1972年8月, 国际高层建筑会议做出超高层建筑的定义:40层以上且高度>100m的建筑物。我国《民用建筑设计通则》中规定, 建筑高度>100m的民用建筑为超高层建筑。世界高层建筑与都市人居学会 (CTBUH) 将高度>300m的建筑定义为超高层建筑, >600m的建筑定义为巨型高层建筑。

自1894年美国纽约曼哈顿生命保险大厦落成至今, 超高层建筑发展历经百年风雨而长盛不衰。超高层建筑发展经历了3个阶段^[1]:第1阶段为1894—1935年、第2阶段为1950—1975年、第3阶段为1980年至今 (见表1) , 期间超高层建筑设计理念、建筑材料、结构形式、代表建筑、热点地区不断发展变化。

中国超高层建筑发展分为3个阶段:20世纪20年代为起步阶段、20世纪70—90年代为发展阶段、21世纪则是繁荣阶段^[2]。改革开放后, 由于我国经济发展、城市化进程加快, 超高层建筑作为城市标志性建筑和高容积率成为城市建设的首选。各城市纷纷打造属于自己的摩天大楼, 这些都使我国的超高层建筑数量与日俱增。

目前, 中国是建成超高层建筑总量和总高度最大的国家, 中国已经是连续10年蝉联建成超高层建筑数量最多的国家, 在27个城市共修建了62栋高度>300m的超高层建筑;而且, 正在施工中的高度>300m建筑有62座, 处于方案阶段拟建有96座, 在远景规划阶段有153座。

目前, 全球300m以上超高层建筑中, 已竣工134座, 其中113座是在2000年后竣工;其代表建筑世界第一高楼迪拜塔828m于2010年建成竣工。正在施工的高度>300m建筑有111座, 处于方案阶段拟建有192座;在远景规划阶段有554座, 其中高度>1 000m建筑有27座。

随着城市人口高度集中, 超高层建筑的发展是自然而然的结果, 是社会发展的产物;从统计数据可以得出, 未来超高层建筑仍将继续高速发展。

在我国, 高度>250m的超高层建筑, 结构体系一般都设计有核心筒结构^[3]。在全球, 在建或拟建300m以上超高层90%采用钢筋混凝土或钢混结构为主要建筑材料, 由此可以推测, 未来超高层建筑绝大部分将设计有核心筒结构。

超高层建筑施工组织方式往往采用空间立体交叉方式进行, 核心筒是其他分部工程施工的先导, 制约着外框钢结构、水平结构、机电、幕墙等施工速度, 是影响整个结构施工的关键环节。因此, 在保证结构质量与施工安全的情况下, 提高核心筒施工速度至关重要。

核心筒施工工作量大、工序繁琐、施工精度要求高、操作空间有限, 无法采用增加劳动力的方式加快施工进度。同时, 核心筒区域集中各种施工装备, 模架体系、塔式起重机、布料机等都悬挂在已施工完成的核心筒墙体上, 各种设备互相交叉、彼此制约、又要各自逐步随着核心筒的施工高度增加而向上爬升, 作业难度大、安全隐患多、费时费力。

鉴于核心筒施工难度, 如何设计出一套安全、方便、快捷的核心筒施工机械组, 安全高效完成顶端物料垂直运输、钢筋绑扎操作、模板支撑、泵送混凝土浇筑等施工, 一直是建筑业的研究重点。

从传统的搭设脚手架施工到滑模施工、再到爬模、提模、顶模施工, 竖向混凝土结构施工机械化、标准化程度不断提高, 施工速度不断加快, 施工的安全性也越发有保证。爬模、提模、顶模系统都能为工人创造安全舒适的工作环境, 大大提高核心筒结构的钢筋堆载与施工、模板拆模与合模、混凝土浇筑养护、垂直度控制等效率, 是超高层建筑施工中最重要的施工装备。

