武汉长江中心轻量化集成平台设计*

李健强，杨 勋，王 帅，滕洪园，沈仁菊

(中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430064)

1 空中造楼机应用背景

1.1 超高层禁令

近年来，超高层建筑在国内大规模兴建，超高层塔楼核心筒施工中的问题越来越受到建设单位的关注，具有高效、安全等特性的“空中造楼机”也备受热衷，从最开始的焊接低位顶模、模块化低位顶模、贝雷架装配式低位顶模，再到微凸支点顶模集成平台，无一不是施工行业中的焦点。2020年4月住房和城乡建设部出台的《关于进一步加强城市与建筑风貌管理的通知》中提到：“严格限制各地盲目规划建设超高层‘摩天楼’，一般不得新建500m以上建筑”“严格限制新建250m以上建筑”，明文“禁限超高层”。2021年7月国家发展改革委发文严格执行《住房和城乡建设部、国家发展改革委关于进一步加强城市与建筑风貌管理的通知》，再次明确“严格限制新建250m以上建筑”“不得新建500m以上超高层建筑”。超高层建筑“空中造楼机”迎来新的挑战。

1.2 空中造楼机瑕瑜互见

空中造楼机虽优势明显，但缺点也与之并存。首先，降本增效是施工过程中关注的重点，空中造楼机集成模块多、体量大，导致其成本高，适当进行“瘦身减重”可达到降低成本的目的，进而推动超高层施工装备集成平台的推广使用。其次，部分工序操作难度较高，如斜墙施工难度大、墙体预埋复杂、顶升过程操作繁琐等；降低施工难度、提升操作便捷性不仅可提高现场施工效率，还能提升施工质量，保障施工过程安全。最后，现行空中造楼机标准化程度低，可周转率低，通用性亟待提高，因此继续提高构件标准化可进一步降低成本，实现减少污染、节能减排、持续绿色发展。

2 轻量化集成平台创新点

为解决成本过高、操作难度较大、通用性差等问题，同时为提高集成平台智能化程度、改善施工环境，在现有集成平台技术的基础上，从以下方面对轻量化集成平台进行创新设计。

1)支点轻量化 本智能化集成平台较前几代空中造楼机总重缩减50%以上，全新支点顶升力设计值较之前缩减1/2。采用点式勾爪，不仅单支座体形小、自重轻(仅重570kg)，且能提高支座周转效率。增设顶升导向及多级防坠装置，安全性更可靠，确保平台在突发异常情况下的绝对安全。同时，区别于传统低位顶模大行程、重型油缸，项目采用中等行程、中型油缸(体形小)，为后期因结构变化进行拆改周转使用提供更大的安全保障。

2)构件通用化 标准化高抗剪型贝雷片自重轻，周转使用率高，对挂架进行通用化设计，根据现场尺寸模数进行组合拼装，适用性强、封闭性好，可确保施工作业的安全。钢平台设计为标准尺寸，相互之间采用螺栓连接，可轻松拆卸，便于后续周转。

3)操作便捷化 将模板、吊挂平台集成化，为核心筒施工提供更宽敞的作业空间，提高平台内交通组织效率，并为后期斜墙施工及核心筒结构变化提供更安全的作业基础，大大降低斜墙施工难度，提高安全保障。

4)控制智能化 增加顶升过程可视化系统、油缸智能化控制系统，对顶升立柱实现实时监控、实时压力传导等功能；控制系统增加一键顶升，操作简便，有效提高顶升效率。

5)空间舒适化 双层平台设计增大空间利用率，外墙和内筒挂架确保钢筋绑扎、模板支设操作空间宽敞、安全，全封闭环境和喷淋系统可应对恶劣天气，提高施工环境舒适性。

3 工程概况

武汉长江中心位于武汉市武昌区，塔楼地上80层，地下4层，总建筑面积21.9万m2，建筑高度380m，标准层高4.4，4.5m，避难层高5m，结构体系为密柱框架-核心筒结构。钢结构形式为由48根外框柱、钢梁组成的钢框架及56根核心筒钢骨柱组成的劲性结构。外框柱混凝土强度等级为C60，核心筒剪力墙混凝土强度等级为C50～C60，墙柱混凝土强度等级为C60。为满足垂直运输需求，在核心筒内布置ZSL750型，ZSL1250型2台起重机和1部SC200/200施工电梯。塔楼核心筒典型平面布置如图1所示。

图1 塔楼核心筒典型平面布置

4 重难点分析

1)核心筒内塔式起重机、电梯占用空间大；核心筒面积随高度上升逐渐从860m2缩减到640m2，其内部剪力墙将核心筒分为9个筒体，其中2个筒体内布置塔式起重机，1个筒体内布置双笼电梯，致使内部空间狭小，严重影响集成平台支点和内墙挂架的布置。

2)核心筒内、外墙体收缩大，随结构高度的上升，外墙厚由1 500mm变为400mm，内墙厚由400mm变为300mm，同时还伴随北侧墙体内收1.7m，南侧墙体内收2.25m，增加了集成平台的设计难度。

