超高层建筑智能顶升平台的应用

郭强杨冠杰孙棋美王健

(中建八局第二建设有限公司，山东 济南 250014)

0 引言

随着经济的发展与社会的进步，人类开始追求更高的建筑，使得城市天际线越来越高，也越来越具有特色，超高层建筑作为城市地标建筑，带动了区域经济、文化、旅游等的发展。超高层建筑大多采用框架核心筒结构[1-5]，核心筒的施工建造是整个工程项目的施工进度主线，也是形象先锋，已成为项目建造的关键技术[6-10]。此外，施工安全、建设周期和周边环境等对核心筒的施工技术和工艺要求也越来越苛刻，从而极大地推动了“造楼神器”的发展。

自20 世纪80年代至今，核心筒的施工技术历经了低位顶模、模块化低位顶模、微凸支点顶模、智能顶升平台(空中造楼机)四代[11-15]。支点位置低、顶升行程长、液压智能顶升平台技术，使得核心筒的建造越来越智能和快速。任何系统及设备都有一定的适应范围和优缺点，需要结合项目特点对顶升平台的布置和运行进行具体分析与研究。文章主要介绍了智能顶升平台设计、顶升等在绿地山东国际金融中心的应用。

1 工程概况

1.1 工程概况

绿地山东国际金融中心主塔楼(如图1 所示)的地下为4 层、地上为88 层，其建筑总高度为428 m，建成后将成为山东第一高楼。主塔楼平面大致呈正方形，采用框架核心筒结构，整个核心筒长宽均为30 m，由9 个矩形小筒组成(如图2 所示)，最大壁厚为1 600 mm。随着高度的增加，核心筒尺寸不断发生变化:(1)筒外壁逐渐内移，其中4 个角的最大内移量为4 455 mm；(2)核心筒壁厚逐渐变薄，外壁由1 600 mm 逐渐减小至400 mm，而内壁由500 mm 逐渐减小到300 mm，其施工难度极大。

图1 主塔楼的效果和平面图

图2 核心筒平面图及箱梁布置图/mm

1.2 工程施工难点

主塔楼核心筒的施工存在以下难点:

(1)主塔楼高达428 m，建成后将成为山东第一高，其核心筒体量大，对施工安全和工期提出了较高要求。

(2)建筑层高类型多，其标准层高度为4.3 m，而非标准层高度有5.85、6.45 m 两种，筒壁模板设计时应考虑通用性和拆装的便利性。

(3)核心筒外壁多次内收，且内、外壁厚度不断缩小，浇筑过程中模板的位置应能进行调整以满足施工要求。

(4)核心筒单层工序多、施工体量大、工期紧，钢筋绑扎、洞口预留、合模、混凝土浇筑、钢结构施工等各工序穿插进行，模板系统需满足流水施工、穿插作业的要求。

(5)各类施工材料的垂直运输和堆放应满足施工需求。

为解决上述难点，核心筒在地上一层以下部分采用木模板体系建造，而在地上一层以上部分采用支点位置低、顶升行程长的智能顶升平台建造。

2 智能顶升平台的布置

2.1 智能顶升平台的组成

支点位置低、顶升行程长的智能顶升平台是目前超高层核心筒建造的最先进施工技术，该系统主要由桁架式平台、格构式立柱、上下箱梁、挂架、模板、液压油缸、智能监测与控制系统组成，如图3 所示。桁架式平台是施工布料和操作平台，通过格构式立柱支承在箱梁上，其两端通过伸缩节放置在墙体预留洞上。模板固定在挂架上，挂架通过链条悬挂在平台下弦下部的挂梁上，并能通过手拉葫芦实现水平位置的调整，以适应核心筒壁平面位置及厚度的变化。液压油缸为平台顶升提供动力，油缸设置在上下两层箱梁之间，通过上、下箱梁交替变换支承，来实现顶升平台的整体竖向位移。

图3 智能顶升平台组成及功能分区示意图

整个顶升平台沿竖向可以包裹多个楼层高度，若箱梁支点位置低，位于下部强度达标的混凝土核心筒壁上，可以为上部若干个楼层的钢筋绑扎、模板支设、混凝土浇筑、混凝土养护等一系列施工提供有效空间和时间，实现流水施工和安全防护；同时也对液压油缸的行程提出了较高要求。因此，箱梁支点位置通常不低于一个楼层高度。

2.2 智能顶升平台的布置

2.2.1 挂架及模板选择

挂架是保障核心筒施工的关键，挂架高度越大，越方便不同工序的流水施工，但同时也会对平台结构和顶升动力提出较高的要求，挂架自身还应能抵抗超高层的风荷载作用。

综合考虑上述各因素后，挂架高度取15.95 m，可以跨越两个4.3 m 的标准层和一个6.45 m 的非标准层，满足3 个楼层流水施工的要求，也即上层钢筋绑扎和模板支设、中间层混凝土浇筑、下层混凝土养护(如图3 所示)，大大提高了施工速度。此外，核心筒的施工作业全部在四周全封闭的平台内进行，有效地提升了高空操作的安全性。

