目前国内300m以上的超高层建筑, 基本被行业内几大龙头企业承建。400m以上的建筑, 使用爬模系统解决核心筒结构施工已力不从心, 重型钢平台模架系统成为龙头企业的核心技术与核心竞争力, 是必选的施工装备。

从20世纪90年代重型钢平台系统研发使用至今, 已先后在上海环球金融中心、广州东塔、武汉绿地中心、北京中国尊、上海中心等多个项目中成功应用, 全国400m以上的建筑, 90%以上均采用重型钢平台修建。以中国建筑重型钢平台系统为例, 经过多年的运用、创新、改进, 已达到将动臂塔式起重机搁置在旋转平台上, 同步提升, 并可旋转, 是名震内外的“大国神器”, 如图1所示。

超高层模架系统的共同点是集操作平台、模板系统、脚手架、布料机等器具于一身, 通过自身液压动力实现顶升, 最大程度地提高生产效率、防护安全性, 将塔式起重机解放出来, 确保整个项目工期最短、综合费用最低。重型整体钢平台系统主要特点如下。

1) 为大跨度重型桁架结构, 系统自重大, 竖向空间高, 结构复杂。

2) 顶升机位少, 顶升位置低, 架体重心高。

3) 对依附的主体结构强度要求较高。

4) 锚固系统、液压系统、防倾系统制造、安装、操作复杂。

重型钢平台系统存在以下不足。

1) 系统自重大, 构造复杂, 安拆时间长, 造价高。

2) 竖向高度大, 材料堆放层与操作层距离过大, 施工效率低。

3) 系统内部操作空间狭小, 人员操作、通行不便。

4) 系统适应结构尺寸变化能力低, 拆改工作量大。

国内超高层建筑尤其是300m及以上的超高层建筑, 采用最具代表性的模架体系有爬模体系和整体钢平台 (重型顶模) 体系。2种模架体系尽管能有效解决超高层施工作业平台和安全防护2项重要问题, 但均存在不足。爬模体系最大缺点为平台有效承载力不足, 无法满足布料机安装和施工材料堆码等要求。重型顶模体系缺点是平台自重过大, 重心过高, 安装准备周期长, 安装过程费时费力, 有效作业空间不足, 重复利用效果差, 综合经济效益相比爬模系统并无突出优势。

最为突出的问题为: (1) 重型顶模体系施工过程中需传递材料, 导致施工工效低; (2) 整体钢平台体系面对核心筒截面突变、斜墙等复杂设计情况时, 需对体系进行重新安拆, 处理难度大、风险高。

针对常用的超高层模架体系施工特点, 为较好解决常用整体钢平台体系在超高层施工中存在的不足, 设计新的模架系统时, 提出以下主要预期目标, 并进一步研究深化。

1) 解决钢板等材料的周转问题。

2) 核心筒截面发生变化时, 顶模体系能灵活应对, 拆改方法要方便、快速、灵活, 适应性要强。

3) 顶模承载力要满足工程需要。

4) 优化顶模系统构造, 降低质量, 减少成本。

5) 优化顶模系统空间布局, 便于人员操作和通行。

6) 确保系统安全可靠。

根据顶模系统须满足的要求, 充分结合核心筒或束筒结构自身特点, 提出以下设计思路。

1) 整套顶模系统按外爬内顶的思路进行设计。即核心筒周围 (外墙) 模板采用成熟的爬模体系;核心筒筒内 (内墙) 模板按筒体个数 (宫格数) 采用并列设置又相互独立的模块化顶模体系。