20世纪以来是超高层建筑大发展时期, 液压滑升模板工程技术 (滑模) 、液压自动爬升模板工程技术 (爬模) 、整体提升钢平台模板工程技术 (提模) 已经成为超高层建筑结构施工主流模板工程技术 (见表2) ;中国建筑自主研发的低位少支点整体顶升平台模架体系 (简称顶模) 历经4次迭代, 已发展成为智能化超高层建筑结构施工装备集成平台, 达到国际先进水平, 已在多个项目应用, 可明显加快超高层建设速度。

模架体系选择是超高层建筑施工技术研究的重要内容, 关系到超高层建筑施工质量、安全、工期和成本各要素, 因此, 必须在深入了解各种模架体系的基础上, 密切结合超高层建筑工程实际进行选择^[1]。

滑模施工于19世纪80年代在美国兴起, 20世纪40年代中期, 瑞典出现了穿心式液压千斤顶和高压油泵, 使滑模施工技术进一步发展。液压滑动模板施工是在构筑物或建筑物底部, 沿其墙、柱、梁等周边拼装滑升模板, 随着向模板内浇筑混凝土, 用液压提升设备使模板不断地沿埋在混凝土中的支承杆朝上滑升, 直到需要浇筑的高度为止。

滑模施工主要用于现场浇筑高耸的构筑物和建筑物。随着滑模技术的发展, 其应用范围由构筑物逐渐扩展到高层、超高层建筑;由传统的竖直滑升转变为变截面滑升。滑模施工大幅度提升了核心筒施工的机械化程度, 施工连续, 构造简单, 速度快, 工期短。

液压滑升模板工程技术的特点是模板一经组装完成即可连续施工, 因此适用于体形规则且变化不大, 收分不显著的钢筋混凝土剪力墙及筒体结构。由于目前超高层建筑高度不断增加, 结构收分幅度大, 因此液压滑升模板工程技术应用受到很大制约, 应用范围越来越小。并且, 滑模滑升的时间不易控制, 且混凝土外观较差, 固没能在超高层建筑施工中被沿用及发展。

爬模根据爬升的动力装置不同, 分为液压油缸爬模与穿心千斤顶爬模, 其中液压油缸爬模应用更广泛。液压爬模是超高层建筑施工中常用的模板体系, 是机械化利用程度高、施工高效、安全、成本合理的施工技术。在上海环球金融中心、迪拜哈利法塔、深圳平安中心等世界知名的超高层建筑的施工中均采用了爬模技术。爬模布置灵活、机械化程度高, 对于复杂多变的超高层核心筒设计体现出较好的适应性, 目前应用较广泛。

液压自动爬升模板工程技术的特点是模块化配置, 外附于剪力墙, 收分方便, 因此体形和立面适应性强, 特别是材料设备周转利用率高, 不像液压滑升模板工程技术和整体提升钢平台模板工程技术需要大量的支撑结构埋入剪力墙中, 在特高大的超高层建筑中优势非常明显。目前液压自动爬升模板工程技术已经成为世界上应用最广泛的模板工程技术。

中国液压爬模发源于欧洲, 20世纪70年代最初是上海的手动爬模;80年代出现液压千斤顶进行模板互爬;1996年中建柏利公司应用整体液压爬模;1997年珠海巨人大厦采用钢模板进行整体液压爬模;1998年首次将整体液压爬模部分钢管支承杆设在结构体外;2003年中国建筑采用液压油缸进行核心筒墙体爬模;2004年试制成功200kN和100kN液压升降千斤顶, 为液压爬模的发展创造了设备条件。2007年以后, 国内的爬模公司大都以液压油缸作为爬模的爬升动力;2010年我国第一部关于爬模方面的标准《液压爬升模板工程技术规程》发布^[4]。

国外爬模公司有奥地利德国PERI (年收入15亿欧元) 、DOKA (年收入12亿欧元) 、西班牙ULMA (年收入7亿欧元) 、德国MEVA (年收入1.1亿欧元) 、英国LEADA ACROW (年收入3 327万美元) 、加拿大ALUMA (年收入500万美元) 、美国ALSINA (年收入650万美元) 。通过年收入指标可看出, 世界范围内最主流最广泛应用PERI, DOKA。如在马来西亚建筑市场仅有DOKA, PERI两家爬模公司能完成超高层建筑爬模施工。如吉隆坡石油双塔、四季酒店采用PERI爬模;吉隆坡118大厦、吉隆坡标志塔采用DOKA爬模。

