一种新型装配式悬挑轻钢模架施工平台体系*

曹万林，杨兆源，魏海丰，张广亮，章俊华，殷 飞

(1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124； 2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

0 引言

随着我国城镇化进程不断推进，以工业化为依托实现住宅建筑产业化发展已成为必然趋势。装配式绿色节能住宅建筑的研发与推广已经成为国家建设的重大需求[1]。自2017年起，我国出台了一系列措施推动装配式绿色节能住宅的发展与应用[2]。

装配式剪力墙结构在多层及中高层住宅工程应用中逐渐普及[3]。为保证施工质量，构件起吊组装、设备安装以及外部装饰等环节，都不可避免的需要施工人员进行室外高空作业[4]。多层及中高层住宅建筑外立面施工难度大，危险性较高。施工过程中通常要搭建脚手架或悬挑施工防护平台等，以满足施工和安全防护需求[5]。

目前国内外应用较多的施工作业外防护体系主要包括脚手架体系[6-8]、导轨式爬架施工平台[9-10]、附着式升降平台[11]以及整体液压平台体系[12]等，部分施工平台如图1所示。考虑工程造价因素，住宅建筑中多采用脚手架体系、装配化附着式升降平台或导轨式爬架平台作为施工防护结构。

图1 施工作业平台

传统脚手架体系弊端在于：进场及施工过程中占用场地面积大，造成资源浪费；装配效率低，施工成本较高；结构可靠性较低，安全事故多发。装配附着式升降平台虽能解决人力及资源问题，但仍存在与传统脚手架体系相同的弊端。导轨式爬架施工平台连接节点相对复杂、施工难度高，容易造成资源浪费且应用于民用住宅施工造价也相对高。

为解决上述问题，部分学者提出了悬挑脚手架支撑结构[13]。杨芳等[14]依托高层住宅工程，对双排分段式悬挑脚手架体系进行了研究，以此为基础采用悬挑平台搭设方式，达到了缩短工期、提高施工质量的效果。李锦通等[15]从工程实践出发，分析了悬挑外脚手架体系存在的装配工期长、施工过程控制难等问题，开发了悬挑脚手架体系逆向拆除方案，达到了缩短工期、节约成本的目的。马波[16]对高层建筑施工用悬挑结构进行了设计分析，发现传统悬挑施工平台体系在工程应用中存在悬挑梁变形过大的问题，导致悬挑结构施工时模板变形难以控制，进而影响施工质量，为此设计了型钢施工平台，施工平台变形量得到有效控制。周鸿博等[17]开发了应用于高层悬挑结构施工平台体系，该平台结构传力路径明确，在工程实践中获得了显著的经济效益。罗晓玲等[18]对超高层悬挑施工平台脚手架搭设以及模板支撑技术进行了计算分析，为悬挑结构的高空支模施工提供了参考。

悬挑脚手架多为型钢支撑结构形式，主要有下撑式、斜拉式和悬挑梁式，如图2所示。目前常用的下撑式悬挑脚手架支撑结构中三角架杆件通常采用角钢或工字钢，此种构件截面弱轴方向抗弯能力弱，构件易发生稳定性破坏；同时三角架与附着墙体仅通过单个螺栓连接，易导致结构平面外转动，稳定性较差；且上部脚手架施工平台与下部悬挑支撑桁架连接节点安全性差，抗弯刚度较低。而斜拉式和悬挑梁式支撑结构则需要穿过墙体与结构梁或楼板固定，不适用于装配式剪力墙结构。

图2 悬挑脚手架支撑结构

为此，从工程系统的角度，提出了一种新型装配式悬挑轻钢模架施工平台体系，该施工平台体系由轻钢模架支撑系统、轻钢模架与剪力墙连接系统以及模架施工平台防护系统装配而成。研究表明：所提出的施工平台体系结构设计合理，传力体系明确，安全围护结构牢固可靠；具有施工便捷、受力合理以及可循环利用等优势，特别适用于装配式剪力墙结构的建造、设备安装以及外墙装饰等工程。

