0 引言

　　塔式起重机作为建筑施工中最为重要的垂直运输设备，其选型与布置会对工程进度、安全、成本等产生显著影响^[1]。在总结工程常用塔式起重机的类型及优缺点基础上，对影响塔式起重机选型与布置的因素进行分析。

　　1 塔式起重机类型

　　常用的塔式起重机主要有平臂式、动臂式和平头式3种。平臂式塔式起重机在施工中应用最为广泛，市场资源丰富;动臂式塔式起重机是超高层建筑施工中常用类型，其起重臂起伏角为17°～83°，大大拓宽了设备的能力和工作范围;平头式塔式起重机工作原理与平臂式塔式起重机相同，其特点是大臂与平衡臂连成一体，取消了塔帽和拉杆。3种塔式起重机优缺点及适用范围如表1所示。

　　2 影响塔式起重机选型和布置因素分析

　　根据以往工程经验，提取建筑形式、施工部署、吊运量与吊频、场地条件、基础形式与附着条件、最大吊重、市场供求及地方政策7个影响因素，分析其对塔式起重机选型与布置过程中各步骤的影响。

　　2.1 建筑形式

　　建筑形式在很大程度上决定了塔式起重机的种类、选型范围及大致布置区域。对于高耸型建筑，建筑高度是确定塔式起重机型号的关键因素。300m以上超高层建筑一般均选用外挂或内爬式动臂式塔式起重机;300m以下建筑，动臂式塔式起重机的经济性不及平臂和平头式塔式起重机。对于扁平型建筑，应重点考虑塔式起重机的覆盖范围，该类工程一般选用臂长较长的平臂和平头式塔式起重机。若邻塔的塔臂因高差较小而相互干涉，可考虑平臂和平头式2种配合应用。对于尺寸较大的悬挑结构，立面局部突出、立面非均匀变化的结构，布置塔式起重机时均要对上述部位重点考虑。地上和地下结构平面变化较大的工程，应使塔式起重机布置兼顾地下和地上结构施工，避免施工过程中改变塔式起重机位置，造成工期延误和成本增加。

　　表1 3种塔式起重机优缺点及适用范围 

　　表1 3种塔式起重机优缺点及适用范围

　　2.2 施工部署

　　工程的施工部署是塔式起重机选型与布置的重要宏观因素。塔式起重机布置应同时考虑现场施工段的划分，以有效避免因各施工段间塔式起重机的协调不当造成塔式起重机效率降低。另外，在工程实施过程中，甲方可能对项目各部位或各单体的交付时间提出不同要求，布置方案须考虑施工过程中各部分施工顺序。

　　2.3 吊运量与吊频

　　2.3.1 吊运量

　　依据工程设计图纸及施工经验，可估算该工程全过程各类物料的总吊运量。总吊运量是影响塔式起重机数量的关键因素，根据式(1)进行计算^[2]:

　　式中:N为塔式起重机台数(台);T为工期(d);m为每天工作吊次;K为时间利用系数，取0.8～0.9;Q_i为各类物料的总吊运量(件或t);P_i为塔式起重机相应的每次吊运量(件/吊次或t/吊次)。

　　根据式(1)求出的塔式起重机数量应向上取整，该数值仅作为塔式起重机数量的参考值，m,K根据以往工程经验得出，随工程的具体实施情况及管理水平取值不同。

　　2.3.2 吊频

　　塔式起重机布置方案初步确定后，可根据“就近原则”对单台塔式起重机吊装任务进行划分，得到吊运量。在满足工期要求的条件下定义单台塔式起重机每天所需吊装次数为塔式起重机吊频，根据式(2)计算:

　　式中:ψ为塔式起重机吊频(次/d);T_i为某台塔式起重机的使用时间(从安装到拆除，d);q_i为某台塔式起重机的总吊运量。

　　吊频是反映塔式起重机工作能力的参数，而塔式起重机的工作能力又往往与其成本成正比。吊频可作为塔式起重机型号确定的主要参考，高吊频的位置应布置工作能力较强的塔式起重机，必要时应考虑增加塔式起重机的数量;低吊频位置可匹配工作能力相对较弱的塔式起重机。根据吊频合理匹配方可得到经济、合理的塔式起重机布置方案。