德国PERI、奥地利DOKA是专注于建筑模板领域的国际知名公司。PERI是世界上规模最大的跨国模板公司, 在全球有70多个分公司。PERI架体爬升机构小巧、灵活、经济、结构巧妙, 产品设计理念人性化, 结构科学合理。DOKA模板公司创立于1868年, 至今已有150年历史, 目前在60多个国家有160多个分支机构, 也是世界上规模最大的跨国模板公司之一。DOKA模板公司的产品属于豪华型, 产品美观、结实、安全。

提模技术是受升板法施工的启发, 将竖向结构的模板悬挂在楼板或平台以下, 通过安置在混凝土柱或劲性钢骨上的升板机等设备在提升楼板或平台的同时提升竖向结构模板完成模板施工。典型的平台提升模架是上海建工集团的自升式整体提升平台系统。悬挂脚手架与平台固定连接。利用安装于核心筒剪力墙内的格构柱作为支承和爬升导轨, 以升板机作为动力, 通过提升与平台相连接的丝杆提升整个平台系统, 进而提升模板与脚手架完成混凝土浇筑施工。

整体提升钢平台模板工程技术的特点是系统整体性强, 荷载由支撑系统承担, 因此, 施工作业条件好, 提升不受混凝土强度控制, 施工速度快, 特别适合工期要求非常高的超高层建筑施工, 在我国许多标志性超高层建筑施工中发挥了重要作用。但整体提升钢平台模板系统灵活性稍差, 适应结构收分和体形变化的能力较弱;模架受核心筒内的劲性构件限制较大, 当剪力墙结构中有劲性钢梁时, 整体提升钢平台模板系统需要解体与组合, 施工效率显著下降, 很大程度上限制了模架的推广与应用。

电动整体提升脚手架模板工程技术是现代机械工程技术、自动控制技术与传统脚手架模板施工工艺相结合的产物。电动整体提升脚手架模板系统与传统爬升模板系统的工艺原理基本相似, 主要区别在于电动整体提升脚手架模板系统中模板依靠塔式起重机提升, 脚手架系统以电动倒链为动力实现提升。

电动整体提升脚手架模板工程技术的特点是灵活性强, 标准化程度高, 体形和立面适应性强, 成本低廉, 适用于经济发展水平还不高、劳动力成本比较低的国家和地区, 成为我国应用最广的超高层建筑模板工程技术。但由于电动整体提升脚手架模板系统承载力低, 因此, 结构施工多采用散拼散装模板工艺, 施工工效较低, 施工速度受到制约, 一般多应用于施工速度要求不高的超高层建筑工程或超高层建筑部位, 如外框架。

中国建筑早在2004年提出解决结构设计与施工矛盾的问题, 为快速安全的建设超高层项目, 满足超高项目对模架系统新技术需求, 为此, 中国建筑历经10多年, 先后研发出4代顶升模架, 目前最新研究成果为智能化超高层建筑结构施工装备集成平台^[5]。

低位顶升模架通过支承箱梁、顶升油缸及支撑立柱支撑在待浇筑混凝土楼层以下的结构上, 用于混凝土墙体施工的挂架与模板悬挂在平台以下, 当新浇筑混凝土脱模后, 利用顶升油缸将模架整体顶升, 完成下层施工, 进入上层施工, 反复循环作业。

第一代顶升模架创造性地引入大刚度工作平台、大吨位液压双作用油缸, 确定模架附着改挂设的连接方式, 研发模板、架体三向调节装置, 实现了模架系统由滑模、爬模向顶升模架的升级。

第二代模块化低位顶模通过模块化设计, 使顶模80%构件可周转使用, 进一步提升了模架的适应性、安全性, 从而大幅度降低模架的成本, 提高模架的工业化程度与功效, 使其具备更强的市场竞争力, 为低位顶模技术的产业化发展奠定基础。顶升模架集成了包括电梯、布料机、材料堆场、工具房、临水临电、办公生活设施等各类设备设施, 施工电梯可直达平台顶部作业层。

