超高层建筑施工垂直运输设备选型分析方法

周迎春，左 银，贾兴文

（1.重庆建工第二建设有限公司，重庆 400045；2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045）

0 引言

超高层建筑的高度是经济成长速度和发展规模的体现，随着经济的高速发展，我国超高层建筑的数量也快速增加。据世界高层建筑与都市人居学会（CTBUH）统计，截至2021年7月8日，在全球TOP 100高楼中，我国大陆有45座，占比45%，加上中国香港和中国台湾的摩天大楼，我国共有52座高度超过300m的摩天大楼进入了全球TOP 100高楼行列。

目前的全球超高层建筑TOP 100中，有14座是2000年之前建造完成。2001—2009年，是超高层建筑建设低潮期，全球只有9座摩天大楼建造完成。2010年起，全球摩天大楼建设开启飞速的模式，目前的全球超高层建筑TOP 100中有77座摩天大楼在此期间完成。2010年至今，我国的超高层建筑数量也快速增长，CTBUH发布《高层建筑年度回顾（2020）》报告显示，我国已经建成的150m以上的超高层建筑达到2581座，其中建筑高度200m以上的有861座，300m以上的99座，上述三项指标均跃居全球第一。

我国的诸多大城市中，重庆市的超高层建筑数量居于前列，尤其是超高层住宅（建筑高度大于100m）的数量极为惊人。随着重庆市经济的快速发展，加之建设用地紧张，超高层建筑的数量快速增加。重庆市是非常典型的山地城市，地形较为复杂，且城市用地极为紧张，因此，重庆市主城区近年来建造了大量的超高层住宅和超高层商业建筑。据统计，截至2020年重庆市的超高层住宅和超高层商业建筑的数量合计已经超过2200座。预计未来10年，重庆市规划建造的超高层建筑将超过100座。

超高层建筑施工周期长，施工技术复杂，建造成本高，尤其是超高层商业建筑。因此，除了施工安全、施工进度、施工技术风险，超高层建筑的施工成本也必须重点考虑。决定施工成本的因素主要包括人员技能、机械设备状况、材料供应、组织管理、施工方案、施工质量以及施工进度，其中机械设备的合理使用以及配置，尤其是施工垂直运输设备选型和配置对于加快施工进度和降低施工成本具有非常关键的作用。尽管重庆市内已经建造了大量的超高层建筑，但是关于超高层建筑施工电梯的选型和配置仍然缺乏定量的分析方法，因此，论文依托本公司承建的重庆农村商业银行大厦（建筑高度200m，以下简称本工程）等工程，总结了超高层建筑施工垂直运输设备选型的基本原则和定量分析方法，期望能够为超高层建筑施工垂直运输设备选型与施工方案编制提供参考。

1 施工垂直运输设备选型的基本原则

施工垂直运输设备的选型和配置主要受超高层建筑高度和体量决定，由于超高层建筑施工垂直运输设备的选型和配置缺乏定量的分析方法和相关的指导规范，施工单位选择施工电梯主要是依据工程经验，因此，进行垂直运输体系选型之前首先需要明确超高层建筑垂直运输设备选型与配置的基本原则。

施工垂直运输设备的选型必须遵循技术可行、经济合理的基本原则，首先必须保证技术可行。以塔式起重机选型为例，选型过程中应重点从起重幅度、起升高度、起重重量、起重力矩以及起重效率等方面进行分析和评价，以确保塔式起重机能够满足超高层建筑施工进度、效率和施工作业安全的要求[1-2]。而施工电梯通常采用临时施工电梯和正式电梯相结合的方式，施工前期主要是临时施工电梯，施工中后期主要采用正式电梯提前投入使用配合垂直运输施工，从而保证垂直运输的顺利转换。在技术可行的基础上，还需要进行经济性分析，兼顾考虑垂直运输设备投入与产出比，力争显著提高经济效益。