　　2.4 场地条件

　　工程施工现场的场地条件对塔式起重机的选型与布置有决定性影响。主要考虑塔式起重机与道路、主要材料堆场的位置关系及塔式起重机安拆作业。

　　2.4.1 道路

　　道路是施工现场物料水平运输的核心通道，因此须考虑道路与塔式起重机的位置关系。一方面应能满足进场物料的卸车要求，另一方面应兼顾大型钢构件或机电设备进场后，可由塔式起重机直接从货车吊装至建筑相应位置，实现水平运输与垂直运输的无缝衔接。对于场地狭小、场地内临时道路不能满足大型货车通行的，还应考虑塔式起重机与市政道路的位置关系，满足物料可由市政道路的辅路卸车的条件;同时，应使塔式起重机的覆盖范围避开市政道路主路，避免吊装作业对交通干扰或产生安全隐患。

　　2.4.2 主要材料堆场

　　塔式起重机与场地内主要材料堆场的位置关系会直接影响物料在场地内的倒运次数。理想的塔式起重机布置方案其覆盖范围应包含在施建筑和主要材料堆放场地^[3]。受场地条件和成本制约，塔式起重机与主要材料堆场很难做到“一对一”。若多台塔式起重机覆盖范围内只有1套材料堆场，应对塔式起重机位置进行微调，在保证起重机大臂与邻塔塔身互不干涉前提下，多台塔式起重机覆盖范围公共区域包含主要材料的堆场，最大限度地避免因物料倒运造成吊次增加，提高塔式起重机工作效率。

　　2.4.3 安拆作业

　　塔式起重机布置初步方案确定后，须对照平面图，对起重机安拆作业进行预演。采用地面起重设备时，考虑是否留有起重设备作业空间、塔式起重机大臂朝向、各部件拆除后有无相应堆放场地、运输各部件的货车停放场地等;采用多塔互拆方式时，应考虑各塔式起重机的间距及最大吊重能否满足要求。对于拆除后部件需暂时堆放在结构某部位再进行转运的，还应验算结构的承载力能否满足要求。

　　2.5 基础形式与附着条件

　　塔式起重机的基础形式主要有固定式、轨道式、外挂式、内爬式4种，工程中应根据实际情况选用^[4]。对于固定式和轨道式基础，施工现场有无合适的塔式起重机基础布置场地、基础施工成本、基础对工程主体结构施工的干扰等，均可能是制约塔式起重机选型与布置的关键因素。对于外挂式和内爬式塔式起重机，均要求结构具有立面平整、刚度大、承载力强的抗侧力构件，如框筒结构的核心筒或大截面的剪力墙;同时，外挂式和内爬式塔式起重机应尽量布置在结构楼板的开洞处，避免塔身穿过大量楼板，造成后期拆塔及拆塔后楼板施工难的问题。另外，固定式基础的塔式起重机最大自由高度一般为55m，该高度仍不能满足工程施工要求的，须在塔身增设若干道侧向支撑，支撑臂须附着于结构剪力墙或大截面框架柱处。因此，结构有无合适的附着条件是塔式起重机精确定位的关键因素。选择合适的附着位置，还应尽量避免因附着而对结构进行额外加固造成工程成本的增加，同时应考虑附着臂对后续施工的干扰。

　　2.6 最大吊重

　　塔式起重机的最大起重量随其工作幅度的增加逐渐减小，典型的塔式起重机工作幅度与最大吊重关系曲线如图1所示。

　　随着建筑向着更高、结构形式更复杂的方向发展，异形柱、巨型柱、刚性整体节点、装配式结构等相继出现，吊装单元的质量大大增加，对塔式起重机的起重能力提出了更高要求^[5]。因此，在塔式起重机选型与布置过程中，不仅要满足塔式起重机的大臂能覆盖拟建建筑，还要能满足较重构件的吊装要求。在布置塔式起重机前，明确拟建建筑中较重构件的位置、高度及数量;布置完成后，要对照吊重曲线，对较重的构件进行吊重校核，确保塔式起重机能满足较重构件的吊装要求。

　　图1 塔式起重机工作幅度与最大吊重关系曲线  

　　对于较重构件拟就位高度较低、数量不多、分布较分散的建筑，可考虑采用地面汽车式起重机、履带式起重机与塔式起重机配合的综合吊装方案;另外，还可对大型钢构件进行深化、对大型机电设备进行拆分。通过上述方法，可变相减少建筑的最大吊重，使塔式起重机选型的范围更广，有利于降低塔式起重机的运行成本。

　　2.7 市场供求及地方政策

　　在塔式起重机选型与布置前，要先对工程所在地区塔式起重机租赁市场情况进行详细调研。各地区塔式起重机市场供求不同，其塔式起重机型号及租赁、后期运维的成本可能有较大差别。同时，还应对该地区与塔式起重机相关的政策及法规进行详细了解，政府政策导向及相关规定不同，也可能对塔式起重机的管理和运行造成较大影响。因此，事先了解本地区现有塔式起重机的型号及成本，才能在塔式起重机选型和布置的过程中规避潜在风险，对塔式起重机布置方案的顺利实施具有重要意义。