第三代低位顶升模架, 即集成平台承载力高、适应性强, 可满足复杂超高层建筑高空施工要求并为装备集成提供保障, 通过高度的装备集成, 实现工厂式的集中建造, 显著提升超高层建筑施工水平。智能监控系统实时监控平台运行, 确保施工安全。

集成平台利用2～3cm的约束素混凝土凸起形成抵抗上百吨竖向剪力新型承力构造, 称为微凸支点。微凸支点单支点可承受400t荷载, 是集成平台具有高承载力的关键。集成平台以空间框架结构作为平台受力骨架, 配合微凸支点, 使平台可承载上千吨荷载、抵御14级大风。同时, 第三代顶升模架在全球首次将塔机直接集中到平台上。

前三代模架并不能完全解决塔式起重机爬升与集成平台顶升相互制约问题, 为此, 第四代模架将大型动臂式塔式起重机全部与顶模进行了集成。塔式起重机与顶升模架同步顶升技术是将塔式起重机“悬挂”搭设在平台支承点上的支撑梁上, 与顶升模架共用支承顶升系统, 从而实现塔式起重机与平台同步顶升。

智能化超高层建筑结构施工装备集成平台, 在全球范围内, 首次实现了M1280D和ZSL2700动臂塔式起重机随平台一起顶升, 是集成平台发展的一大飞跃。显著提升了工业化施工与绿色建造水平, 是我国超高层建筑装备的重大创新与进步, 将超高层建筑特别是400m以上超高层建筑的建造水平推向了一个新的高度, 引领了建筑行业的发展。

马来西亚吉隆坡标志塔位于吉隆坡TRX国际金融中心, 高452m, 地下4层, 地上97层, 建筑面积40万m², 主塔楼地下部分为混凝土框架核心筒结构, 地上部分为钢框架混凝土核心筒结构。塔楼单层最大面积约3 800m², 从L4层开始钢柱以1.35°的角度向内倾斜, 单层面积由3 800m²缩至2 100m²。

核心筒位于主楼的中心, 从P6起至L92层, 总高度413.66m, 各层层高为3.2～7.4m, 标准层的层高为4m。核心筒两侧外墙的外边分别在B1, L5, L20, L51层减小100mm, 发生体形形变;核心筒在L34, L52, L87层部分墙体消失, 产生结构形变。爬模的施工范围为L2～L92层核心筒剪力墙, 爬模在标准层总爬升高度为358 m, 共爬升90次。

马来西亚政府规定, 施工现场设施和器材须获得马来西亚职业安全与卫生机构 (JKKP/DOSH) 的批准证书, 才可以在现场使用。根据马来西亚建筑行业惯例, 相关设施的设计计算书还需获得顾问工程师批准。

中国建筑在超高层建筑领域技术发展正在经历从国内领先到国际接轨的发展阶段, 中国建筑研发的顶升模架之前还未有在马来西亚使用过, 需要经过繁琐的程序和时间才能获得政府和顾问工程师批准证书。

模架作为造价最高的施工设备, 即是业主方、总包方成本控制的要点, 也是模架公司竞标的热点。在项目前期规划阶段, DOKA, PERI在竞标项目爬模系统时, DOKA以低性能、低价方案中标, 旨在为后续变更方案、重新获利埋下伏笔;而业主在超高层领域施工经验不足, 未能洞悉DOKA的报价策略, 为后续总承包方施工造成困难。因此, 在总包方与业主方签订总承包合同时, 合同已明确约定由业主指定模架公司提供爬模系统。

总包方收到DOKA爬模方案后, 经测算其200kg/m²荷载不能满足工程承载力要求, 需要提供≥500kg/m²荷载爬模。在听取国内超高层领域专家建议重新进行爬模设计后, 总承包商否决了DOKA爬模方案, 要求业主、DOKA更改方案。

