超高层建筑的结构体系一般为核心筒混凝土结构+外框钢结构, 施工时大多数为核心筒剪力墙采用顶模系统先行施工, 水平结构楼板落后20~30层施工, 由于竖向结构与水平结构落差太大而造成测量标高引测困难、人员疏散困难、高空恐惧、消防安全不满足要求等一系列问题。保证核心筒水平与竖向同步施工是解决这一系列问题的关键所在, 这对顶模系统的设计提出了更高要求, 本文结合南宁华润中心东写字楼项目采用的新型顶模系统, 阐述如何实现核心筒水平和竖向同步施工。

南宁华润中心东写字楼项目位于南宁市青秀区东盟商务区核心区域, 用地面积约7 154m², 总建筑面积约27.7万m², 建筑高度约为403m, 其中地下3层, 地上86层。塔楼核心筒变化多, 总体分为3个阶段:1~49F为1段, 核心筒为“九宫格”;50~73F为1段, 核心筒向北收缩至“六宫格”;74~90F为1段, 核心筒继续向北收缩至“三宫格” (见图1) 。内筒水平结构, 主要是南北、东西走向的过道楼板, 其他的基本为电梯井、风箱井道、管道井等洞口 (见图2) 。

针对核心筒水平与竖向同步和不同步施工的优缺点进行对比分析, 如表1所示。

根据上述对比分析, 采用顶模系统进行同步施工存在很多困难: (1) 对顶模设计提出更高要求, 顶模如何设计才能满足同步施工的要求; (2) 竖向剪力墙和水平楼板如何同步协调施工, 才能互不影响, 互不制约; (3) 混凝土如何引到楼板、材料如何往下运输和传送、钢筋如何预留或者锚固、采用何种模板体系等一系列问题。

超高层核心筒水平与竖向同步施工过程困难很多, 一套经济实用、技术成熟的新型顶模系统才能让同步施工得以实施。针对困难, 结合项目情况, 采取应对措施如下。

1) 通过采用外爬内顶的模架体系, 即核心筒周围和小筒采用爬模系统, 大筒采用顶模系统, 各筒之间互相独立, 机位多点分布。

2) 创造性地采用“L”形施工工艺流程, 即本层剪力墙和本层大部分楼板同时浇筑, 顶升装置部位的小部分楼板滞后1层浇筑, 解决由于楼板施工而造成的平台和模板爬升问题。

3) 全钢大模板与顶模同步顶升。剪力墙的侧壁封模采用大钢模板, 重复使用, 连梁洞口采用传统木模板封模, 大钢模板通过高强螺栓挂在顶模系统上, 同步爬升。水平楼板采用传统的木模板或者铝模板, 通过串筒把混凝土从布料机引到水平楼板。

结合核心筒剪力墙的布置和收缩情况, 整个顶模系统按照内顶外爬思路进行设计:各大筒采用顶模系统, 且互相独立, 每个筒布置4~6个千斤顶;小筒及外侧剪力墙采用爬模系统, 按照后期拆改进行分块布置, 每块爬模布置2~3个锚固装置。

整套全新顶模平台体系是以预埋直径90mm爬升锥为受力点, 固定上、下构架支撑作为主塔顶升支撑平台, 采用低吨位油缸实现个体、组合、整体等灵活顶升方式的智能顶升平台体系, 与国内现有的顶模平台受力情况和工作原理完全不同 (见图3a) 。

整套顶模系统共分为4层, 5个施工作业平台 (见图3b) , 分别为: (1) Lv+2平台材料堆场、剪力墙钢筋绑扎; (2) Lv+1平台剪力墙钢筋绑扎、剪力墙混凝土浇筑平台; (3) Lv0平台剪力墙合模和拆模平台、同步水平楼板的钢筋绑扎和混凝土浇筑平台; (4) Lv-1平台剪力墙混凝土修补、埋锥安拆平台、落后1层水平楼板的钢筋绑扎和混凝土浇筑平台; (5) Lv-2平台剪力墙混凝土修补、埋锥安拆、水平楼板混凝土修补平台。