基于上述基本原则，在进行垂直运输设备选型时，需要综合考虑原材料（包括设备）吊运量和施工人员交通量与垂直运输设备能力的匹配，然后配置运输设备。对于超高层建筑，由于施工周期长，在保证施工安全和进度的前提条件下，必须进行施工成本的精细化测算，其中必须包括垂直运输设备的使用费用的精细化测算，才能有效控制施工成本。

2 施工垂直运输设备的选型和配置

对于超高层建筑，需要详细分析和计算各专业材料、设备垂直运输工程量，在此基础上，通过设备技术性能分析，实现垂直运输设备的定量分析与合理规划[3]。同时，在施工过程中制定合理的运输计划，进行统一协调调度，保证塔吊、施工电梯等垂直运输设备的有效搭配利用，确保工程整体协调同步作业以及垂直运输工作安全有序。

2.1 垂直运输工程量测算

超高层建筑体量巨大，不仅结构材料用量剧增，机电安装与装饰工程所需的材料耗用量也显著增大，此外，施工人员频繁上下的运输流量也相当大。超高层建筑运输行程长、运输量大、运输频次高、运输密集、组织工作繁重、安全防护等问题突出，垂直运输体系的工作效率极大影响了施工速度，甚至可以说：垂直运输体系就是确保超高层建筑施工顺利进行的生命线。因此，需要对原材料和设备等物料的吊装和运输量进行详细的测算，编制好垂直运输计划。

目前确定垂直运输设备常基于工程经验，但是工程经验法是近似方法，准确性较低。因此，在编制正式施工方案和进行施工组织设计时，应采用定量分析方法，以进度控制为目标，通过详细测算运输量和分析垂直运输设备的运输能力。来确定垂直运输设备的配置数量。

基于定量分析方法，根据建筑设计图、结构施工图和施工方案，测算出本工程的钢筋用量10851.09t，钢结构量1531.15t，石材幕墙、玻璃幕墙、铝蜂巢板幕墙合计2900t，上述设备采用塔式起重机运输。模板，钢管、机电设备，空调设备以及施工人员等采用施工电梯运输，而后期装修材料和施工人员由正式电梯运输。根据运输量测算，将施工各阶段预测的运输量按照工程分部和施工进度绘制成柱状图供施工技术人员参考。

2.2 大吨位设备吊装运力分析

除了常规的原材料垂直运输，超高层建筑还需要重点考虑大型设备的垂直运输和安装。超高层建筑的机电设备安装施工和普通建筑的最大差别在于大型设备的重量更大，数量更多，且吊装高度和安装难度更高。此外，大型设备吊装作业过程与其他专业的交叉和配合也需要做好计划。因此，超高层建筑的设备吊装作业在其施工过程中至关重要，同时也是吊装设备选型过程中需要重点考虑的因素。

以超高层建筑的空调机组吊装和安装为例，封闭型离心式冷水机组的重量轻则4～5t，重则超过10t，甚至接近20t，冷水机组的重量会对大型垂直运输设备的选择和布置提出更高要求。合理的选择吊装设备，并将大型设备安全的吊装就位，对于整个工程顺利实施、成本的控制，施工效率的提升有非常重要的影响。此外，超高层建筑的大型设备吊装安装过程中的安全风险也较大。因此，超高层建筑的大型设备安装施工前必须仔细的测算垂直运输设备的起吊能力是否满足大型设备吊装要求，同时选择合理的吊运方式，并做好安全预案。

本工程的水冷变频离心式冷水机组单机最大重量为8.0t（表1），且设备外形尺寸较大，塔吊起重能力校核时首先需要考虑单机重量最大的冷水机组的吊装运力要求，还需要考虑塔式起重机吊装半径的允许范围。塔吊吊装能力验算如下。