2) 爬模体系和顶模体系间形成用于钢结构安装、钢筋加工及混凝土浇筑的作业空间。核心筒每个宫格对应的顶模体系和爬模体系间能够实现同步运动或独立运动。

3) 采用模块化刚性悬挂大模板, 同步提升, 误差可调, 可根据施工现场实际需要拆合模板, 工效高。

4) 采用多机位承载, 减小锚固系统构件质量, 大多构件单人可抬动, 单人可操作, 提高锚固系统安装效率和通用率。

5) 系统平台层数需考虑钢构件安装层、钢筋绑扎、混凝土浇筑、材料堆放、合模、混凝土修补与系统本身工艺操作需要。

1) 有效堆放的面积和荷载不低于重型平台。

2) 采用多机位承载, 降低系统自重和造价。

3) 采用模块化设计, 提高系统的适应性、通用性。

4) 实现模块式预拼装与吊拆, 施工现场装配式拼装。

5) 系统顶升操作简单易行。

6) 优化系统锚固预埋方式, 简单可靠。

7) 采用工具式模板系统, 提高合模工效。

8) 优化系统空间布局, 便于人员操作及通行。

9) 在保证安全、质量可靠, 经济合理的前提下, 做到技术先进、构造简单、改装容易、装拆方便。

华西超高层模架系统由大平台结构系统、模板系统、防护系统、锚固支撑系统、液压控制系统5大部分组成。

由型钢组成的承载框架具有较高的强度、刚度和空间稳定性, 能承受材料、设备、模板荷载及所有施工活荷载。承重框架如图2所示。

采用整体工具式钢 (木) 模板, 组合、拆分方便, 模板随平台同步提升, 缩短合模时间, 提高生产效率, 如图3所示。顶升大平台模板体系设计为大模板体系, 所有模板均用滚轮悬挂在+1层平台梁和吊架梁上进行退模和合模, 退模距离为200～600mm。模板类型可选用定制模数式大钢模、定制模数式铝模板或标准钢框模板。模板选择原则如下。

1) 模板便于安装、拆卸及保证混凝土浇筑质量, 须保证周转使用次数及转运方便。

2) 满足核心筒沿竖向截面不断变化的要求。

3) 模板需便于安装、拆卸及清理。

4) 对拉螺杆位置需考虑墙体变截面时大面不受影响, 并考虑避开剪力墙内埋件及劲性柱, 以保证穿墙螺杆正常使用。

防护系统是悬挂、依附于结构的各操作平台, 作为钢筋、模板、钢构件等工种的操作层, 各工作面全封闭, 确保高空操作安全。防护系统主要作用是为结构施工提供工作面, 不堆载材料, 悬挂各层间设置爬梯通行。防护系统的设计原则如下。

1) 防护系统与顶部大平台配套使用, 兼顾大平台布置的需求。

2) 悬挂平台作为安全通道, 钢筋绑扎、模板拆除清理操作层及安全防护层。

3) 防护系统设计达到装配式、标准化、工具化的要求。

核心筒外侧液压自爬体系配置钢筋、混凝土、模板、液压操作及维修共5层工作平台, 平台间采用固定扶梯相连, 在同一平面上连成贯穿通道。核心筒内侧顶模大平台模架体系配置材料堆载平台、混凝土浇筑平台、模板操作平台、液压操作平台、维修平台及施工电梯对接平台共6层工作平台, 其中顶部有由大型钢组成的格栅网架, 具有较高的强度、刚度和空间稳定性, 能承受材料、设备、悬挂围护装置、模板荷载及所有施工活荷载。液压自爬体系与顶模大平台模架体系在+2层平台、+1层平台及0层平台在同一平面贯通, 为施工提供更大的空间和便利性。外侧架体可安装穿孔钢板网及钢格栅等外侧防护形成全封闭的工作空间。

由支撑钢柱、上下支撑架、上下锚固装置组成, 如图4所示。正常使用状态下, 上构架支撑作为大平台承重构件, 大平台所有荷载主要由格栅钢架通过立柱传递至上构架, 再由上构架传递至核心筒混凝土墙上。大平台顶升过程中, 下构架支撑作为大平台的承重构件, 油缸顶升顶部平台格栅钢架带动上构架支撑平台及模板系统整体顶升。

由油路系统、液压柜、操作系统组成, 如图5所示。顶模大平台模架体系的顶升依靠液压系统实现, 液压动力系统由液压动力柜、千斤顶及连接油管等组成, 一台液压动力柜能为多达14个液压千斤顶提供充足动力。千斤顶设计内置同步系统、爆管自锁系统等, 以充分保证大平台安全、可靠及稳定。

