超高层建筑垂直运输设备使用要点分析

闫滨

摘  要：国内某超高层建筑物的高度超过310 m，随着楼层的增加，人员、机具、施工材料的垂直运输成为一大难题。为探索有效的解决方案，研究过程广泛查阅文献资料，参考同类项目的施工方法，针对塔式起重机、施工电梯、混凝土输送泵、液压布料机4种关键设备，较为详细地分析设备选型方法及使用要点，重点内容包括塔式起重机吊次分析、配置数量计算、力学安全验算、系统显示精度检验，以及施工电梯的选型方法、附墙架受力计算、螺栓承载力验算等。

关键词：超高层建筑；垂直运输设备；使用要点；受力计算；施工方法

中图分类号：TU974      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）06-0172-04

Abstract： The height of a super high-rise building in China is more than 310 m. With the increase of floors， the vertical transportation of personnel， machinery and construction materials has become a major problem. In order to explore effective solutions， the research process extensively consults the literature and refers to the construction methods of similar projects， aiming at four key equipment： tower crane， construction elevator， concrete pump and hydraulic material distributor. the selection method and application points of the equipment are analyzed in detail. The key contents include tower crane hoisting analysis， configuration quantity calculation， mechanical safety check calculation， system display accuracy test and construction elevator selection method， force calculation of attached wall frame， checking calculation of bolt bearing capacity and so on.

Keywords： super high-rise building; vertical transportation equipment; key points of use; force calculation; construction method

在超高層建筑施工中，模板、混凝土、钢管脚手架、施工机具，以及人员的垂直运输具有较大的难度，要求施工方案兼顾安全性、运输效率、作业成本、设备装拆的便捷性等一系列影响因素。根据现有的施工技术水平，高压及超高压混凝土输送泵是实现混凝土材料垂直运输的必然选择，人员及小型物资运输依赖于施工电梯，其他施工材料主要通过塔吊提升至高楼层。因此要针对以上关键设备，强化工程应用方法探索，以便提高作业效率及安全性。

1  工程背景

某超高层建筑物采用双子塔设计方案，建筑高度超过310 m，地下部分为6层，地上部分为70层，其功能涵盖办公、酒店、餐饮、娱乐和停车服务，建筑结构体系为钢筋混凝土框架核心筒，结构平面为正方形，1层～12层平面的边长为58.22 m，13～66层平面的边长为52.10 m，剩余楼层平面边长为32.75 m。

2  超高层建筑垂直运输设备使用要点

对于超高层建筑施工，随着作业高度的逐渐增加，人、机、材运输成为一大难点。根据JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》，当建筑高度超过15层或40 m时，应设置施工电梯。在物料垂直运输方面，主要采用塔式起重机，混凝土材料垂直输送由专门的液压布料机和高压输送泵完成[1]。以下分析施工电梯、塔式起重机、液压布料机、高压输送泵4种设备的使用要点。

2.1  塔式起重机的使用要点分析

2.1.1  确定塔吊数量

由于该建筑物楼层过高，故分两个阶段进行施工，第一阶段为建筑基础至第38层，第二阶段为第39层至顶层。

1）第一阶段吊装需求分析。施工所需的材料包括钢筋、模板、脚手架钢管、扣件、木枋、脚手架顶托和钢梁等，根据各类施工材料的用量，计划吊装次数见表1，共计19 937次。针对材料的特点和吊装方式，可将其划分为3类，第一类是需要以吊装辅助焊接的构件（如方钢），占比为5%；第二类是要求准确定位的大型构件（如钢梁、卸料平台），占比为3%；剩余的施工材料统称为第三类，占比为92%，吊装3类材料所需的平均时间见表2。综合3类施工材料的占比及其平均吊装用时，可计算出第一阶段塔吊单次平均吊装用时，计算过程为43×5%+15×92%+34×3%=16.97≈17 min。

2）第二阶段吊装需求分析。按照同样的分析方法估算第39层至顶层的吊装需求，吊装次数为7 072次，3类构件的占比分别为3%、6%、91%，由于高度有所增加，吊装平均耗时也相应延长，分别达到49 min、40 min和21 min，因此，第二阶段塔吊单次吊装的平均耗时为49×3%+40×6%+21×91%=22.98≈23 min。

