关于高层建筑核心筒顶模与伸臂桁架的施工应用

【摘要】本文以某商业中心工程施工为例，重点介绍了顶模设计、伸臂桁架安装、伸臂桁架与钢筋工程协同施工、伸臂桁架与混凝土结构协同施工、锻钢节点域模架角部开合协同施工、锻钢节点与模板协同施工等一系列顶模关键技术及工艺流程。

【关键词】顶模设计;伸臂桁架;协同施工;施工技术

1、工程概况

1） 顶模设计

随着社会发展和城市建设的日新月异，城市市区内建筑工程场地越来越狭窄，房屋建筑越来越高，而工期、造价、环保等要求却越来越严，这对工程建设带来了巨大的挑战，也为新技术的发展与应用提供了机遇。某商业中心工程塔楼54层，裙楼4层，建筑高度270m，结构形式为巨柱框架+核心筒+伸臂桁架的筒体结构，在建设该商业中心时，采用了顶模与伸臂桁架协同施工的新技术。顶模设计如图1所示。支撑与顶升系统支撑在核心筒剪力墙上，共设置9个支撑点，其中核心筒外墙上设置8个，核心筒中间设置1个。外墙上的支撑顶升系统由混凝土承力件，上、下支撑架以及支撑架之间的顶升油缸组成;置于核心筒内墙的一个支撑与顶升系统由上支撑箱梁、下支撑箱梁以及上下支撑箱梁之间的顶升油缸组成。

图1 顶模构造

2） 伸臂桁架概况

某商业中心整栋塔楼共有5道巨型桁架加强层，其中3道为伸臂桁架，由内、外筒两部分桁架组成，其中内筒伸臂桁架由上弦结构、下弦结构及腹杆构成，上、下弦杆以角部8个锻钢件节点为核心，通过水平弦杆、竖向腹杆贯通于核心筒外墙四周，形成稳固结构体系，桁架总高度15.2m，跨越3个结构层高。桁架竖腹杆柱截面为H型钢，桁架上、下弦杆以及斜腹杆由双层钢板和连接隔板焊接成组合截面，角部节点呈“K”形布置。整个内筒伸臂桁架共计89件钢构件，其中上弦共20件，腹杆共49件，下弦共20件，总质量约963t，最大构件为角部8个锻钢节点，最重达37.39t。

2、重、难点分析与对策

1） 顶模在顶层南北有4道、东西有6道贯通的主梁，其中在中间2道主梁均为双层，总高度3.6m，跨越了伸臂桁架层，吊装期间如何协调与模架空间关系是需要重点解决的问题。对策：利用三维建模软件深化设计，叠合模架及伸臂桁架立面及平面关系，充分考虑塔式起重机吊重、构件运输、模架作业层高度、钢模位置等，并对复杂节点提出合理化建议，保证伸臂桁架结构层的顺利施工。

2） 伸臂桁架结构复杂且4个角部节点含有外伸牛腿，外伸长度超过2m，模板如何支设、模架如何顺利通过外伸牛腿位置是两者协调的重要内容。对策：顶模4个角部在设计之初已考虑伸臂桁架外伸牛腿影响，将模架4个角部设置为开合机构，1～6层均可整体开合或逐层开合，可以有效地解决模架与外伸牛腿影响问题对于外伸牛腿局部支模问题，核心筒采用大钢模板，针对4个角部外伸牛腿位置钢模板也已考虑可以局部开启或整体开启，开启后方便锻钢节点安装，局部无法用钢模板封闭的地方采用木模封闭即可。

3） 伸臂桁架安装期间，钢筋绑扎、混凝土浇筑同步施工，如何避免钢筋绑扎及混凝土浇筑对伸臂桁架安装的影响是需要重点考虑的问题。对策：钢筋绑扎前根据模架与伸臂桁架安装各阶段关系，对伸臂桁架对接焊缝位置竖向钢筋长度及接头留设位置予以预先考虑，保证钢筋接头不会超越焊缝位置，避免对焊缝焊接造成影响。混凝土浇筑时，在模架上设置混凝土浇筑串桶，重点解决伸臂桁架节点区域混凝土浇筑问题，为避免混凝土对构件未焊接焊缝的污染，混凝土浇筑前将所有水平焊缝进行保护，并调整混凝土粗骨料级配，使用C60自密实混凝土进行浇筑。

3、施工工艺流程

由于伸臂桁架均位于核心筒外墙，故核心筒内墙钢筋绑扎均不受伸臂桁架影响，可与伸臂桁架构件吊装同层施工。外墙根据伸臂桁架构件与模架之间的关系，遵循先下弦、再腹杆、后上弦的阶段进行，土建施工位于桁架施工层以下一个结构楼层。为保证结构施工的顺利进行，施工流程中除了构件吊装外，还需重点考虑模架顶升、钢筋吊运方式、模板调节方法、泵管拆接、施工电梯运动加节、塔式起重机顶升等关键施工工序，施工工艺流程如图2所示。各阶段流程如图3所示。