根据塔楼核心筒结构特点, 1~3号筒各设置4个千斤顶机位, 4~6号筒各设置6个千斤顶机位, 每个千斤顶为1个支撑点, 每个支撑点4个埋锥共同受力, 其中单根千斤顶最大受力为400k N。千斤顶设计内置同步系统、爆管自锁系统等, 以充分保证大平台的安全、可靠及稳定顶升。千斤顶穿入主塔立柱内, 直接压在锚固下三角支撑上, 通过大销轴固定。

顶模受力主要靠埋锥和爬升上、下三角支撑架承担, 埋锥主要由顶模通用爬升锥、顶模密封套筒、顶模预埋锚杆、顶模高强螺栓9cm (M36) 组成。每个千斤顶机位通过4个埋锥共同受力, 其中上构架支撑系统通过2个埋锥固定, 间距为650mm, 下构架支撑系统通过2个埋锥固定, 间距为250mm, 上、下埋锥间距为550mm。该锚固埋锥只需要混凝土强度达到C15的素混凝土强度, 不需要对锥体进行钢筋补强, 且锥体可以重复使用, 比传统顶模在剪力墙留洞锚固形式更胜一筹 (见图4) 。

综合分析了国内超高层建筑顶模应用情况后, 国内300m以上的超高层建筑基本均是采用爬模或顶模这2种顶模平台体系, 各有优缺点。结合核心筒的变化特点, 项目决定使用顶模+爬模相结合的平台体系, 采用一种综合其优点避免缺点的全新顶模平台体系, 主要有以下几个优点。

1) 质量轻、成本低总重约800t, 用钢量少, 成本低, 较传统顶模节约造价约30%。

2) 安全可靠顶模平台由30组爬升锥固定在墙体上, 主塔与大钢平台采用斜拉杆构成稳固结构, 稳定性好。

3) 承载力适合工程需要设计荷载为10k N/m², 平台上设计了布料机、水箱、电缆线及钢结构焊机房等各种工程设施。

4) 抗侧刚度高由爬模架体为主要抵抗风荷载, 技术成熟, 验算满足要求。

5) 适应性强可根据结构变化快速灵活拆改, 适应性强。由于轻量化的钢结构设计、可分体和单独井道模块化设计, 该顶模系统既可多平台及井道同步顶升和施工, 也可以单平台和井道单独顶升和施工以应对不同施工工序的需求。

采用本套顶模系统, 配合采用“L”形施工工艺, 即本层剪力墙和本层大部分楼板同时浇筑, 顶升装置部位的小部分楼板滞后1层浇筑。

内筒顶模前期深化设计时, 结合内筒水平结构图纸, 每个独立内筒顶模的机位尽量布置在电梯井、风箱井等洞口。同时考虑核心筒水平楼板的布置和走向, Lv0平台设计时为水平楼板施工预留空间, 钢筋绑扎、模板搭设、混凝土浇筑等操作可以利用内筒的Lv0, Lv-1, Lv-2平台作为操作和通道平台。

核心筒大部分水平梁板与剪力墙同步施工, 施工楼板位于Lv0平台, 如图5a所示。

由于内筒顶模千斤顶机位及部分下挂架平台的影响, 核心筒部分水平楼板滞后剪力墙1层进行施工, 如图5b所示。

超高层模板系统采用钢模板+木模板, 即剪力墙侧模采用大钢模板, 连梁洞口采用木模板。钢模板挂在顶模系统的悬挂梁上, 顶模顶升时跟着往上提升, 刚好到已经绑扎完的钢筋层。

2~3个工人在Lv0平台把每面的大钢模整体往外推, 滚轮往外滑动, 也可以通过小葫芦把钢模板往外拉。合模后, 即可穿对拉螺栓, 全部穿好对拉螺栓, 测量人员放线, 采用葫芦微调钢模板标高, 确保所有钢模板在同一水平线。微调完成后, 即可进行对拉螺栓的固定。对于4排对拉螺栓, 先垫100mm×100mm×5mm的钢板, 然后采用螺母从下往上依次固定并拧紧, 过程通过吊锤控制钢模板的垂直度, 确保不出现爆模、胀模、墙体偏位等问题。