同时考虑到, 项目经过多次结构收分和体形变化, 滑模、提模等不适用于项目;顶升模架可承载2 000t, 项目一层所需物料约300t, 顶升模架性能明显过剩。

业主要求DOKA更改技术方案, 此时业主已不能接受DOKA重新报出的高价。据悉, 顶升模架价格至少比爬模系统高1倍。

若总包方等待业主与DOKA经过漫长的商务谈判后, 项目将延误工期, 严重影响履约。若完全否定DOKA方案, 采用顶升模架或中国爬模, 从合同谈判 (0.5个月) 、设计 (1.5个月) 、报批 (0.5个月) 、海运 (2个月) 、安装 (3个月) 、调试, 至少需要8个月, 严重影响项目履约。

通过对限制条件分析 (见表3) , 没有一种方案可单独解决项目爬模实际应用情况。

从合规性角度分析, 中国研发的模架能否通过马来西亚法律法规还是未知数;从合约性角度分析, 只有DOKA爬模符合合同约定;从技术经济角度分析, 只有中国爬模满足要求;从工期履约角度分析, 所有模架均不能单独保证31个月内实现项目竣工, 工期履约难度很大。

综合考虑以上因素后, 项目部创造性地提出结合国内外爬模系统, 将核心筒内部承重部分采用国内物料平台液压爬模, 外围非承重部分采用DOKA爬模。在国内进行物料平台采购时, 现场DOKA爬模安装同步进行, 将履约风险降到最低。

此方案弥补了DOKA爬模的技术缺陷, 既有利于业主方的成本控制, 也有利于总包方工程履约, 同时在一定程度上保障了DOKA的经济利益。该方案由DOKA主导向马来西亚政府部门和顾问工程师报批, 保证了爬模的合规性。因此, 该方案在合规性、合约性、技术经济性、工期等各方面取得平衡, 是项目爬模选型最佳方案。

项目采用DOKA爬模与物料平台液压爬模一体化施工, 项目核心筒内部4个井筒位置选用JFYM150型物料平台液压爬模架施工;外围选用DOKA SKE100 plus, SKE 50 plus两种架体施工;模板体系选用DOKA木模板。

DOKA爬模从UG层开始安装, 采用重型SKE100plus、轻型SKE50plus, 分南北核心筒独立爬升, 实现了模块化、定型化, 易调整和拆卸。爬模机位共61个, 每个机位限载20kN。架体共分6层。L+2, L+1层作为绑钢筋、预埋预埋件的操作架, LIM, L0层用于模板加固与退模后的清理, L-1, L-2层作为爬模爬升操作架以及钢结构梁预埋件表面清理。

塔楼在核心筒L4层竖向墙体完成后开始安装物料平台液压爬模架, 地上5层开始使用。该形式爬模架提供了支模和暂时放置物料、布料机的平台, 主平台布满整个布置机位的空间, 其共覆盖4个层高, 架体共有6层操作平台, 从上至下分别为:上2层为绑筋操作平台、中层为支模操作平台、下层为爬升操作平台、最底2层为拆卸清理维护平台。物料平台的最大作用在于从其主操作平台向上安装1组钢结构桁架, 在其顶端铺设脚手板, 使其形成1个物料平台, 此平台上施工荷载为500kg/m², 可用于放置钢筋和布料机。

核心筒内外均布置DOKA模板, 模板高度4 100mm, 上包剪力墙混凝土50mm, 下包50mm。木模板分为2种:普通DOKA木模板, 理论使用70次, 用于只到L33层及L51层的剪力墙, 约800m²;X-life木模板, 理论使用100次, 用于其他区域的剪力墙, 约1 300m²。

项目不仅要克服爬模施工中常规难点, 如爬模与塔式起重机、施工电梯设计问题;核心筒爬模之间通道设计;爬锥与钢梁预埋件、塔式起重机支撑梁预埋件位置关系;剪力墙洞口架体间、架体与剪力墙之间的防护;变截面墙体处模板处理;高空爬模改装等。两种爬模一体化爬模组合施工, 还面临以下难点。