该工程选用定制大型钢模板，利用其刚度大、可回收利用、周转率高等优点，代替传统木模板，同时能够避免超高层火灾的发生，降低风险发生率。定制大型钢模板尺寸基于4.3 m 的浇筑高度设计，根据爬升规划通过少量拼装或拆卸便可满足非标层5.85和6.45 m 层高的浇筑。

2.2.2 箱梁布置及油缸选择

根据核心筒的平面特点，顶升平台共设4 组箱梁，如图2 所示，对称布置在核心筒内部，每组箱梁有8 个箱梁端部伸缩节，其中上、下箱梁各4 个箱梁端部伸缩节。顶升平台总重1 400 t，其中平台自重1 100 t，平台上部堆场以及施工物料的总重约300 t。箱梁的弯矩与剪力如图4 所示。如果每组箱梁采用单个液压主油缸顶升，则单台油缸所需推力大，且箱梁承担跨中集中荷载P，l为箱梁跨度，弯矩分布极不均匀，跨中弯矩和剪力都较大，油缸与箱梁交接处需着重加固和安全防护。如果每组箱梁采用两台液压主油缸顶升，则单台油缸所需推力可降低1/2，箱梁的内力也会显著降低，但同时也对同步顶升提出了更高要求。

图4 箱梁的弯矩与剪力图

根据上述情况，顶升平台选择了8 台液压主油缸，参数见表1，单台额定推力300 t，8 台总推力为2 400 t，满足顶升及安全要求。主油缸的有效行程为6 m，大于挂架高度，满足施工要求。两台主油缸分别布置在箱梁的1/4 跨度处，弯矩分布比较均匀，与单台主油缸布置方式相比，弯矩峰值降低了50%。

表1 液压油缸参数表

除了主油缸之外，还设置了32 台控制箱梁端部伸缩节伸缩的液压副油缸，参数见表1。箱梁端部伸缩节伸出后以核心筒壁上预留的伸缩节洞为支承点，将整个箱梁平稳地放置在核心筒内。

考虑到平台及其上部物料的自重并非均匀分布，各组主梁承受的竖向荷载存在差异，为便于控制平台的同步顶升，共设置了两套泵站，其中1 号泵站为核心筒东西两侧的主油缸供油，2 号泵站为南北两侧的主油缸供油。

2.2.3 箱梁设置导向装置

箱梁采用单油缸时，顶升过程中每组箱梁只能对平台提供一个支承点，侧向刚度小、稳定性低，平台容易发生偏移或扭转。采用双油缸时，每组箱梁对平台提供2 个支承点，平台侧向刚度和稳定性显著提高，可降低平台的偏移或旋转量。

在箱梁竖向位移过程中，箱梁端部伸缩节已经脱离了核心筒支点，此时箱梁只有竖向约束，没有水平约束，属于几何可变体系，必然会发生水平位移，导致箱梁会与核心筒壁发生剐蹭，存在安全隐患。为了控制箱梁的水平位移，在箱梁端部创新性地引入了导向装置(如图5 所示)，顶升过程中导向轮沿核心筒壁表面竖向滚动，起到限位器的作用，为箱梁提供水平约束，保障了顶升的稳定性和安全性。

图5 箱梁端部的导向装置图

3 智能顶升平台的同步控制

3.1 位移监测系统

在顶升平台的8 台主油缸上均布置了位移与压力传感器，将油缸地伸出与缩回量通过位移传感器转换成电信号，通过电信号将监测得到的数据精准及时地传达至中控室操作设备，监控画面可以实时显示各主油缸的行程位移、主油缸的杆腔压力以及泵站系统的压力(如图6 所示)。操作人员可以对主油缸的顶升速度、行程进行调整。

图6 中控液压与行程监控画面图

为实现8 台主油缸的同步顶升，设置了“开度设置”功能，可对主油缸进行调整和控制。闸门开度检测装置钢丝绳的两端分别固定在上、下箱梁主油缸支座处，钢丝绳始终在线性测量范围内，保持其垂直度和一定的张力(约为100 N)。在上箱梁顶升的过程中，主油缸的活塞杆均伸出，钢丝绳被拉伸从而检测到相应的位移变化，通过闸门开度检测装置，将钢丝绳位移改变量转变成电信号，传递到中控室油缸行程监控系统。反之，当下箱梁收缩时，主油缸的活塞杆被收回，位移监测方式同理。

