超高建筑施工整体提升式防护屏蔽架技术研究

朱毅敏 翟信哲 徐 磊

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

在超高建筑施工中，施工作业平台和施工环境是保证施工安全、控制施工风险的重要影响因素。整体脚手架体系就是一种有效的超高建筑施工平台体系，它可以将高空作业变为低空作业，将悬空作业变为架体内部作业[1]，其中具有屏蔽功能的整体脚手架，可以有效提高超高建筑施工的封闭性和安全性。

目前常用的整体脚手架体系，很多具有封闭性差、整体性不足、无法适应不同结构形状和建筑高空变形、无法升降或升降施工作业复杂烦琐等问题。

随着目前超高建筑结构形式日趋多样，建筑施工要求和挑战日益增加，需设计新型整体屏蔽脚手架体系，以满足不同情况下的工程建设需求，有效解决上述问题[2]。

1 整体提升式防护屏蔽架平台体系

本文设计了一种新型超高建筑施工整体提升式防护屏蔽架平台体系，平台系统设计面向应用，提出了由“平台系统—子系统—构件”三大结构层级组成的整体提升式防护屏蔽结构体系。结构体系以构件作为平台系统的基本功能单元和结构单元。各个构件连接组合，形成实现特定功能的子系统。子系统之间通过功能与结构上的连接组成整体提升式防护屏蔽架平台系统。整体平台系统采用了模块化设计，可以根据超高建筑临边形状和尺寸，将一幅或多幅平台架体进行组装拼接，从而满足不同结构形状和超高结构变形的要求，整体提升式防护屏蔽架平台体系结构如图1所示。

平台系统共集成架体结构系统、屏蔽系统、承重系统、附着防倾系统、提升系统和防坠系统等六大子系统。

1.1 架体结构系统

架体结构系统主要包括水平构件、竖向构件和连接构件3类，起承担和传递屏蔽架荷载的功能。水平构件主要为脚手板、水平脚手架和水平桁架；竖向构件主要为竖向脚手架、竖向梯段和竖向桁架；连接构件则用于串联相邻平台架体结构。架体结构系统是整体提升式防护屏蔽结构体系的骨架。

1.2 屏蔽系统

屏蔽系统包括外屏蔽网、侧屏蔽网和低屏蔽板3类主要构件，起屏蔽施工环境的作用，可有效保障施工安全和施工封闭，控制施工坠物、施工噪声、施工扬尘对环境的影响。

图1 整体提升式防护屏蔽架平台体系结构示意

1.3 承重系统

承重系统主要为承重拉结装置。其作用为将整个平台体系的主要竖向荷载传递到建筑结构上，是平台体系安全作业的核心和关键。考虑到靠下的施工作业层养护时间长，已基本形成强度，故承重拉结装置一般位于平台系统空间位置下部。

1.4 附着防倾系统

附着防倾系统是屏蔽架体与建筑结构之间的水平拉结装置，传递架体结构的水平荷载。水平拉结位置一般在各施工层处，可以有效防止整体平台倾覆。同时，防倾装置不可影响平台架体提升状态的竖向运动。

1.5 提升系统

提升系统主要由提升动力装置、同步提升控制装置、提升吊机、提升吊绳、提升钢丝绳、提升滑轮组和其他辅助提升构件组成。提升系统可以在建筑完成结构层施工时实现自动协同提升，进入下一个结构层施工周期。

1.6 防坠系统

防坠系统是平台架体的主要安全保障。当平台架体遭遇意外荷载或承重系统遭受破坏时，防坠系统可以迅速“接管”结构竖向荷载，防止屏蔽结构体系坠落，降低超高建筑施工重大风险隐患。

防坠系统主要构件包括防坠导轨、防坠棘轮、防坠拨片、防坠挡板和附属构件，如图2所示。

平台架体正常爬升时，导轨带动防坠棘轮正向转动，棘轮转动时拨动防坠拨片向下运动，拨片被拨动后可以复位；平台架体发生坠落风险时，导轨向下运动，带动棘轮 反向转动，此时防坠拨片受到挡板的限位无法向下运动，从而阻止棘轮进一步反向转动，实现固定导轨和整个平台架体的目的。

图2 防坠系统示意

2 整体提升式防护屏蔽架结构设计

基于上述平台体系方案设计，对整体提升式防护屏蔽架进行结构设计与计算，使其在合理的荷载与作用下可以满足结构稳定性和安全性的要求。以某工程中用到的整体提升式防护屏蔽架结构为例，进行结构分析与计算，该架体结构由4幅平台架体单元组成。

2.1 计算工况及荷载分析

根据整体提升式防护屏蔽架平台体系的施工操作流程，考虑实际工程需求，将计算工况分为施工工况、提升工况及大风停工工况，本研究重点针对这3种施工工况进行结构分析。

整体提升式防护屏蔽架处于工作状态下，竖向荷载靠底部承重拉结装置承受，水平荷载通过水平拉结传递到结构。提升工况下竖向荷载靠提升钢丝绳承受，水平荷载通过防倾装置传递到结构。大风停工工况下竖向荷载靠底部承重拉结装置承受，水平荷载通过水平拉结传递到结构。其中，顶部踏步层与结构建立可靠连接，拉结钢管与永久结构的固定须满足强度要求，每层均增加抱箍点。