表1 冷水机组技术参数

Q＝k1×k2×G=1.1×1.1×8.0＝9.68t。

其中：k1——高空吊装考虑风载的影响，k1=1.1；k2——吊装的动载系数，k2=1.1。

根据测算结果可知，满足重量8t的冷水机组的吊装要求时，塔吊在吊装半径允许范围内的额定起重能力不应小于9.68t。

2.3 施工垂直运输设备技术指标

本工程的垂直及水平运输机械选择是设备选型的重点，关系到工程的整体进度、质量和施工安全，设备选择也直接影响到工程成本和效益，因此，设备选型分析是垂直运输设备配置的关键[4-5]。国内超高层建筑垂直运输通常采用塔式起重机和施工电梯组合的方式[6]。对于塔式起重机，主要考虑其额定起重力矩、最大起重量、最大工作幅度和独立起升高度等技术参数（表2）。对于施工电梯，主要考虑最大提升高度、提升速度、额定载重量和吊笼尺寸等技术参数（表3）

表2 塔吊技术参数

表3 施工电梯技术参数

2.4 施工垂直运输设备选型

垂直运输是超高层建筑施工的瓶颈，不仅要考虑吊装过程中的物料平衡以及大型设备和构件的吊装安装能力，还需要重点考虑高空作业的安全风险[7-8]。因此，选择吊装设备时，需要根据具体情况提出针对性的合理方案，才能实现吊装设备和吊装方案的合理选择，从而提高吊装效率，最大程度地降低材料、人工与机械费用，节约施工工期。

2.4.1 塔式起重机选用

根据前期测算，吊装冷水机组时，塔吊的最大吊装能力不应小于9.68t，综合考虑吊装半径和最大吊装重量，同时考虑吊装的安全性，根据表2中的塔吊技术参数，至少应选择一台最大起吊重量12t的QTZ250型塔式起重机。

此外，塔式起重机选型除了应综合考虑起重机布置、构件吊装工艺等要求，正确处理塔式起重机配置和现场作业量的关系，还需要考虑主要建筑物和附属建筑物吊装运力需求的差异。本工程主楼高度200.0m，附属裙楼建筑高度24.0m，因此，需要单独考虑附属裙楼的塔吊。根据运输量计算结果和表1，塔楼采用QTZ-125型及QTZ250型塔吊各1台，附属裙楼及车库部分采用QTZ63型塔吊1台。所选品种塔机具有造型新颖，外形美观，结构紧凑，组装高度低，安装、拆卸方便迅速，升降平稳，回转平稳，工作覆盖面大，塔机高度可根据需要增减。工程开工时采用2台塔吊（QTZ125型及QTZ250型）进行垂直运输（混凝土垂直运输除外），大型建筑构件和设备，包括钢构件、预制混凝土构件、钢筋、大型机电设备、幕墙构件以及组合式模板由塔式起重机运输。裙房施工开始后QTZ63型塔吊1台投入使用，后续共同使用塔吊和施工电梯。

2.4.2 施工电梯选用

根据表2和表3，由于建筑高度为200.0m，加上屋顶附属建筑构件，选择最大提升高度为250m的施工电梯，采用SCD200/200WPZ型的施工电梯2台。塔楼在结构施工至10层时安装2台SCD200/200WPZ型的施工电梯。中小型建筑材料和设备主要由施工电梯运输。主体结构封顶之后，正式电梯（货运电梯和消防电梯）也完成安装，装饰工程施工人员和原材料主要由正式电梯运输。

3 结语

超高层建筑施工垂直运输设备的选型必须遵循技术可行、经济合理的基本原则，首先必须保证技术可行，在此基础上进行经济性分析，同时兼顾垂直运输设备投入与产出比。在此基础上，通过详细测算工程量和垂直运输量，对施工阶段的垂直运输需求进行定量测算，可以为垂直运输设备选型提供定量的分析依据，不仅有助于合理选用塔式起重机和施工电梯的型号与数量，也有助于确定了塔式起重机、施工电梯和正式电梯的进场安装与拆除时间段。