某改造工程复杂外立面外脚手架选型分析*

刘垒垒，孟令亚，张东阳，吴兵兵

(中建一局集团建设发展有限公司，北京 100102)

1 工程概况

本工程为酒店更新改造工程，原建筑始建于1987年，于1991年投入使用。由于目前外立面开裂变形严重、地面交通流线混杂、设备老化存在风险，因此，对酒店实施全面改造。

本工程占地面积14 036.05m2，建筑总面积69 671.58m2。其中地上18层，地下2层，标准层高2.95m，建筑总高度67.25m。改造前后工程效果对比如图1所示。

图1 改造前后工程效果对比

1.1 建筑造型特点

地上建筑平面整体呈“飞鸟”形，1～3层为裙房，结构形式为框架结构；4～16层为建筑主体部分，其中，中部区域建筑功能为客房，外立面为弧形曲面，结构形式为剪力墙结构，两翼为办公及公寓部分，建筑平面为矩形，结构形式为框架结构，两翼屋面分别在12，14层收进；17～18层突出屋面部分主要功能为总统套房与屋顶机房；改造后屋檐均设计有仿铜飞檐，出挑长度达2.1m。建筑总平面布置如图2所示。

图2 区域划分

1.2 外脚手架系统区域划分

根据现有建筑造型特点，兼顾各部位体量大小、结构形式及主要施工内容工艺要求，综合考虑外立面整体施工组织，将外脚手架系统划分为3个部分，如表1、图2所示。

表1 外脚手架系统划分

2 常用外脚手架方案

2.1 封闭操作层脚手架

封闭操作层脚手架仅对主体结构施工时的操作层进行封闭，封闭高度一般在4～6层，主要包括型钢悬挑脚手架、爬升式脚手架、整体提升操作平台等形式。

2.1.1型钢悬挑脚手架

型钢悬挑脚手架搭设在建筑物外边缘向外伸出的悬挑结构上(一般采用槽钢或工字钢)，脚手架荷载由悬挑结构传递给建筑物，如图3所示。此种形式将建筑物分成若干个高度段向上倒换搭设成部分封闭形式，但在本工程中，存在制约因素：①由于本工程改造过程外立面设计诸多工艺，如拆除、加固、保温、幕墙等，专业队伍交叉较多，施工位置零散，难以集中组织；②顶部屋檐出挑长度2.1m，架体悬挑超过3m，大面积使用安全风险大；③由于改造工程一般不设置塔式起重机，常规挑架工字钢梁长度约5m，大量钢梁仅靠施工电梯实现垂直运输存在较大困难；④本工程中部客房区域原结构存在混凝土窗下墙，采用挑架开洞、修补，工作量加大。

图3 型钢悬挑脚手架

综合分析，型钢悬挑脚手架不适用本工程大面积作业，但对于局部施工，如施工电梯顶部后施工区域挑檐安装等，仍可作为补充方案选用。

2.1.2爬升脚手架

爬升脚手架在每个提升点(机位)处设置了足够强度和刚度的竖向主框架,在架体底部设置承力桁架,以承受和传递竖向和水平荷载，确保架体整体性。其工作原理是在建筑结构四周分布爬升机构，附着装置安装于结构构件上，架体利用导轮组通过导轨攀附安装于附着装置外侧，提升葫芦通过提升挂座固定安装于导轨上,提升钢丝绳穿过提升滑轮组件连在提升葫芦挂钩上并预紧，可实现架体依靠导轮组沿导轨的上下相对运动,从而实现导轨式爬架升降运动。爬升脚手架工作原理如图4所示。爬升脚手架较传统外脚手架节省材料，避免高空作业，工效较高，但在本工程中，存在制约因素：①爬升脚手架生根于主体结构，全部荷载通过埋件由主体结构承担，通常改造工程结构年限较久，且表面存在一定碳化，大量埋件后植于原结构(一般架体搭设阶段结构未进行加固)，易对原结构产生不良影响；②附墙部件较多，影响原结构加固施工；③外立面改造施工内容较多且难以集中，而爬升脚手架上升、下降操作复杂，工效较低，经常上升、下降也增加了安全风险；④两翼部分屋面在12，14层退台，采用爬升脚手架在此处需2次改造。经以上分析，爬升脚手架在结构规整、施工组织集中时可发挥最大优势，但在本工程中应用，其弊端凸显，优势难以发挥。

图4 爬升脚手架工作原理

2.1.3整体提升操作平台

整体提升操作平台是一种靠齿轮、齿条传动的升降机械，有着非常可靠的电气和机械安全系统、独立防坠系统，可随建筑物升高而自行升高，平台可根据需要而加长或缩短。移动时只需拆除立柱和附墙连接件，通过底部滑轮方便更换作业地点。整体提升操作平台可节省大量架体材料，一次安装，任意升降，避免高空搭拆作业；利用爬升系统可实现自身升降，无需塔式起重机。在本工程中，整体提升操作平台自身升降依靠结构外搭设立柱，而立柱与主体结构仅靠少量附墙连接件连接，大大减小了对原结构及加固施工的影响；平台设有伸缩式外挑脚手板，操作平台与结构间距可调节，满足中部客房弧形立面的施工需求，同时，该平台可自由升降，能较好地应对本工程外立面施工零散的特点。整体提升操作平台组成如图5所示。