3.2 同步顶升的实施

为实现顶升平台的同步顶升，控制系统需对支撑上、下箱梁的8 台主油缸以及32 台副油缸进行联动控制。每个主油缸的同步顶升速度为1 500 mm/h，并且控制主油缸之间的行程差＜3 mm；当行程差＞3 mm时，系统将进行自动补偿。

平台顶升过程如下:主油缸伸出50 mm，使上箱梁处于腾空状态；上箱梁两端副缩油缸收回，带动上箱梁端部伸缩节收回；主油缸继续伸出4 300 mm(标准层高度)；上箱梁两端副油缸伸出，推动上箱梁端部伸缩节伸出；主油缸收回100 mm，使上箱梁端部伸缩节压实在核心筒壁的箱梁端部伸缩节洞口上，同时下箱梁处于腾空状态；下箱梁两端的副油缸收回，带动下箱梁端部伸缩节收回；主油缸继续全部收回，下箱梁提升一个标准层高度；下箱梁两端副油缸伸出，推动下箱梁端部伸缩节伸出；主油缸伸出至杆腔压力达到7 MPa，使下箱梁受力为1 000 kN，减小施工过程中上箱梁的负荷，提高安全储备。

液控系统采用同步控制方式，对8 台主油缸的液压油流量进行智能调节和控制，使得8 台主油缸满足高精准度的同步顶升要求。考虑到操作平台上布料机的架设和钢筋堆放会导致平台荷载不均匀，使得顶升过程中某个主油缸的压力值发生变化，进而影响同步顶升，操作人员需实时观察系统显示的油缸杆腔压力值，当某一主油缸压力值出现较大变化时，应对油缸行程及速度予以相应调整。

3.3 安全控制

液控系统主要由两套泵站、液压管路以及闸阀组成，并且可以通过控制各个闸阀来控制整个系统和紧急状态下的自锁。在顶升过程中若出现断电、油缸漏油、压力不足等情况，液压锁会立即自锁，将整个系统保持在当前位置，保证顶升平台的安全，待故障排除后继续顶升。

智能液压顶升平台跨越了多个楼层，各作业面的现场情况复杂，为确保顶升过程安全运行，顶升过程中由专业人员在各工作面进行巡视，检查平台翻板是否与核心筒壁完全脱离、模板或挂架是否与核心筒壁发生剐蹭、钢筋或悬挑结构是否阻碍平台运行等，并与中控室操作人员及时进行沟通和信息反馈。

此外，每个主副油缸周围都设置了高清摄像头，将油缸周围的情况实时反映在中控室监控显示屏上，中控室负责人通过监控画面，随时掌握现场情况。

4 实施效果

通过一年多的实施运行，目前绿地山东国际金融中心主塔楼核心筒施工至400 m 高，取得了以下几个方面的突出效果:

(1)施工速度快，节约劳动力 采用智能顶升平台后，可实现自动整体同步顶升，且平台下的挂架跨越了3 个楼层，使钢筋绑扎、合模、C60 混凝土浇筑及养护等工序可合理穿插进行，施工周期由传统工艺的10～15 d 缩短至4～7 d，节约了30%～50%。

箱梁端部设置导向装置后，平台整体位移由常规的200 mm 矫正至＜20 mm，有效避免了顶升过程中对平台的纠偏、纠扭。

(2)施工质量高 挂架适合采用定制大型钢模板，其侧向刚度大，不易变形，拼缝严密且组合拆分方便，混凝土成型后的质量好。此外，箱梁端部伸缩节支承点在施工操作层的下一层端部伸缩节洞处，混凝土有足够的养护时间，强度容易满足顶升要求。

(3)安全性高 箱梁采用液压双油缸顶升技术，不仅使所需主油缸的额定推力降低了1/2，通过合理布置主油缸位置，也使箱梁弯矩峰值降低了50%，大大提高了液压系统及箱梁的安全性。核心筒施工在全封闭的平台内完成，不存在高空作业问题，有效杜绝了高空作业安全事故。

(4)节能环保，减少了消防隐患 大型钢模板无材料损耗，可周转多个工程，符合绿色施工的要求，最大限度地减少了火灾危险源。

5 结语

智能顶升平台集技术、机械、安全于一体，是当前最先进的集成化施工技术。绿地山东国际金融中心主塔楼采用支点位置低、顶升行程长、液压双油缸智能顶升平台建造，结合工程特点，进行了技术分析和改进，包括挂架和模板选择、液压双主油缸的选择与布置、箱梁受力分析及导向装置的设置、平台同步顶升控制等，为核心筒的安全顺利施工提供了技术保障。

通过一系列的技术实施，实现了施工速度快、施工质量高、安全环保的目标，有力推动了山东建造技术的发展。