1 模块化设计

　　国内超高层模架体系结构各异，但都可以适应核心筒结构施工。以华西轻量化模块式钢平台系统为研究对象，该系统结构的模块化率已经达到99%以上。通过分析该套系统在南宁华润中心、深圳前海冠泽金融中心、银川丝路明珠塔3个超高层项目的成功应用，证明了模架体系的模块化在应对不同核心筒结构施工时的高适应性及高周转率。如图1所示，3个项目的核心筒结构形式从矩形变为圆形，但并不影响模架布置。根据项目施工需求，针对每个独立的施工区域，设置独立的模架模块，使整个核心筒施工既相互独立，又是一个有机的整体，系统局部若出现故障也不会影响整体，提高了模架体系的容错率，如图2所示。模块化的体系设计使得相同的模架系统能够应用于不同的结构施工中，减少了定制化设计，降低了设计资源的需求。

　　图1 模块化应用  

　　以国内的重型钢平台系统为研究对象，其结构形式也同样体现了模块化的设计思路，但系统的整体性设计布局制约了其只能是模架体系组成构件的模块化。项目中的模架体系完全是一个庞然大物，在应对结构变化、流水施工、故障容错、问题纠偏等方面的解决措施和应急预案就显得捉襟见肘。虽然在不同项目，面对不同的结构形式也具有一定的适应性，但过多的定制化设计却降低了该系统的模块化程度，使其欠缺了灵活性、适应性及可复制性。

　　图2 模块化平台及立面  

　　1.1 模数设计

　　模架体系模块化是基于架体各部分模数化实现的，例如典型的架体核心部分即支撑平台的模数化设计，如图3所示。在综合各项目的应用情况后，将支撑平台的模数确定在一个合理的尺寸，该平台平面几何形状为正方形，可以在360°全方位旋转定位安装，仅需一次设计，重复应用，大大减少了重复设计的资源投入。同样，其他次要模架体系的模数化设计，在平面中以x轴或y轴为参考基准，以确定模数尺寸的统一化。最后和核心平台进行有效组合，形成能够适应不同结构的模块单元。

　　图3 支撑平台模块化设计 

　　从平面到立面、局部到整体的模数化设计，最终实现了模架体系的模块化，在应对不同的结构形式时，都能够完全适配，给出最优的施工解决方案，如图4所示。

　　图4 次平台模块化设计  

　　1.2 标准化设计

　　多个工程的应用及研究结果证明，模块化的设计方向是很有必要的。在此基础上，作为组成轻型模架体系最基础的构件单元，如图5所示，实现其标准化设计成为整个设计的基本思路。通过项目的应用研究分析，根据构件的使用场景，结合施工安装、物流运输、仓储管理，对构件进行综合性的合理设计及优化，能大幅提高其使用周转率，降低了物流运输成本，加快了施工安装效率，可以取得非常好的综合效益。

　　图5 标准化构件  

　　2 轻量化设计

　　围绕绿色施工理念，超高层模架体系的轻量化是节约生产制造成本的重要途径。轻量化的设计不但节约了资源，也给模架体系赋予了多项优势。同样以国内重型钢平台研究做对比分析，以成都绿地468项目为例，核心筒面积1 000m²，模架系统总用钢量投入约1 700t;以深圳前海冠泽金融中心项目为例，核心筒面积900m²，模架系统总用钢量投入约600t。以上数据直接反映出，在同样的施工工程量情况下，轻量化的模架体系完全可以满足核心筒的施工需求。

　　经研究分析，轻量化构件的加工下料、组焊等制造工艺更加容易，人工可操作性高，无需投入大型加工、起重设备，且小型智能机械化程度提高，能够更好实现工业化、产业化发展。用钢量的大幅减少也直接降低了钢材投入，既节约了自然资源，也大大降低了生产、运输、安装等资源的投入。

