位浇注，无浇注死角，能方便地实现墙体、管、柱、桩等各种混凝土浇注作业，如图1所示。

3 适用于楼层内的混凝土布料装备

针对超高层建筑楼层内混凝土浇筑特点，结合施工工艺，本文提出了以下3种适用于超高层建筑楼层内混凝土浇筑布料装备。

图1 常规混凝土布料机

3.1 核心筒外爬式布料机

本方案（图2）采用了核心筒墙体外爬式的安装方式，臂架形式上采用了3节臂水平回转展开形式，包括附墙装置、爬升导轨、液压爬升机构、臂架一、臂架二和臂架三。附墙装置由预埋螺杆、锥形预埋螺母、附墙支座、附墙靴、附墙靴插销、爬升承重插板和锁紧螺母组成，主要用作布料机在核心筒墙体外固定支点，其可在排方案时考虑与液压爬模系统共用部分附墙装置。液压爬升机构采用与液压爬模系统相似的爬升机构，通过液压缸、防坠装置、调向装置及爬升架实现竖直方向上的自我爬升，在爬升到位后采用受力体系转换机构，将爬升平台与附墙装置完全固定。3组臂架均由钢索、回转支承、回转桁架、桁架臂、泵管、抱箍组成。臂架一通过回转支承旋转固定在爬升平台上，上部通过钢索与爬升平台相连；臂架二下部通过回转支承旋转固定在臂架一上，上部通过钢索与回转桁架相连；臂架三下部通过回转支承旋转固定在臂架二上，上部通过钢索与臂架二相连；3节臂架均可通过回转支承做水平方向旋转运动。

图2 核心筒外爬式布料机主要机构

此方案通过爬升导轨和液压爬升机构来实现竖直方向的爬升，通过3个回转支承来实现臂架的旋转，通过3节臂架的不同角度来实现布料点的变动。由于臂架是水平旋转展开的，避免了楼层内的层高对展开空间的限制，在楼层内可方便实现展开和收缩动作，满足了爬升和作业时的工况要求。布料机在施工作业期间只需进行竖向混凝土泵送输入管的拆接，其它都可利用自身进行自动化操作，降低了工人的劳动强度，提升了混凝土浇筑的施工效率，提高了混凝土布料施工质量，降低了施工成本。但此方案也存在以下缺点：一栋建筑内需布置多台设备（图3），增加了设备投入成本；在压型钢板组合楼板铺设时需预留爬升孔，爬升后需补上，增加了施工工序等。

图3 核心筒外爬式布料机布置图

采用核心筒外爬式布料机楼层内浇筑混凝土施工方法如下。

1）根据核心筒及楼层大小形状合理确定布料机的位置及数量，在施工时预埋附墙螺栓并留出布料机爬升时所需的爬升孔。

2）利用现场塔机将布料机的各个部件吊装至第N层并现场装配。

3）装配完成后爬升至第N+1层。

4）将竖向混凝土泵送管与布料机泵管连接。

5）在第N+1层内利用3节臂架的不同角度旋转进行混凝土布料。

6）在布料完成后收缩3节臂架并垂直于安装面锁定，进入爬升状态（图4）。

7）拆除竖向混凝土泵送管与布料机泵管连接。

8）利用自身液压爬升机构实现布料机的整体爬升一层楼面至第N+2层。

9）将竖向混凝土泵送管与布料机泵管连接。

10）将第N+1层预留的爬升孔补上并浇灌混凝土。

11）在第N+2层内利用三节臂架的不同角度旋转进行混凝土布料。

12）重复6～11步骤直至整体施工完成。

13）利用塔机进行布料机拆除。

图4 核心筒外爬式布料机爬升示意图

3.2 轨道自行式布料机

本方案（图5）采用了轨道自行式的安装方式，臂架形式上采用了两节臂水平回转展开形式，包括泵管随动装置、行走轨道、行走装置、臂架一和臂架二。泵管随动装置由固定泵管、管箍、弯管、可转动管箍、旋转泵管一、滚轮支撑和旋转泵管二组成；通过滚轮支撑在压型钢板组合楼板上的支撑可以带动泵管跟随布料机运动而运动。行走轨道由工字钢轨道、横梁、安装座组成，其中安装座安装在建筑主体的大梁处并与需浇筑的混凝土等高，在混凝土浇筑完毕后预埋在混凝土内部不予回收利用。行走装置由滚轮组、驱动装置、锁紧装置、行走平台组成；通过驱动装置可驱动行走装置在行走轨道上运动，在到达布料位置时，可通过锁紧装置将行走装置与行走轨道锁定后开始布料。臂架由回转支承、桁架臂、泵管、抱箍等组成；臂架一通过回转支承旋转固定在行走平台上；臂架二下部通过回转支承旋转固定在臂架一上，上部通过钢索二与桁架臂一相连；两节臂架均可通过回转支承做水平方向旋转运动。臂架一为短臂架，臂架二为长臂架，布料机在行走时将臂架折叠固定，这样就保证了行走时重心位置更接近行走装置的中心，减轻了倾翻力矩。