1 悬挑轻钢模架施工平台体系设计

悬挑轻钢模架施工平台体系如图3所示。①轻钢模架支撑系统 该新型施工平台体系下部的三角轻钢桁架结构(简称“三角架”)为轻钢模架支撑系统，采用100×100×4方钢管焊接而成，钢管采用Q345级钢材。三角架沿墙面外伸1 200mm，可允许施工人员双向并排通过。②轻钢模架与剪力墙连接系统 每个三角架结构采用高强螺栓附墙节点通过2根M24高强螺栓与墙体相连，形成节点连接系统。螺栓穿过钢管螺栓孔与墙体预留孔通过螺母紧固，从而将三角架与墙体固定；为避免螺栓紧固过程中造成钢管屈曲，需在钢管开孔部位焊接螺栓套筒。③模架施工平台防护系统 脚手架框架以及施工模板为安全围护系统；为方便上部脚手架框架与下部三角架连接，在三角架上预焊套筒，而后通过螺栓连接方式将内外侧竖向脚手架钢管与下部三角架固定，竖向脚手架钢管间距按规范规定进行设置。④预制混凝土剪力墙上预留的螺栓孔后期处理方式 墙体外页部分可采用特制胶塞配合注浆填充型防水材料进行封堵，墙体内页使用微膨胀抗渗性混凝土，可规避预留孔洞渗漏以及冷桥风险；开洞部位可被外装饰线条掩盖，保证后期观感效果。悬挑轻钢模架施工平台体系布置如图4所示。

图3 悬挑轻钢模架施工平台体系设计方案

图4 悬挑轻钢模架施工平台体系布置

2 轻钢模架支撑系统

轻钢模架支撑系统主要由三角架构成。三角架采用100×100×4方钢管焊接制成，三角架竖杆高1 500mm，上部高出横杆顶面150mm，下部在斜杆底边伸出150mm，三角架横杆长1 400mm，斜杆长1 690mm。若三角架斜杆长细比过大或杆端弯矩与压力过大，极易造成三角架斜杆失稳。因此提出局部采用钢管混凝土构造加强措施，即在三角架斜杆中段浇筑局部混凝土，杆件两端约300mm范围内钢管保持中空。采用局部钢管混凝土加强后，在不增加用钢量及结构自重的前提下，三角架斜杆的稳定性得到显著增强，同时三角架斜杆的防火及耐腐蚀性能得到提高。三角架剖面如图5所示。

3 模架施工平台防护系统

由图4可知，该新型施工平台的防护系统与传统施工平台围挡不同，设计中将内侧脚手架竖杆、外侧脚手架竖杆以及内外侧脚手架竖杆连接系杆使用脚手架扣件进行连接，形成“门式刚架”结构，并通过脚手架套筒连接节点与三角架进行连接，其平面内稳定性得到增强。加之脚手架横向系杆对同层各脚手架“门式刚架”的连接，其平面外稳定性得到保障。横向方钢管上焊接└5×5支撑，框内设支撑钢筋并满铺模板作为施工平台系统。同时在方钢管外端部设置200mm高挡脚板，外侧刷黄黑相间油漆。内侧及外侧脚手架竖杆通过套筒连接方式与轻钢三角架连接，脚手架竖杆与轻钢模架支撑系统连接节点构造如图6所示。

图6 脚手架套筒连接节点构造

外侧脚手架套筒连接节点构造如下：在三角架横杆上焊接外径为50mm的钢管接头，其高度为150mm。在外侧脚手架竖杆底部开螺栓孔，并在螺栓孔位置焊接螺母；钢管接头上开设螺栓可穿过的圆孔，开孔高度及孔径与外侧脚手架竖杆一致。当上部安装外侧脚手架竖杆时，可将竖杆直接套入预先焊接好的钢管接头，随后使用螺栓连接外侧脚手架竖杆上焊接的螺母，并穿过接头钢管上的圆孔，随着螺栓拧紧，外侧脚手架竖杆与接头钢管外壁紧密接触，如图6a所示。内侧脚手架套筒连接节点与外侧节点类似，将内侧竖向脚手架插入三角架竖杆上端的竖孔中，通过竖杆上端焊接的螺母将螺栓拧入，螺栓穿过内侧脚手架竖杆的圆孔，随着螺栓的拧紧，内侧脚手架竖杆外壁与三角架竖杆内壁紧密接触，如图6b所示。该节点连接形式特点是安全可靠、连接便捷、装配部件标准化。

4 轻钢模架与剪力墙连接系统

4.1 上部螺栓附墙节点

轻钢模架与剪力墙连接系统由上部螺栓连接附墙节点、下部螺栓连接附墙节点构成。上部螺栓连接附墙节点构造如图7所示，螺栓孔布置在三角架横杆下方100mm处，采用M24 S10.9级高强螺栓。钢管相应位置焊接内径26mm的圆钢管套筒，焊好后将焊接位置打磨平整，保证垫片与钢管壁以及钢管壁与墙体紧密连接。螺栓套筒圆钢管内径比螺栓杆公称直径大2mm，主要考虑施工装配误差。通过紧固上部螺栓连接附墙节点，将轻钢模架与剪力墙可靠连接在一起，有效地传递轻钢模架的荷载。