全周期建造流程包括量身定制方案、深化设计、物流组织、系统拼装、系统安装、系统使用、系统拆除、系统总结改进8个建造环节。

每个建造环节都要求规范、精细。专业化的管理和技术团队是模架系统顺利实施的基本条件。

包括地面拼装组合、构件吊安装、液压系统安装、二装完善、调试使用5大流程。模架系统施工流程如图6所示, 模架系统典型立面如图7所示。

华西超高层框架系统在南宁华润中心、深圳前海冠泽金融中心等项目使用过程中, 展现出施工进度快、系统质量小、劳务工耗低等9个突出优点。

1) 施工进度快 正常资源配置进度节奏3～4 d/层, 在混凝土强度满足要求的前提下, 可实现2d/层的施工节奏。

2) 系统质量小, 承载力高 轻量的系统自重 (600～800t) , 结构混凝土强度达C10即可满足锚固受力要求, 与稳健的锚固系统配合, 使整个系统在满足10kN/m²施工荷载的同时, 让自身和依附的结构都更加安全。

3) 分项施工效率高, 劳务工耗低 型钢柱、钢板剪力墙、钢筋绑扎、混凝土浇筑实现了无错层施工, 一步吊装到位, 混凝土浇筑简单便捷无需串筒。采用工具式、半刚性模板悬吊系统, 合模工耗大幅度降低。以南宁华润中心东写字楼项目为例, 8h即可完成整个核心筒的合模工作。

4) 操作环境安全舒适 宽敞的操作空间设置, 无论是钢筋绑扎、混凝土浇筑、养护、预埋件安装, 还是管线布置、人员疏散、材料堆放、机器具安置, 都能提供舒适的空间和足够承载力。

5) 安拆改造时间短 可进行模块式预拼装与模块式吊拆, 施工现场装配式拼装, 大幅缩短系统安拆时间, 系统安装时间占用关键线路时间≤30d。

6) 操作简单、安全可靠 在无碰撞情况下, 2h即可顶升就位。采用新型自锁油路系统, 满足系统顶升的行程差控制, 在系统出现意外情况时, 能够快速反应, 反应距离仅在5mm以内, 安全性有保证。通过油路压力表的同步显示, 使施工操作人员更直观地掌控整个系统的工作状态, 使顶升工作更安全可靠。

7) 性能稳定, 使用费用低 关键部件进口, 故障率极低, 使用过程中除改造需要更换、增加构件外, 无额外的材料费用。

8) 系统通用率高, 绿色环保 模块单元及构件标准化设计, 使用周转率达80%以上。

9) 系统截面收分适应性强 灵活的模块式单元布置, 可适应各种核心筒结构平面尺寸变化;可单模块顶升, 也可多模块顶升, 满足用户流水施工作业需求。

华西超高层模架体系现场施工如图8所示。

目前, 超高层模块化模架系统已成功应用于南宁华润中心、领地环球中心、中海城南一号等项目, 通过对已完成项目和在建项目的比较, 其优势明显, 以某项目重型钢平台系统与华西超高层模架系统为例进行对比, 如表1所示。

由表1及现场施工过程可知, 新型超高层模块化模架系统与传统重型平台相比, 具有以下突出优点。

1) 用钢量减少2/3, 承载力更高, 平台重心降低。

2) 模块单元及构件标准化设计, 系统适应性更强, 通用率更高, 使用周转率达80%以上。

3) 可整体顶升也可单元组合多模块顶升, 适应结构平面及立面尺寸变化。内顶外爬, 独立性好, 适应性强, 拆改容易, 安全可靠。

4) 操作简单、性能稳定、时间短, 所需人力少, 标准构件故障率低。在保证4d/层的情况下, 有望创造超高层领域的最快速度。

5) 工期短、进度快, 综合效益好, 整体安装占用关键线路时间≤30d, 按100层计算, 与传统模架系统比较, 可提前工期100d左右。

6) 系统使用费用低。在使用过程中除改造需要更换、增加构件外, 无额外的材料费用。

7) 操作环境安全、舒适, 施工高效、便捷。实现无错层施工, 劳务工耗低, 测量定位效率高。

华西超高层轻型模块化综合模架体系采用轻型化、模块化设计, 现场装配式安装的思路。结合自动液压大平台顶升技术与爬模自动顶升技术并采用整体工具式钢 (木) 模板, 大大提高超高层结构核心筒施工效率。该系统为国内首创, 是超高层建筑核心筒施工装备技术的重大创新和突破, 可解决100m以上任意高度超高层结构核心筒模架技术问题。