超高层劲性结构及大型机械设备立体协同施工技术

马飞燕 刘 文

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

国内的超高层建筑常采用内筒外框结构，其外框常采用钢柱＋叠合板的形式，在主体施工阶段核心筒可采用自爬式钢平台的工艺，先施工内筒并领先外框架若干层。但也有不少的超高层建筑采用的外框架为劲性混凝土结构，其在主体施工阶段需使外框与内核心筒同时施工，无法像常见的超高层建筑采用大型钢平台的施工方法[1-4]。本文基于某超高层劲性结构建筑群项目，总结了其施工过程中内爬式塔吊、内爬式布料机、液压爬升式外防护体系等大型机械与高耸的预装劲性柱的立体协同作业原则及相互制约关系，为同类工程提供了参考经验。

1 超高层劲性结构工程概况

某超高层建筑群项目位于甘肃省兰州市，项目由3栋超200 m的超高层建筑、4栋商业及3层地下车库组成，总建筑面积33.7万 m2，为集办公、酒店、SOHO及商业为一体的大型城市综合体项目，工程建筑设计新颖、功能齐全。

其中较为典型的塔楼B，地上54层，结构高度249.8 m，建筑高度278 m，结构形式为内筒外框结构，外立面为钻石切销形，呈水晶簇状。主体施工阶段，在核心筒两对角处安装了2台STL720动臂式塔吊负责垂直运输，在核心筒中部安装1台HGY32内爬遥控式混凝土布料机。此外，为保证外倾斜式外立面的安全围护，采用了单元片式液压爬升防护屏。

本工程3栋塔楼结构形式均为型钢混凝土框架-核心筒结构，抗震等级为特一级，框架柱、框架梁以及剪力墙均存在混凝土内裹钢结构的劲性结构，且楼板为混凝土现浇楼板，不适合采用先行施工核心筒，待核心筒与外围结构存在高差后再施工外框架部分结构。为保证工程进度与劲性柱安装精度及焊接质量，考虑到塔吊工作高度，本项目采用劲性钢骨领先土建层1～2层吊装施工，土建结构层每层整体浇筑施工的方式。

2 超高层劲性结构建筑群项目大型机械设备立体协同难点

1）竖向设备与构件高度关系复杂。内爬式塔吊、内爬式布料机、单元片式爬升防护屏以及钢结构之间的高度关系复杂。内爬式塔吊独立高度为54 m，每20 m爬升1次。

2）竖向设备与构件提升节拍不一致。内爬式塔吊、布料机及防护屏均采用液压爬升，可能存在交叉作业现象，爬升之间互相影响（时间、空间），现场管控难度较大。

3）竖向设备间互相影响，盲区较多。内爬式塔吊及布料机吊装爬升用钢梁时，存在吊装盲区，爬升难度大，危险系数高；布料机存在作业盲区，浇筑面无法全面覆盖。

4）工期紧、工作量大、各设备间协调使用困难。超高层建筑高度高，大型构件多、分包专业多，单次吊装时间随着高度提升也随之增加，超高降效较为严重。

3 大型机械设备立体协同难点处理措施

3.1 高度关系

超高层建筑由于其建筑高度高，结构形式复杂，所需的大型施工机械种类也更加繁多。本项目高度最高的B塔楼配置了2台STL720动臂式塔吊，1台HGY32内爬式布料机，外围防护采用液压爬升式防护屏，由于塔楼钢结构需领先土建结构面2层施工，在同一时段，塔楼上部将有5个主要控制高度（塔吊、布料机、防护屏、钢结构、施工面），需要保证其各自正常作业，各机械之间的协同配合是一大难点。通过一段时间的实践论证，现将解决思路整理如下。

3.1.1 钢结构分节与塔吊高度关系

钢结构的最小吊装高度是塔吊需保证的最低作业高度，所以钢结构分节与塔吊顶升的高度关系至关重要。对于楼层层高一致的塔楼，塔吊顶升节点与钢结构分节相对固定，钢结构分节需考虑现场施工便利性以及塔吊吊重的影响，统一优化即可。本项目A、C塔楼每层楼层标高基本一致，除桁架层外，钢结构以2层结构层高度（10.2 m）为1节组合吊装；塔吊按楼层情况每3层或4层爬升1次（图1）。

图1 C塔楼塔吊爬升与钢结构高度关系

对于楼层标高不一致的塔楼，塔吊顶升流程和层高施工都需综合考虑，钢结构分节需考虑层高结构变化以及塔吊顶升流程等多种因素。本项目B塔楼集办公、酒店、loft公寓为一体，包含4.2、3.7、5.1 m等3个层高，钢柱分节也随层高变化调整，每节长度7～10 m不等，塔吊按楼层情况每4层或5层爬升1次（图2）。

图2 B塔楼塔吊爬升与钢结构高度关系

本项目A、C塔楼采用平臂式塔吊，在进行有效吊装高度计算时，考虑吊装作业操作空间，以吊钩处于最高点时的底端高度向下3 m作为塔吊工作的最大起吊高度，若钢柱高于此高度，塔吊需进行爬升才能正常进行吊装作业（图3）。