图7 上部螺栓附墙节点

4.2 下部螺栓附墙节点

下部螺栓连接附墙节点构造如图8所示，位于三角架斜杆底边以下50mm处，采用M24 S10.9级高强螺栓。

图8 下部螺栓附墙节点

此处与上部螺栓连接节点不同。钢管相应位置焊接内径29mm的圆钢管套筒，焊好后将焊接位置打磨平整，保证垫片与钢管壁以及钢管壁与墙体紧密连接。螺栓套筒圆钢管内径比螺栓杆公称直径大5mm，主要考虑施工装配误差以及上下螺栓连接装配过程中的易调节性。

5 悬挑轻钢模架施工平台体系装配流程

1)工厂预制悬挑轻钢模架结构三角架及脚手架。三角架与脚手架数量均按照2层墙体施工所需数量预制，以便施工过程中交替轮换作业。

2)预制剪力墙板运达施工现场后将其中一套悬挑轻钢模架支撑平台安装至结构1层剪力墙板上，将带有悬挑支撑平台的1层剪力墙板安装到结构基础上，1层预制剪力墙板无需使用悬挑支撑平台，由施工人员在地面进行装配即可，如图9a所示。

图9 施工装配流程

3)将另外一套悬挑轻钢模架支撑平台安装至住宅结构的2层剪力墙板上，1层装配式墙板、楼板安装完成后，将带有悬挑支撑平台的2层墙板吊装至相应位置，施工人员在1层墙体的悬挑支撑平台上进行2层墙板的装配施工，如图9b所示。

4)2层墙板施工完成后，拆除1层墙体上的悬挑支撑平台，并将其安装到3层墙板上，将带有悬挑支撑平台的3层墙板吊装到相应位置，施工人员在2层墙板的施工平台上安装3层墙板，如图9c所示。3层施工完成后将2层施工平台拆除安装到4层墙板上。

5)按以上步骤类推，每2层墙板为1个施工周期，顶层施工完成后，将施工平台拆除存放或投入另外工程使用。

6 技术特点

提出并研发的新型装配式悬挑轻钢模架施工平台体系，在传统下撑式悬挑施工平台基础上进行了优化与创新，主要技术特点如下。

1)轻钢模架支撑系统 结构设计合理，传力路径明确。相比传统下撑式悬挑施工平台，该悬挑轻钢模架施工平台体系，在受力系统截面形式、节点连接构造以及组合结构构件应用等方面实现了创新与发展。该体系采用方钢管作为受力杆件，相比传统施工平台中的工字钢或角钢杆件截面强度和稳定性得到提高，由于方形截面无强弱轴之分，所以杆件平面外以及平面内稳定性均能得到保障。对于长细比较大压弯杆件，创造性地提出了局部钢管混凝土构造，在不增加用钢量的基础上有效提升了构件稳定性、耐久性以及防火性能。

2)模架施工平台防护系统 采用脚手架框架体系，其抗侧刚度较高，可以有效避免防护结构外倾失稳。提出并研发了与轻钢模架支撑系统连接的脚手架套筒式新型构造节点，采用螺栓紧固的方式，形成兼具销栓作用和挤压顶紧作用的独特连接构造，传力明确，受力安全，装配便捷，显著提升了上部安全防护系统与下部轻钢模架支撑系统连接的可靠性。

3)轻钢模架与剪力墙连接系统 同时在三角架竖杆上布置上、下两个螺栓附墙节点，有效解决了受力系统的平面外转动问题。针对方钢管螺栓紧固时可能产生的局部屈曲，采取了钢套筒加强构造，轻钢模架与剪力墙连接传力明确、受力安全、装配便捷，显著提升了轻钢模架支撑系统与剪力墙连接的可靠性。

4)新型装配式悬挑轻钢模架施工平台体系装配化程度与工业化水平高，材料易得，成本较低；在实际工程中采用流水施工方式，占用施工场地少；该新型施工平台共制作2层，进行2层交替流水施工作业，具有操作灵活以及施工场地占用率低的优势。

7 结语

提出的新型装配式悬挑轻钢模架施工平台体系结构设计合理，节点构造简单可靠，较传统悬挑支撑脚手架施工平台，其承载能力与稳定性均有提高。该施工平台组装简便，装配化、工业化程度高，在保证施工质量的同时可以提高施工速度；该施工平台结构部件可循环利用、多次周转，显著降低用钢量，节约施工成本，在实际工程中取得了良好的应用效果。