3)核心筒钢骨柱数量多，排布密集；核心筒内钢骨起始于L1层，其中L1，L11层有56根钢骨柱，L2～L10，L12～L17层有55根钢骨柱，L18～L19层减少为17根钢骨柱，L20～L23层减少为2根，L24～L28层减少为1根。

5 轻量化集成平台设计

武汉长江中心一期工程轻量化支点智能顶模集成平台由支撑与顶升系统、钢平台系统、挂架系统、模板系统及附属设施等组成(见图2)。集成平台平面约为35m×30m，立面高23m，覆盖3.5个结构层(包括钢筋绑扎层、混凝土浇筑层、混凝土养护层)施工。平台共设置12个轻型支点，每个支点由可周转附墙支座、油缸支架、液压油缸、上立柱等组成。支点支撑在墙体一侧的附墙支座上，平台荷载通过上立柱、油缸支撑架及顶升油缸传递至附墙支座，最后传至结构墙体。顶部平台一体化集成包括控制室、布料机等设施(焊接设备、施工机具、材料堆场、消防系统、移动厕所)。核心筒施工期间，采用1台ZSL1250型及1台ZSL750型内爬塔式起重机作为垂直运输设备，同时核心筒内部布置1台双笼SC200/200电梯作为上人电梯，施工人员通过该电梯可直接进入顶模顶部钢平台。

图2 轻量化集成平台立面

5.1 支撑与顶升系统

武汉长江中心项目塔楼核心筒被内墙分为9个筒体，根据内墙变动方向大致选择支点布置位置，然后采用MIDAS Gen对顶模平台进行有限元分析及设计验算，以确定具体支点数量及位置。模型建立时，钢框架系统、格构柱式支撑立柱、支撑架、液压油缸及吊挂托盘系统由梁单元组成；挂架、模板、布料机及附属设置等系统则采用荷载形式施加在钢框架系统中。

计算工况包括施工、顶升及停工3种工况。荷载类型包括恒荷载和活荷载，恒荷载即结构自重，包括支撑系统、油缸、立柱、钢平台自重(考虑节点附加重量，自重系数取1.2)；活荷载包括平台堆载、挂架施工荷载、平台施工荷载和风荷载。通过计算，最终确定12个支点满足集成平台3种工况的荷载，支点平面布置如图3所示。

图3 轻量化支点平面布置

为解决轻量化问题，支点方面，本设计采用最新点式勾爪形式替代凸点形式，极大地减轻了支点结构自重和支点对结构的影响；立柱方面，采用分布分幅设计，利用小油缸和立柱上短间距承力棒有序布置，实现短进程循环顶升。

支点布置选择上，优先选择墙面不变化的部位，避免空中支点转化问题。对于无法避开墙面变化的地方，采用加厚支点的形式，通过垫高支点来弥补墙面内收。对于部分强度不够的墙体进行加固，增加配筋，提升墙体承载力。

考虑到顶升立柱过长难以周转，将顶升立柱分为顶部托梁、支撑立柱接长节、导轨立柱、附墙支座、液压油缸及爬升框等部位，各部位通过法兰盘及插销连接。

顶升立柱高约20m，设计顶升力1 500kN，设计回收力500kN，附托在墙面挂爪上，最大行程1.6m。为保证支撑系统与墙体连接的可靠性和安全性，对支撑系统进行限侧导向功能和防坠功能设计。在附墙支座上设置限侧导向轮，在立柱上设置T形导轨槽，现场安装时导向轮套在T形槽内，确保顶升过程中立柱不发生较大位移；支撑系统的防坠功能主要通过在支撑立柱上布置承力棒实现，顶升过程中若出现异常，可在1个步距内将架体落位，进行检修。

液压顶升系统按整体控制、单独运行的原则，采用12只顶升主液压缸单独控制12根顶升立柱。电气系统采用12组负责主顶升缸的液压站，由PLC控制中心及各类压力传感器、位移编码器等组成一个完善的智能化控制系统。主顶升缸主要参数为：油缸最大顶升力1 500kN，顶升速度150mm/min，液压系统额定工作压力21MPa，油缸内径280mm，活塞杆直径200mm，顶升有效行程1 600mm。

5.2 钢平台系统

以往造楼机平台为整体焊接而成，周转率低，新型造楼机对平台节点进行优化。平台系统由标准化构件拼接形成，贝雷片选用市面上常见的200型标准贝雷片、200型非标准片(长 1 542mm)， 同时设计适应贝雷片结构形式的节点连接件和标准化上、下铺板。