图5 轨道自行式布料机主要机构

本方案通过行走轨道和行走装置来实现水平方向的移动，通过两个回转支承来实现臂架的旋转，通过二节臂架的不同角度来实现布料点的变动。由于臂架是水平旋转展开的，避免了楼层内的层高对展开空间的限制，在楼层内可方便实现展开和收缩动作，满足了作业时的工况要求。泵管随动装置可通过调节旋转泵管一和旋转泵管二之间的夹角来适应行走平台和固定泵管之间的距离变化，做到了输入泵管的免拆除。布料机在一层楼层施工作业期间只需进行两至三次输入泵管的拆接，其它都可利用自身进行自动化操作，降低了工人的劳动强度，提升了混凝土浇筑的施工效率。但此方案也存在以下缺点：新增了轨道安装拆除的工作量；布料机上下楼时需吊装，占用了卸料平台及塔机等。

采用轨道自行式布料机楼层内浇筑混凝土施工方法如下。

1）根据核心筒及楼层大小形状合理确定行走轨道的的位置。

2）利用现场塔机将各节导轨吊装至第N层并现场安装。

3）利用现场塔机将布料机的各个部件吊装至第N层并现场装配。

4）利用现场塔机将另一组导轨吊装至第N+1层并现场安装（另一组人员同步作业）。

5）将竖向混凝土泵送管与泵管随动装置泵管连接。

6）在第N层内沿着导轨行走并利用二节臂架的不同角度旋转进行混凝土布料。

7）拆除竖向混凝土泵送管与泵管随动装置泵管连接。

8）利用现场塔机将布料机的各个部件吊装至第N+1层并现场装配。

9）拆除第N层导轨并利用现场塔机吊装至第N+2层进行现场安装（另一组人员同步作业）。

10）将竖向混凝土泵送管与泵管随动装置泵管连接。

11）在第N+1层内沿着导轨行走并利用二节臂架的不同角度旋转进行混凝土布料。

12）重复7～11步骤直至整体施工完成。

3.3 履带式布料机

本方案（图6）采用了履带式底盘自由行走方式，臂架形式上采用了单节臂水平回转形式，包括泵管随动装置、履带底盘、臂架。泵管随动装置由固定泵管、管箍、弯管、可转动管箍、旋转泵管一、滚轮支撑、旋转泵管二组成；通过滚轮支撑在压型钢板组合楼板上的支撑可以带动泵管跟随布料机运动而运动。履带底盘采用定制的轻量化底盘加橡胶履带组合，在满足工况要求的情况下使其对压型钢板组合楼板的压力最小。臂架由回转支承、矩形臂、泵管、抱箍等组成，通过回转支承旋转固定在履带底盘上。

图6 履带式布料机主要机构

本方案通过履带底盘的行走及臂架的回转来实现布料点的变动。履带底盘及臂架组成一台可自由移动式小型布料机，在楼层内可自由移动布料，满足了作业时的工况要求。泵管随动装置可通过调节旋转泵管一和旋转泵管二之间的夹角来适应行走平台和固定泵管之间的距离变化，做到了输入泵管的免拆除。布料机在一层楼层施工作业期间只需进行2～3次输入泵管的拆接，其它都可利用自身进行自动化操作，降低了工人的劳动强度，提升了混凝土浇筑的施工效率。但此方案也存在以下缺点：履带底盘在压型钢板组合楼板上行走会对已铺设好的钢筋桁架有轻微影响。

采用履带式布料机楼层内浇筑混凝土施工方法如下。

1）根据核心筒及楼层大小形状，合理确定固定泵管的出口位置及泵管随动装置的旋转布料管一、旋转布料管二的长度。

2）根据确定的方案由标准泵管、管箍、弯管、可转动管箍、滚轮支撑在所需浇筑楼层内组装泵管随动装置。

3）利用塔机将履带底盘和臂架吊至所需浇筑楼层。

4）将泵管随动装置、履带底盘及臂架按要求拼装，并将其中的泵管通过可转动管箍连接成同一管路。

5）通过履带底盘在压型钢板组合楼板上行走及臂架旋转布料浇筑。

6）浇筑完成后将泵管随动装置、履带行走装置及臂架拆除。

7）重复2～6步骤直至整体施工完成。

4 结 语

上述3种方案初步实现了超高层建筑楼层内混凝土浇筑机械布料的功能，但在施工工艺工序及设备上仍然存在诸多需进一步深入研究改进的地方。随着人力资源成本及施工质量要求的不断提升，自动化、机械化是必然的发展趋势，如何更快捷方便、高效安全、节能环保地实现超高层建筑楼层内混凝土浇筑布料还值得进一步深入研究。

[参考文献]

[1]刘佩衡.高层建筑施工中混凝土布料杆的应用和选择方法[J].建筑技术，2001，32(1)：46-48.