图2 施工工艺流程

图3 伸臂桁架施工流程

1） 第1步上支撑系统位于27F：①30F伸臂桁架部分下弦构件（共8件）安装;②核心筒结构29F钢筋绑扎、模板封闭、混凝土浇筑;③内墙结构进行30F钢筋绑扎。

2）第2步上支撑系统位于28F：①30F安装伸臂桁架剩余下弦（共12）;②同时进行核心筒30F外墙钢筋绑扎;③内墙结构进行31F钢筋绑扎。

3）第3步上支撑系统位于29F：①31F伸臂桁架腹杆（共49件）安装;②核心筒30F封模浇筑混凝土;③核心筒31F外墙钢筋绑扎，内墙剩余钢筋绑扎。

4）第4步上支撑系统位于30F：①32F伸臂桁架部分上弦（共12件）安;②核心筒31F封模（局部补充木模板）混凝土浇筑;③内墙结构进行32F钢筋绑扎。

5）第5步上支撑系统位于31F：①32F伸臂桁架剩余上弦（共8件）安装;②核心筒32F外墙钢筋绑扎;③核心筒32F封模混凝土浇筑;④伸臂桁架施工完，进入标准层施工流程

4、关键施工技术

4.1 分段分节施工

根据设计院设计图纸，统筹考虑伸臂桁架自身的结构特点、模架结构体系、塔式起重机起吊能力、焊接工艺、构件制作及运输等要求，合理确定伸臂桁架水平分段及竖向分节。深化设计阶段，针对复杂节点，如钢筋与钢骨的接驳器连接或预留孔、机电设备管道预留孔洞、塔式起重机埋件等均需要在深化设计阶段确定。

4.2 伸臂桁架与钢筋工程协同施工

由于墙体竖向钢筋接头均设在楼层面以上一定距离，在伸臂桁架安装期间若不单独对钢筋接头位置及钢筋下料长度进行深化则可能造成竖向钢筋超过伸臂桁架构件焊缝位置，最终会对焊缝施焊造成较大困。在钢筋绑扎与伸臂桁架协同施工中，根据伸臂桁架对接面与楼层标高之间的关系（见表1），竖向钢筋在接头位置以不超过桁架构件水平焊缝位置为原则。施工时，先进行下弦构件吊装、焊接，再进行下弦下层结构钢筋绑扎，腹杆、上弦层施工依照下弦层工序进行，保证竖向钢筋接头位置始终处于焊缝以下。由于构件分段分节限制，可能无法保证同一区段内钢筋接头面积≤50%，经与设计商议，构件对接区域的钢筋接头均按一级接头进行留设，墙体其余位置按要求留设钢筋接头。

表1 构件水平分节位置统计

序号

伸臂桁架构件部位

分段分节距离楼层标高最小间距/mm

1

下弦构件

距离30F结构标高最小间距1200

2

腹杆构件

距离31F结构标高最小间距300

3

上弦构件

距离32F结构标高最小间距842

4.3 伸臂桁架与混凝土结构协同施工

伸臂桁架混凝土采用布置于模架顶部的2台HG19G液压布料机进行浇筑，由于伸臂桁架施工期间混凝土浇筑层可能位于模架最底层，为避免混凝土自由抛落高度过大产生离析等问题，在每个内筒四角和中间紧靠墙置设置下料串桶，串桶与模架焊接固定，串桶最下端通过短溜槽将混凝土引入待浇筑墙体内。为避免布料机移位过程中对伸臂桁架焊缝产生污染，在混凝土浇筑前还需对已安装的构件焊缝通过粘贴胶带进行保护，构件吊装前再将胶带撕除。

4.4 锻钢节点域模架角部开合协同施工

考虑伸臂桁架施工特殊节点，顶模在4个角部每层设计有8个开合机构，共覆盖6层，根据现场安装及模架顶升情况可以实现单个开启、逐层开启或全部开启，模架吊装前打开上部全部开合机构，吊装完成后闭合上部开合机构，保证人员同层通行。模架顶升前将锻钢节点下部开合机构打开，保证模架顺利顶升，顶升完成后及时关闭开合机构。

4.5 锻钢节点与模板协同施工

本工程塔楼采用钢模板高4.8m，在设计阶段也已经考虑了伸臂桁架结构与钢模板相对位置关系，将塔楼4个角部与桁架外伸牛腿冲突的钢模板全都设计成门扇形式，伸臂桁架结构层施工时打开，常规楼层施工时封闭。桁架锻钢节点吊装前将角部钢模板全部打开，钢筋绑扎完成后封闭非外伸牛腿区域钢模板，外伸牛腿区域用普通木模板封闭，混凝土浇筑完毕后钢模板退模、木模板拆除，平台顶升一个结构层高，进入下一个楼层施工，待伸臂桁架层全部施工完毕后钢模板全部闭合，进入常规楼层作业施工。

4.6 钢模板调节技术

某商业中心采用86型子母扣定型钢模板，模板高度为4.8m，模板下挂在模架内随模架一同顶升，为了适应伸臂桁架等非标准层施工要求，钢模板顶部全部配置有专门的调节机构。模板调节技术在设计构造上主要有滑梁及滚轮、倒链葫芦、扁担梁、钢模吊链、钢模板等几部分组成。整片模板调节时，由2～3个操作人员同时拉动倒链，将扁担梁带动钢模板一同上移或下移，由此完成模板调节任务。

结语

某商业中心已经完工，通过顶模与伸臂桁架的协同施工，缩短了施工工期，保证了施工质量，节约了成本，取得了很好的社会和经济效益，为高层建筑施工提供了参考。

参考文献

[1]冶金工业部建筑研究总院.GB50205―2001钢结构工程

[2]刘曙，陆建新，刘晓斌，等.深圳京基100超高层钢结构整体变形控制技术[J].施工技术，2011，40（19）：15-26.

[3]刘晓斌，陆建新，许航，等.大型伸臂桁架与核心筒顶模协调同步安装技术[J].钢结构，2011，26（4）：68-71.