项目部统筹国内、国外两个市场的劳动力、材料、技术等资源, 通过优化工序、强化工期管控等系列措施, 顺利完成爬模体系安装应用。核心筒DOKA爬模从L2层开始安装, 与筒内大模板共同施工至L5层;与此同时, 进行国内物料液压爬模系统考察、选定、海运、清关等工作, 实现了从L5层开始使用物料平台, 降低变更方案对项目整个工期的影响。

在工期管控方面, 项目部制定详细的专项工期计划, 将现场施工、商务谈判、物流运输等各方面工作细分, 明确责任人, 按计划时间检查反馈工作完成情况, 步步跟进, 逐日汇报消项, 确保了DOKA爬模与物料平台液压爬模一体化按期组装。在后续施工中, 通过详尽的核心筒施工计划, 将上百项工序分解、分析, 制定更合理的工作划分界面、制定标准化的施工流程, 实现核心筒施工速度从最初5d/层提速至平均3d/层。在施工组织方面, 项目部将DOKA爬模技术与中国物流平台技术消化吸收, 统一指挥由属地工人组成的爬模服务班组和中国工人组成的爬模使用班组, 通过项目部统一管理, 两支队伍密切配合, 高效施工。

由于物料平台液压爬模架的布置受到原有DOKA机位的制约, 无法避免出现相互间的干涉, 如物料平台机位背侧螺栓与DOKA架体支腿冲突, 项目采取使DOKA架体的支腿收缩躲避伸出墙面的螺杆及螺母。

项目布料机由独立的DOKA爬架支撑及爬升, 在物料平台液压爬模架的下方。由于此架体有加强构件高出附着点, 且每层有两道附着装置, 为避免物料平台架体机位与此布料机架体冲突, 物料平台机位水平方向上躲避了布料机架体加强柱, 为避免物料平台导轨与布料机架体导轨的冲突, 可调整物料平台液压爬模架导轨长度, 同时调整架体高度, 使其实现爬模架体与布料机架体分开爬升。

项目因地制宜地实施DOKA爬模与物料平台液压爬模一体化施工, 将中国物料平台液压爬模与国外DOKA爬模有机结合, 以灵活创新的方式解决项目生产中实际面临的问题, 克服物料平台国际化运输、两类爬模融合统一等一系列困难, 在符合马来西亚法律法规和总承包合同前提下, 既控制了成本, 又保障工程履约, 完美解决了技术问题, 为核心筒结构3d/层的施工速度提供了保障。仅历时20个月, 项目完成核心筒结构施工, 现项目主体结构如期完成, 爬模应用非常成功。

中国爬模源于欧洲, 核心技术与国外爬模类似, 在标志塔项目, 中国爬模实施效果与国外爬模相同, 都能实现3d/层的施工要求。但中国爬模周转性不如国外爬模, 如大部分DOKA爬模可周转, 而中国爬模周转效果较差。在马来西亚, 国外爬模公司属于寡头市场, 报价较高;中资建筑企业有条件下可考虑使用中国爬模。

滑模、提模、电动整体提升脚手架模板等都在特定的历史阶段、特定的施工领域发挥作用, 但随着超高层建筑向更高、建设速度更快发展, 爬模和顶升模架将成为模架体系主流。吉隆坡标志塔项目与武汉绿地中心项目中模架使用情况比较分析如表4所示。

爬模体系与顶升模架2种模板体系有各自突出优势, 都能满足大部分超高层核心筒施工技术要求。爬模系统在成本方面优势较大, 可用于结构高度较高、墙体结构形变和体形形变较多、施工场地较充裕的超高层项目。顶升模架系统适用于场地小、工期紧、安全要求高、结构高度非常高的超高层项目^[6]。

目前, 海外还没有项目应用顶升模架, 中国顶升模架要走出国门, 自身要形成标准化、模块化, 进一步集成;同时, 要适应当地法律法规、技术规范。

在结构设计阶段, 施工单位、爬模单位应尽早参与前期项目规划, 共同研讨方案。模架体系技术革新与发展都是建立在前人研究成果基础上, 技术是各国、各公司共同推进的, 希望在世界范围内一起探索与实践, 分享成果, 共同推进世界摩天大楼向更高、更快发展。