图3 平臂式塔吊吊钩作业高度示意

本项目B塔楼采用动臂式塔吊，影响吊装高度主要为动臂式塔吊回转平台高度，钢柱只要低于此高度即可正常进行吊装作业（图4）。

图4 动臂式塔吊作业高度示意

3.1.2 布料机、爬升式防护屏与塔吊及钢结构高度间的协同关系

本项目3栋塔楼均采用液压爬升式布料机进行上层结构的混凝土浇筑工作，布料机采用逐层顶升的方式，布料机工作高度需高于钢结构高度且低于塔吊高度，为保证塔吊及布料机正常工作，塔吊爬升与布料机爬升如在同一时间段，应先完成塔吊爬升工作，以保证布料机的工作空间。

本项目采用液压爬升式防护屏作为上部作业面防护，逐层爬升。在与塔吊及钢结构高度协同关系中，通常情况下，钢结构吊装会提前一层施工，即在已吊装钢结构上边一层土建施工时开始吊装，此种工况不需考虑爬架高度对钢结构吊装的影响。

特殊情况下，钢结构吊装会在已吊装钢结构楼层土建施工全部完成的情况下进行，此时爬架高度未爬升状态高于结构面层约1.2 m，对钢结构吊装无影响。但此时如进行爬架顶升施工，为避让爬架，钢结构吊装高度将比正常吊装高度高一个楼层高度（本项目为5.1 m），原有塔吊高度将可能无法满足该工况下的钢结构吊装作业，此种情况应先进行钢结构吊装，后进行爬架顶升施工，如图5所示。

图5 钢结构吊装先于爬架顶升施工现场

对于塔吊、布料机、爬架以及钢结构四者之间的协同关系可总结如下：钢结构吊装高度是四者高度关系中控制的重点；布料机高度需高出钢结构高度方可正常工作，塔吊应先于布料机进行爬升；爬架高度在不影响钢结构吊装的情况下，可按楼层进度爬升；塔吊爬升的优先级最高，其次是爬架和布料机。

3.2 工作盲区

3.2.1 塔吊工作盲区

本项目塔楼塔吊均布置于电梯井内，由于空间有限，预留塔吊井均处于塔吊吊装盲区内，塔吊钢梁无法自井道内翻转，遂采用自塔楼外部翻转的方式。通过在塔吊井内布置的电葫芦将钢梁拆卸下来转移至楼层板，再由塔吊自楼层板边自塔楼外侧吊至需要放置的楼层高度，再由板面转移至塔吊井筒内，采用电动葫芦吊装完成。

施工难点及解决方法：

因塔吊盲区影响，在钢梁翻转至吊装楼层后，还需要通过电动葫芦及额外人工，才可将钢梁放置于相应位置，由于塔吊钢梁最重可达5 t，现场施工难点较大。

在外部吊装安全管理方面，因自楼层板面起吊钢梁无法垂直起吊，吊装盲区大，作业风险高，在增加塔吊指挥的基础上还应保障操作人员的安全防护，全员佩戴安全带，并且通过滑轮改变拉绳受力方向，增加安全系数。

3.2.2 布料机工作盲区

本项目采用的液压爬升式布料机工作半径为32 m，在无遮挡的情况下可覆盖全部作业面，但因塔吊标准节遮挡，3栋塔楼布料机均存在一个扇形的浇筑盲区。此盲区范围内的塔吊浇筑可分为2部分。在低楼层阶段，采用地面汽车泵完成盲区范围内的浇筑工作；当楼层高度高于汽车泵的工作高度后，通过第2根泵管采用手动式布料机，完成浇筑工作。

3.3 超高降效

超高层建筑由于施工高度高，在施工时都会面临超高降效的问题，塔吊的选型就至关重要。解决思路主要有两点：一是吊得快，二是吊得多。

本项目A塔楼及C塔楼采用1台STT753式平臂塔吊，主要考虑以下2个方面：

1）A、C塔楼楼层面积较小，无法同时满足2台动臂式塔吊的工作空间，考虑平臂式塔吊吊运效率高于动臂式塔吊，遂决定采用1台平臂式塔吊，通过“吊得快”解决超高降效的问题。STT753塔吊的吊重已经可以满足上部结构的需求，在实用和经济角度双重考虑下，最终选择该型号。

2）本项目B塔楼由于楼层建筑面积大，可满足2台动臂式塔吊布置，遂采用2台动臂式的方案，通过“吊得多”来解决超高降效的问题。

总结来说，在超高层建筑中，动臂式塔吊具有更大的优点：在同样安装高度下，具有更高的吊装高度、更小的回转半径；由于采用“杆”式结构，相比水平塔机的梁结构稳定性更好，相同吊重下，动臂式塔吊的结构大小要小于平臂式，更加节约空间，对于多在狭小场地施工的超高层建筑来说，无疑为更优解。

4 结语

该超高层项目在主体施工阶段时，采用了大量的液压爬升机械与设备，且其施工作业面上有高耸的塔吊、布料机、劲性柱，外侧还有全包围的外立面防护设屏，这些设备之间的安装高度、爬升节点以及互相之间的协同工作尤其重要。本项目结构形式较为特殊，结构层高高且全部采用劲性柱加现浇楼板的形式，施工难度较大，可以作为同类建筑中的典型代表。

本文基于此项目，总结了各机械之间立体的协同关系以及钢结构与钢筋之间深化协同的难点，并依据现场实际施工经验，提出了解决思路，为同类型的工程提供了一定的参考。