布置贝雷片时，将主桁架与次桁架通过十字连接件、一字连接件及柱头等连接成一个整体平台，平台上铺设花纹钢板。钢平台骨架结构由4道贝雷片并列连接成1个单元(称为1榀贝雷架)，顶升立柱上方布置柱头连接件，柱头连接件间通过各榀贝雷架采用销轴进行连接。根据顶模系统支点位置，钢平台系统由东西向4根主梁、南北向2根主梁组成整个钢平台框架体系；其余位置根据钢平台走道板及挂架布置在主梁间安装次梁，次梁由单根贝雷片通过连接件与主梁连接。由于核心筒结构设有劲性柱，布置主梁时，其平面位置应尽量避免与劲性结构冲突，不能避让的位置，通过调整劲性钢柱分段解决。布置次梁时，要根据上、下铺板进行适当增减，确保铺板悬挑距离不会过长。

钢平台顶部主要作为核心筒施工的材料堆场及施工平台使用，施工过程中根据不同结构承载力将平台划分为重载区、轻载区及非载区，贝雷架内部可布设顶升控制室、液压泵站、临水临电设施和工具存放处，平台底部作为挂架及模板挂设的承力吊点。

上铺板使用3mm厚花纹钢板冷弯制成，设计时考虑可周转性，本项目采用500～3 500mm长度标准尺寸，宽度均设计为250mm。铺板铺设在贝雷片上弦处，通过螺栓进行连接。布置上铺板时，墙体上方需为钢骨柱留出空间，同时方便支模浇筑。吊装口位置不设铺板，以便材料垂直运输。为满足更多设施的布置，在贝雷片下弦铺设下铺板。顶升控制室、液压泵站、临水临电等放置在下铺板上，为钢平台上方堆场预留出足够空间，以便放置更多材料进行缓冲，有效提升空间利用率。钢平台系统上、下平台功能布置如图4,5所示。

图4 上平台功能布置

5.3 挂架系统

挂架系统由工字钢梁、挂架吊点、立杆、横杆、走道板和翻板组成，主要为施工过程提供作业面，同时作为人员上下通道。挂架系统不作为顶模结构的主承力体系。挂架覆盖3.5个施工层，从上至下分别为钢筋绑扎层、混凝土浇筑层、混凝土养护层。每个分层跨度4.4m，对应塔楼标准层高。本工程整个挂架系统共7层，层高为2.2m，分为外挂架及内筒挂架。挂架立杆通过滑动连接件、固定连接件与上方轨道梁相连，内、外侧立杆间通过螺栓连接挂架横杆和走道板。考虑到墙体外部尺寸变化较大，外部挂架采用可滑动连接件进行连接，当墙体内收时挂架可沿墙体收缩方向滑动，缩短挂架与墙体间的距离，提升施工便捷性和安全性；内挂架大部分采用固定连接件进行连接，增强施工时挂架的稳定性。滑动连接件与固定连接件连接在轨道梁上，轨道梁再采用4种形式的吊点夹具与上方贝雷架连接，形成一个整体。考虑到操作面较小，采用600～800mm活动翻板以拓展操作面空间，同时翻板也起到防止物品坠落的作用，保障施工安全。

5.4 模板系统及附属设施

模板系统包括滑梁、电动葫芦、钢丝绳、铝模板、背楞、对拉螺栓等构件。滑梁布置在贝雷架下弦，电动葫芦布置在滑梁上，可在滑梁上前后移动，铝模板通过钢丝绳整体吊挂在电动葫芦上；脱模时，控制电动葫芦收缩，快速将模板整体与墙面脱离；顶升时，铝模板可随钢平台整体提升而上升，节省人力、时间。

塔楼结构施工主要采用铝合金模板，分整体吊挂随顶模同步顶升、现场拼装随结构施工往上周转2种形式。楼层层高主要有4.4，4.5，5m 3种，4.4m为普遍层高，5m仅为避难层层高，考虑到铝模板配置应适应楼层高度，外挂铝模板统一按4.6m高度标准进行配置。模板标准墙板宽400mm，为减小螺栓间距，本项目主要使用300mm宽模板。墙板与楼面采用C槽销钉连接，墙板通过背楞和对拉螺栓进行加固，对拉螺栓水平间距最大为600mm，竖直方向距离为250～600mm。本工程内墙面设置7道背楞，外墙面设置8道背楞。

集成平台附属设施包括顶升控制室、布料机、焊机房、喷淋消防系统、临电、移动厕所等。顶升控制室位于集成平台中部上、下铺板间，确保与各顶升立柱距离最小，室内放置液压控制台和顶模集成平台实时监测系统；2台19m臂长布料机分别放置在东北、西南侧，确保对核心筒结构浇筑实现全覆盖；喷淋消防系统既能满足防火要求，又能应对高温天气；临电设施包括挂架灯带、顶升立柱灯带及其他用电设施电缆线。

6 结语

轻量化集成平台从支点轻量化、构件通用化、操作便捷化、控制智能化、空间舒适化5个方面对以往空中造楼机进行优化，成本方面做减法，智能化方面做加法，提高经济性、通用性、可周转性，使其更加适应国家和建筑行业发展方向。同时，轻量化集成平台也可为施工行业中更多的智能装备提供平台，在此基础上孕育出新智能化辅助作业设施，如智能移动式布料机、搬运机器人、智能测量机器人等，提升工地智慧化程度，为建筑工业化添砖加瓦。