根据相关规范和标准，整体提升式防护屏蔽架平台体系主要包括3类荷载：恒载、活载以及风荷载[3]。

恒载主要为各子系统构件及固定于架体上的其他设备、装置的自重。活载主要包括施工人员、材料及施工机具的自重，计算中为偏安全考虑，各层荷载按顶层作业计算，施工工况下每层活载为3 kN/m2，提升工况下每层活载0.5 kN/m2，大风停工工况不考虑施工活载。按脚手架操作安全要求，整体提升式防护屏蔽架在高空6级风压以下可正常作业爬升，按7级风压进行验算；大风停工工况按12级台风风压进行复核[4]。屏蔽系统采用钢丝网板作为主要屏蔽构件，其开孔率在70%以上，透风性能良好，挡风系数一般取0.5进行设计计算，为偏安全考虑，本研究取0.8进行结构分析。

荷载效应依据相关规范进行组合。

2.2 防护屏蔽架体结构有限元分析

根据预设计的整体提升式防护屏蔽架体结构和材料，建立有限元模型，如图3所示。

图3 有限元模型

整体提升式防护屏蔽架体结构在施工、提升和停工工况下的最大应力比分别为0.71、0.69、0.75。3种工况的最大应力比均出现在水平连系杆件上。架体结构的最大变形分别为11.2、10.8、8.9 mm，均位于脚手架中部最顶端。承重系统或提升系统的最大竖向反力分别为58.3、45.4、39.3 kN；水平附着拉结的最大水平反力分别为18.0、17.4、21.9 kN。以上各项指标均满足施工要求。

2.3 部分构件单体验算

架体结构与建筑结构之间连接的拉结钢梁，需承担承重系统传递的竖向荷载和附着防倾系统传递的水平荷载，其受力模式如图4所示。

图4 拉结钢梁受力模式

竖向荷载和水平荷载均取最大值进行计算，得到其支座反力F1最大值为26.1 kN，F2最大值为85.9 kN。钢梁的最大应力为125 MPa，最大变形为1.037 mm。各数值均满足使用要求。根据上述主要计算可知，整体提升式防护屏蔽架的结构设计满足安全性和稳定性指标，满足不同工况下的施工要求。

3 整体提升式防护屏蔽架施工方法

本文基于整体提升式防护屏蔽架平台体系设计，针对性地提出适用于超高建筑施工的施工方法，包括组装拆除阶段、施工阶段和提升阶段等不同状态下的施工流程，并提出应对不同环境、荷载、工况的施工措施[5]。

3.1 组装拆除阶段

整体提升式防护屏蔽架组装阶段遵循的原则是：先拉结后组装、先下部后上方。在组装前应先在对应各结构层安装好拉结钢梁，之后方可进行架体吊装。吊装架体从下至上进行，吊装好第1节架体后，应先完成承重系统的连接，保证竖向荷载有效传递。依次吊装上部架体时，应随时做好与拉结钢梁的水平连接并及时形成防坠系统。

拆除阶段主要为组装的逆过程，但考虑拆除作业一般为超高空作业，应予以高度重视。拆除的总原则为：先装后拆、后装先拆、自上而下、有序施工。

在组装和拆除阶段，架体内部不得有任何堆载、可移动装备和施工人员。在特殊环境下不应进行拆除作业。

3.2 施工阶段

施工阶段可在架体各层进行正常施工作业，原则上整体提升式防护屏蔽架不允许堆载。遇到大风等特殊工况，应将所有拉结位置全部连接并予以加固。特殊工况应停止施工，并固定架体上的各可移动设施。

3.3 提升阶段

当第2、3、4施工层养护至预定结构强度，欲进行第5施工层施工时，可以进行提升作业。

在提升阶段，应先完成提升系统的连接。首先，将提升钢丝绳连接至提升吊绳上，并从下部绕过提升滑轮组后，连接至第3施工层的拉结钢梁上。

确认防坠系统安全稳定且可正常运作后，松开连接在第2施工层拉结钢梁上的承重系统构件，断开第1施工层的连接。在同步提升控制装置的控制下，由提升吊机回收提升吊绳，带动防护屏蔽架体向上运动。向上提升1层之后重新连接承重系统构件，松开提升钢丝绳，完成提升作业。

4 结语

本文通过模块化的“平台系统—子系统—构件”三大结构层级设计、结构计算和数值模拟，设计出超高建筑施工整体提升式防护屏蔽架平台体系，并提出了使用本平台体系进行超高施工的方法，有效保证了超高建筑施工临边防护的整体性、封闭性、灵活性、经济性和安全性。