为保证合模时钢模板底部包住, 每次混凝土多浇筑100mm高, 钢模板底部压在100mm高的混凝土上, 局部缝隙通过打泡沫胶封闭。对于局部的拼缝、洞口等直接打泡沫胶封闭。

内筒水平结构楼板施工可采用铝合金模板和木模板工艺, 本工程采用木模板工艺。预备3套钢管脚手架、模板等, 顶层正在搭设, 中层支撑楼板 (混凝土强度未达到拆模条件) , 下层拆模并通过人工方式往上传递, 循环利用。

同时, 对于电梯井洞口也铺设工字钢, 搭设井道架, 6层1道, 层层兜网, 6层1道硬封闭。水平结构楼板支撑架和井道架同时搭设施工, 保证工人临边操作安全。

对于后施工的水平结构梁板, 为保证梁板钢筋锚入剪力墙的锚固要求满足规范和设计要求, 对于梁板钢筋和剪力墙的结合方式有预埋套筒和植筋两种。

1) 预埋套筒核心筒水平梁板的钢筋, 直径≥18mm, 连接采用预埋套筒的方式。浇筑核心筒墙体时, 在筒内梁和墙体连接处, 把钢筋连接套筒埋入墙体, 套筒采用胶布封堵。待墙体浇筑完毕后楼板跟进时, 对套筒位置混凝土进行凿除, 露出套筒, 将梁钢筋与套筒连接并浇筑混凝土。

2) 植筋核心筒水平梁板的钢筋, 直径<18mm, 采用植筋的方式锚入剪力墙, 其施工流程为:墙体凿毛→孔位定位放线→钻孔→清孔→验孔→注胶植筋→验收。

剪力墙混凝土采用布料机直接浇筑, 由于顶模的Lv+2平台是独立大平台, 如何把混凝土引入下面浇筑水平楼板非常关键。对于同步浇筑和落后1层的楼板采用不同的方式进行浇筑。

本工程在顶模的3, 4号筒各布置1台布料机, 布料机型号为HGY21, 可遥控操作, 自由俯仰, 覆盖半径为21m, 2台布料机可以覆盖整个核心筒剪力墙的96%。

内顶外爬式顶模系统改变了传统顶模采用串筒把混凝土往下引到剪力墙的做法, 直接采用布料机伸入剪力墙内。钢筋绑扎比混凝土浇筑面高出1 000mm, 布料机端部的软管接1段2 000~3 000mm的泵管, 浇筑时直接伸到剪力墙上口。由于需要分层浇筑, 移动浇筑点, 对浇筑口泵管端部300mm位置切1条5mm的缝, 换点时采用圆形铁皮 (铁皮半径比泵管半径大2~30mm, 壁厚3mm) 插入缝内, 堵住出口, 避免换点浇筑时零散混凝土溅出 (见图6) 。圆形铁皮采用麻绳绑在浇筑口泵管, 方便使用。

由于顶模的Lv+2平台到同步浇筑的梁板只有7 500mm高差, 直接在每个筒的同步浇筑楼板对应的上面Lv+2平台开1个500mm×500mm的浇筑口, 布料机端部增加4 000mm的泵管加长, 直接从浇筑口伸到楼板上浇筑混凝土, 伸入长度约6 500mm。平时浇筑口安装翻板封闭, 保证平台全封闭。

由于顶模的Lv+2平台到落后剪力墙1层浇筑的梁板高差达12 000mm, 布料机无法伸入, 在每个筒的落后1层浇筑楼板对应的上面Lv+2平台开1个400mm×400mm的浇筑口, 每个浇筑口安装1个500mm×500mm的接料斗, 接料斗下面接泵管到落后剪力墙1层浇筑的楼板, 泵管固定在顶模的架体上。浇筑时, 打开接料斗的翻板, 布料机从接料斗把混凝土往下输送 (见图7) 。

本工程采用新型内顶外爬模架体系, 实现了核心筒剪力墙和水平楼板同步浇筑, 施工方便、安全, 施工速度快, 解决了传统工艺中由于竖向结构与水平结构落差太大而造成测量标高引测困难、人员疏散困难、高空恐惧等一系列问题, 效果良好, 为类似超高层的施工提供宝贵经验。