图5 整体提升操作平台组成

2.2 全封闭式脚手架

全封闭式脚手架是将建筑物外立面满搭形成全封闭式，形成全封闭施工，安全性好，但材料用量大、占用时间长且费工费时。

2.2.1全封闭式脚手架

钢管落地脚手架因受立杆承载力限制，搭设高度多控制在50m以下，超过50m时底部钢管应采用双立杆，并采取分段卸荷措施，以增加架体承载力。本工程架体高度约60m，若采用全封闭式钢管落地脚手架，底部40m高度范围内立杆应采用双钢管，由于外脚手架系统需满足屋顶挑檐安装，而钢管脚手架不适合外挑，若在本项目应用钢管脚手架应采三排脚手架。本工程为改造工程，施工场地狭小，原有建筑物紧邻内部道路，采用三排脚手架将占据运输道路空间，对运输组织造成不利影响。

近年来，随着新型脚手架推广，盘扣式脚手架因安全可靠、稳定性好、承载力大(φ48×3.25钢管，材质为Q345B低碳合金结构钢)，零部件安装便捷、可适应变化复杂的截面，而且盘扣式脚手架顶部可外伸悬挑，可满足屋顶挑檐安装施工需要，且不占用底部道路空间，由于其立杆自身承载力较高，单立杆双排架即可满足承载力要求，适用于本工程外脚手架体系。

2.2.2全封闭式悬挑脚手架

全封闭式悬挑脚手架是落地脚手架和悬挑脚手架相结合的一种脚手架形式，其架体底部一般在25m内采用落地脚手架，上部采用型钢悬挑脚手架，每个悬挑段架体高度一般在15～25m，构造如图6所示。全封闭式悬挑脚手架主要解决落地脚手架承载力受限的问题。但在本项目中，架体高度约60m，对增加落地脚手架承载力构造措施的投入，要远小于改用悬挑架增加钢梁的投入，并且由前述分析，悬挑架并不适用于本改造工程。

图6 全封闭式悬挑脚手架

3 效益分析

3.1 适用性分析

根据本工程建筑结构造型特点、施工内容及施工组织需要，结合各类常见外脚手架体系特点，对各类外脚手架体系在本工程中的适用性进行分析，如表2所示。

表2 适用性分析

3.2 技术分析

根据各类外脚手架系统在本工程中的适用情况，对三排脚手架、盘扣式脚手架和整体提升操作平台进行技术特点比对分析，如表3所示。

表3 技术分析

3.3 经济分析

3.3.1模型建立

对外脚手架系统方案经济性进行对比分析，建立分析模型。该模型在系统中应具有代表性，并能满足本工程外立面所有关键施工内容的工艺需求。因此，选取位于工程北侧，～轴区域立面进行分析，该区域宽25m，檐口高度57.6m，包含原立面拆除、结构加固，新增保温、幕墙龙骨、石材幕墙、铝板幕墙、玻璃及外挑飞檐安装等施工内容。该区域体量适中，包含全部外立面关键施工内容，具备代表性。因此，针对盘扣式脚手架、三排脚手架和整体提升操作平台在该区域分别建立分析模型。模型基本参数如表4所示。

表4 经济分析模型关键参数

3.3.2造价对比

针对3个分析模型进行造价分析，将3个模型工程量分别进行统计，材料、人工及机械费用均取当时当地市场的平均价格；架体考虑租赁，使用时间为1年；计算工程量时只考虑净量，不计算材料损耗。各模型工程量及费用构成如表5～7所示。

表5 模型1(盘扣式脚手架)工程量及费用构成

3.3.3分析结果

在3个模型对比中，盘扣式脚手架造价最低，整体提升操作平台次之，三排脚手架造价最高。进一步分析，各模型费用占比分析如图7所示。由图7可知，盘扣式脚手架材料使用适中，人工消耗适中，费用最低。因此，在本工程两翼部位优先考虑使用盘扣式脚手脚。

图7 费用占比分析

表6 模型2(三排脚手架)工程量及费用构成

表7 模型3(整体提升操作平台)工程量及费用构成

4 结语

改造工程外脚手架系统区别于新建工程，改造建筑物及周围环境为既有条件，为外脚手架设计与选型带来诸多制约，并且改造工程往往涉及外立面拆除与结构加固、新围护结构施工等内容，此时外脚手架系统需要满足多项分部工程的施工使用需求。与新建工程外脚手架施工过程不同，改造工程外脚手架系统一次搭设完成，材料、机械及劳动组织更为密集，投入量更大。总之，改造工程外脚手架系统的选型对施工总体的组织、安全与成本具有较大影响，是影响一个改造项目能否顺利实施的关键因素。