　　2.1 型材选择

　　在轻量化设计中，常常选择规格相同、截面尺寸适中、大批量铸造生产的通用型材。如图6所示，单个施工区域的模架模块施工平台均采用国标Q235材质[10，在进行深化设计时将槽钢各项力学性能的利用率控制在一个安全的区间内，得益于这种轻量、标准化的设计，在原材的采购、加工制造、储存、运输等过程的实施中大大减少了管理成本并加快了模架体系的成品时间，能够更加安全高效地为施工项目提供高质量的服务。

　　图6 型材组合  

　　同时在一些承力关键构件的型材选择时，仍然遵循上述原则，如图7所示，其中的中型截面型钢在设计时均按照国标型材考虑，避免了过程中出现采购难、组装焊接等多余程序。综合以上设计思路，整个模架系统在保证施工的前提下，整体用钢量控制在经济范围内，中小型材的使用也使得系统在施工时，大幅减少了人力、物流、起重等资源的投入。

　　图7 超高层模架结构 

　　2.2 钢平台结构设计

　　为了达到整个超高层模架体系的轻量化设计标准，在结构设计时需要综合考虑施工需求、结构安全、安装高效等多方因素。如图7所示，重型钢平台(见图7a)的结构形式和轻型模块钢平台(见图7b)的结构形式存在差异，经施工调研和研究分析，发现两种结构体系在使用工况一致的情况下，模块式轻量化的设计系统空间更加宽阔、施工通行更加畅通、系统平台有效利用率更高。轻质的模块单元，在系统运行过程中容错率更高、故障率低，更加容易适应施工现场的恶劣环境，故障排除也更加快捷。模块化的独立支撑结构，在系统保持整体协同性的同时，将单点故障风险控制在小范围内，避免了因局部故障导致整体瘫痪的风险。轻巧的模块结构缩小了对整体的影响，有了更加多元的优化空间，在安全性优化方面尤为突出。另外，在新材料的应用和智能化监测等方面，更新换代的投入更少，能够在较短的周期内实现升级换代，使其在应用中更加先进可靠。

　　3 设计优化

　　超高层施工工序繁多，模架系统的施工与其他工序的配合往往会遇到各种不足，因此在每个项目的实施过程中收集可优化应用点，提高系统的适应性、舒适性，为施工现场提供更加先进、人性化、高效、安全的工程装备技术。

　　3.1 适应施工的优化设计

　　模架系统主要服务于核心筒施工的钢筋绑扎、混凝土浇筑、平台堆载、模板作业等工作。在应用研究中发现，各区段相对独立的模块单元设计，使得钢筋的绑扎变得简单可操作。模数化的平台高度，应用竖向调节构件将系统提供的作业面始终保持在最合理的位置，使得高空施工现场能够模拟出地面作业的场景。

　　混凝土浇筑及振捣也能够直接在作业面完成，作业平台的不同功能区划分，也为施工提供了更加宽敞舒适的空间，提高了施工质量。

　　模架系统结构的优化提供了更大的模板操作空间，材料的有效堆放面积也更高。

　　3.2 便于仓储运输的优化设计

　　模数化、标准化、小中型材的设计，为整套模架系统杆件的仓储物流提供了最大的便利。相同规格的构件能够占用最小的空间，在仓储过程中也能达到更高的机械化程度，加快了进出货物的反应时间。针对不同的物流运输形式，调研了货车、集装箱等运输载体的空间尺寸，将构件的设计与其进行有效结合，优化规格大小，最大化利用合适的物流方式，避免空间的浪费。定向的优化设计，通过在几个不同地域的项目实施中收集了大量基础数据，对比优化前和优化后，可节约空间资源约30%，节约资金成本约20%。

　　4 结语

　　从超高层模架系统的模架型材选择、构件标准化、结构模数化、系统轻量化四个方面，对比分析行业内不同模架体系，结合生产制造、现场施工、安全风险控制、物流运输等，进行分析对比总结，为轻量型模块式模架系统的深度研发、升级提供了宝贵的经验和技术思路。