3）塔吊数量配置。塔吊的施工成本较高，必须进行精确计算，从而制定出最经济的配置方案，可根据式（1）计算塔吊的配置数量。

式中：Ni为作业期间的机械设备配置数量，Qi为作业期间的计划完成工作量，将塔吊的产量指标（8 h内平均可完成的吊装次数）记为qi，Ti为作业期内的计划工作天数，bi为工作班次，K表示不均衡系数（在1.1～1.4之间）[2]。根据实际情况，第一阶段需要配置的塔吊数量为19 937×1.4÷（28×669×1.3）=1.146，因此，至少需要配置2个。第二阶段的塔吊数量为7 072×1.3÷（21×355×1.3）=0.948 6，配置1个塔吊即可满足施工要求。

2.1.2  选型及布置方式

塔吊选型应考虑一系列因素，包括作业半径、安拆便捷性、起重能力、起升高度、地基承载能力和布置方式等[3]。例如，从布置方式来看，该项目第一阶段施工从地面开始，宜采用外附式塔吊。第二阶段施工从第38层开始，应采用内爬式塔吊。综合各类因素，选择Potain MCT370塔式起重机，其工作幅度在2.4～75 m之间，最大起升重量为4 t，足以满足该项目的施工要求。

2.1.3  安全管理要点

1）力学验算。塔吊属于特种设备，对安全性提出了很高的要求，在作业之前必须进行系统性的安全验算，包括地基承载力验算、抗倾覆稳定验算、风载荷计算、弯矩计算、起重力矩限制器试验等[4]。例如，塔吊的抗倾覆稳定验算方法为

e=Mk /（Fk+Gk）≤Bc/3，   （2）

式中：e为偏心距（地面反力的合力与基础中心的距离），Mk为作用在基础上的弯矩，Fk为作用在基础上的垂直载荷，Gk为混凝土基础的重力，Bc为基础底板的宽度。

2）安全监控管理系统精度试验。塔吊的幅度显示精度、起重显示精度、力矩显示精度是作业人员判断其运行状态是否安全的重要依据，根据相关技术规范，正式吊装之前应针对以上三项指标开展精度试验[5]。以起重显示精度为例，分别按照额定载荷的30%、60%、90%进行起升试验，读取起重显示值Q0.3、Q0.6、Q0.9，再按照以下表达式计算出起重精度。

式中：Q为3次起重的实际重量算数平均值，Q1为3次起重显示值的算数平均值，R实为3次起重塔吊实际幅度的算数平均值。

2.2  施工电梯的使用要点分析

2.2.1  施工电梯分类

施工电梯主要用于人员垂直运输，同时，可满足小型工具和安装材料的运输需求，通常按照驱动方式、提升方式、导轨架构造方式对其进行分类，表3为施工电梯分类结果。该项目物资运输需求较大，要求货运电梯的额定载重不低于2 t，同时，要配置数量足够的轻型电梯，满足人员快速垂直运输。

2.2.2  施工电梯选型

作为全球超高层建筑数量最多的国家，国内企业拥有丰富的超高层建筑施工经验，该项目在施工电梯选型中，广泛调研同类项目的设计和施工方案，获得了可靠的参考依据。例如，广州西塔（432 m）、武汉中心（438 m）、上海环球金融中心（492 m）、深圳平安金融中心（600 m）等项目均选用了国产“京龙”品牌的施工电梯，涉及型号为SC200/200 G、SCD300/300 V、SC270/270 G，说明该系列产品具有良好的可靠性，因此将货运电梯的型号选定为SC200/200 G，其基本性能参数见表4。

2.2.3  施工电梯附着方式

1）附墙架受力计算。附墙架是施工电梯的重要结构，为保证安全性，应计算附墙架对墙体的作用力，计算方法为F=L×6/（B×2.05），其中F为附墙架对墙体的拉压力，将标准节中心与附着面的距离记为L，附着点间距记为B。作业前应按照该计算方法确定作用力，并且评估墙体的承受能力。

2）连接螺栓的承载力验算。螺栓是附墙架各个组件的主要连接装置，其承载力决定了附墙架的安全性，螺栓承载力的计算方法为

式中：N为普通螺栓的承载力设计值，nv为螺栓的受剪面数目，d为螺杆直径，f是螺栓的抗剪强度设计值。承载力验算要求螺栓上承受的剪力Nv=F/2

3）附墙架施工要点。附墙架由附墙座、斜拉杆、支撑管、大横杆、小横杆、升降动力设备和导轨等组成。附墙座的连接方式分为3种，其一是与墙体上的预埋件连接，其二是通过穿墙螺栓进行固定，其三是与钢结构焊接在一起，该项目采用第一种连接固定方式，附墙架的间距控制在10 m以内。在结构施工过程中，应提前预埋附墙件的埋件。安装附墙架时对圆管和预埋件进行焊接，同时在导轨上安装2根方管，利用螺栓紧固到位，再将2根方管与附墙座连接在一起，所有螺栓紧固到位后，慢速启动升降机，确保吊笼及对重不会碰撞附墙架。