　　3 案例分析

　　3.1 工程概况

　　某工程位于北京市通州区运河核心区，总建筑面积23.5万m²，为商业、办公一体的超高层城市综合体。塔楼地上45层，地下3层，结构高度200.6m，塔冠高度239m，塔尖顶部高度259m;裙房地上5层(含屋面附属结构6层)，地下3层，结构高度35.6m。塔楼采用圆钢管混凝土柱-钢框架梁-钢筋混凝土核心筒结构体系(外框内筒)，裙房采用框架-剪力墙体系。裙房及塔楼核心筒采用现浇钢筋混凝土楼板，塔楼外框采用钢筋桁架楼承板。

　　3.2 塔式起重机布置方案分析

　　1)该项目塔楼为高耸型超高层建筑，高度<300m，动臂和平臂式均能满足要求，对二者经济性进行分析。裙房为扁平型建筑，宜采用平臂式或平头式，重点应考虑塔式起重机的覆盖范围。

　　2)根据结构后浇带位置，将项目的东、西两侧分为A,B区。其中，B区分为9个施工段(B1～B9),A区分为2个施工段(A1～A2);施工后期，塔楼的东、西两侧分为2个施工段。塔式起重机布置过程中，应尽量保证单个施工段在某台塔式起重机的覆盖范围内。

　　3)对该项目施工过程中的总吊运量进行统计，依据式(1)，求得塔楼区域需2台塔式起重机，裙房区域需3台塔式起重机。

　　4)施工场地极为狭窄，沿场地西、南、北三边设置1条U形临时道路，临时道路无法形成环线，东侧物料需借助东侧市政道路辅路。A2及B5,B6段拟作为主要材料的加工及堆放场地，因此该区域应选用起吊能力较强的塔式起重机。塔楼东侧的市政道路辅路拟作为主要的钢构件卸车位置，该位置塔式起重机不仅要能满足场内塔楼的施工，还应能满足钢构件的场外卸车。

　　5)裙房为常规的多层建筑，应选用固定式基础;塔楼除固定式外也可考虑使用外挂式或内爬式，但因建筑高度未超过300m，在固定式基础适用的情况下，后两者基础费用较高，且爬升过程对工期影响较大，因此，宜选用固定式基础。在考虑塔式起重机的精确位置及附着部位时，应仔细对照结构施工图，避免塔式起重机与结构相互干扰。

　　6)该项目较重构件均集中在塔楼位置，且塔楼四周均有，最大吊重为14t。因此，塔楼位置须布置起重能力较大的塔式起重机，并对照吊重曲线进行校核。

　　7)经充分调研，北京地区塔式起重机供应充分，主要塔式起重机型号均有租赁商;北京地区的相关政策及法规对拟选用的塔式起重机无限制。

　　依据上述步骤，可初步得到塔式起重机的选型与布置结果，对不满足要求的地方进行调整，经过数次迭代，即可得到较为理想的塔式起重机选型布置方案。

　　3.3 塔式起重机布置方案

　　该项目塔式起重机布置方案为:现场共布置5台塔式起重机，其中塔楼区域布置2台，裙房区域3台，具体的塔式起重机型号如表2所示，布置位置如图2所示。

　　表2 塔式起重机型号 

　　表2 塔式起重机型号

　　图2 塔式起重机布置 

　　4 结语

　　塔式起重机选型与布置的根本宗旨是以最小成本在既定工期内完成建筑施工中的物料垂直运输任务。本文对建筑施工中常用塔式起重机的种类及优缺点进行了总结，并分别分析了影响塔式起重机选型与布置的因素，得出如下结论。

　　1)建筑形式决定了塔式起重机的种类、选型的范围及布置的大致区域。

　　2)项目的施工部署，如施工段的划分、交付节点要求等也是重要的考虑因素。

　　3)吊运量是确定塔式起重机数量的主要依据;各区域的吊频是反映塔式起重机作业繁忙程度的重要指标，宜选用与吊频相匹配的塔式起重机型号。

　　4)施工场地内的道路、主要材料的堆场、塔式起重机安拆作业的条件是否满足均对塔式起重机的选型与布置有决定性影响。

　　5)基础形式和附着条件是塔式起重机精确定位的主要考虑因素。

　　6)最大吊重及较重构件的位置也是影响塔式起重机型号的重要指标。

　　7)市场供求及地方政策的调研是塔式起重机布置前的必要步骤。