2.2.4  施工电梯安裝次序设计

结合该项目的实际情况，施工电梯分4次完成安装。当地下室顶板完成施工后，组织开展S1段施工电梯的安装工作，从地下室顶板延伸至第10层。S2段施工电梯从第10层顶部（标高为46.56 m）开始，安装至第25层（标高110.66 m）。S3段施工电梯从第25层顶部延伸至第46层（标高199.30 m），S4段施工电梯从第46层顶部延伸至顶层，各段电梯安装随楼层逐步推进。

2.3  混凝土高压输送泵及液压布料机的使用要点分析

2.3.1  混凝土输送泵使用要点分析

混凝土输送泵通过压力实现混凝土材料的水平或垂直输送，其垂直输送高度与压力呈正相关，根据压力大小，可将混凝土输送泵划分为低压（2.0～5.0 MPa）、中压（6.0～9.5 MPa）、高压（10.0～16.0 MPa）、超高压（22.0～28.5 MPa）4种类型。该项目地上部分为70层，随着高度的增加，对混凝土输送泵的压力提出了更高的要求，因此，需要根据施工楼层的高度合理配置输送泵。

1）输送泵选型。该项目中使用2种型号的混凝土输送泵，低于100 m的楼层采用HBT80.18.132SU型输送泵，高于100 m的楼层采用HBT90.40.572RS型输送泵，前者为高压泵，后者为超高压泵，各配置2台，2种混凝土输送泵的主要性能参数见表5。

2）泵管配置要求。超高压泵的最高压力可达到96.9 MPa，普通的泵管难以承受，因而要配置耐高压的泵管，同时要考虑管径、管壁厚度、接头形式、密封圈等因素的影响。例如，泵管压力与管径大小呈负相关，适当增加管径有利于降低泵管的压力，综合评估混凝土输送效率和泵管承受力，将输送管径设计为125 mm。再如，泵管壁厚与其承压能力密切相关，以200 m为分界，低于200 m部分采用9 mm厚高强耐磨输送管道，超过200 m部分采用12 mm厚管壁。

2.3.2  液压布料机使用要点分析

液压布料机用于将混凝土精准投送到待浇筑的部位，在设备选型时要综合考虑布料范围、换向控制方式，较大的布料范围有利于减少泵管的接拆次数。在换向控制中，可优先采用电控方式，降低施工人员的工作强度。布料时应均匀推进，避免混凝土料在个别部位堆料。该项目采用HGY33型液压布料机，其布料半径可达到33 m，能实现360°回转，具有良好的适应性。

3  结束语

面对超高层建筑物人员、物资运输难的问题，施工单位应根据运输需求，设计多元化的垂直运输方案。模板、脚手架、木枋等型材主要通过塔式起重机实现垂直运输，此类设备的使用要点为根据吊次需求合理配置数量、达到足够的作业半径、采取恰当的布置方式。人员运输依赖于施工电梯，其使用要点为选择适宜的运输速度和载重量、检验附墙座对墙体的作用力、评估连接螺栓的承载力。混凝土垂直运输由高压或超高压混凝土输送泵完成，在设备选型时要确保其输送高度、输送效率，同時配置耐压型泵管。

参考文献：

[1] 贾向辉.超高层建筑施工垂直运输体系的选择[J].建筑技术开发，2021，48（4）：79-81.

[2] 宋卫华.超高层建筑机电工程垂直运输与物料平衡管理[J].工程技术研究，2020，5（22）：140-141.

[3] 李兵，夏飞，李鑫奎，等.多场耦合环境下的垂直运输设备对超高层建筑建造安全的力学研究[J].建筑施工，2020，42（2）：267-269.

[4] 李重伟.关于超高层建筑施工垂直运输方案及管理研究[J].中国住宅设施，2019（5）：88-90.

[5] 姚飞.珠海十字门中央商务区超高层建筑施工垂直运输及管理措施[J].住宅与房地产，2017（27）：119-120.

[6] 李磊.谈超高层建筑施工中的难点及解决方案[J].山西建筑，2016，42（35）：100-101.