超高层核心筒爬模与铝合金模板一体化快拆施工技术
1 工程概况
北京市CBD核心区Z14地块商业金融项目地处北京市朝阳区国贸桥东北侧, 北侧紧邻光华路, 东邻海关大厦, 南侧为景辉街东管廊, 西侧为金和街东管廊。其总建筑面积约31.6万m2, 其中地上建筑面积约22万m2, 共45层, 高度238m, 建筑功能为办公双塔+商业裙房 (裙房共7层) ;地下建筑面积约9.62万m2, 共6层, 建筑功能为商业、后勤、停车场及设备用房。
本工程塔楼为型钢混凝土框架+钢筋混凝土核心筒结构, 1～6层为非标准层, 7～42层为标准层, 层高为4.5m (其中16, 16M, 32, 32M层为塔楼结构加强层) , 43～45层为非标准层, 层高为5.4m。核心筒单层建筑面积约440m2, 共包含4个小筒;外墙最大厚度1 000mm, 最小厚度500mm;内隔墙最大厚度500mm, 最小厚度400mm;楼板厚度分别为110, 120, 200mm;主要梁截面尺寸为300mm×800mm, 200mm×400mm, 200mm×300mm等;外墙门洞连梁梁高900mm, 最大截面1 000mm×900mm (内含双H型钢) 。
核心筒结构平面布置如图1和表1所示, 核心筒墙体厚度变化如表2所示。
2 核心筒结构施工体系选型
在超高层建筑中, 核心筒结构采用液压爬模体系已被推广应用, 传统的液压爬模体系一般配置大钢模作为墙体模板随爬模 (架) 向上爬升, 水平结构后甩, 采用木模板及支撑架进行施工。后甩水平结构施工不仅需配置卸料平台, 而且随楼层的增高, 大量占用塔式起重机运力, 进而制约整个塔楼施工工期, 同时采用周转次数较少的木模板, 损耗大, 不满足绿色施工环保要求。
图1 塔楼核心筒标准层结构平面布置
Fig.1 Plan layout of standard floor structure of tower core tube
表1 塔楼核心筒结构平面布置
Table 1 Plan layout of tower core tube structure
表2 塔楼核心筒墙体厚度变化
Table 2 Thickness variation of core tube wall of tower building
mm
注:核心筒外墙厚度变化按内边保持, 外边内收变化;核心筒内墙厚度按一侧保持, 另一侧内收变化
基于传统核心筒结构施工工艺, 结合工程特点和现场工况, 并经过分析对比目前常用的木模、钢模和铝合金模板的优缺点、施工便利性及成本, 对原核心筒结构施工技术进行改进创新, 充分利用铝合金模板自重小、刚度大、可周转使用、成型后效果好的优点, 形成液压爬模+铝合金模板一体化快拆施工技术, 即核心筒竖向结构采用爬模+铝合金模板体系, 同时水平结构采用铝合金模板快拆体系, 并与竖向结构同步施工。
3 核心筒结构施工方案设计
3.1 架体
3.1.1 架体布置
塔楼核心筒共布置58个液压爬模架机位, 共13组架体。其中, 外墙液压爬模架 (JFYM150型) 24个机位, 物料平台液压爬模架 (JFYM100型) 10个机位, 电梯井液压爬模架 (JFYM100型) 24个机位。液压爬模定于地上7层竖向完成后开始安装, 液压爬模架平面布置如图2所示。
液压爬模架提供支设模板和暂时放置物料的平台, 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, 可借助此层平台放置和绑扎钢筋;中层为支模操作平台, 可在此平台上完成合模、拆模、清理模板等工作;下层为爬升操作平台;最底2层为拆卸清理维护平台。
3.1.2 重要节点设计
3.1.2. 1 墙体变截面处节点设计
1) 变截面幅度≤50mm的墙体, 通过调节导轨的防倾装置 (调节支腿) , 导轨及架体均能顺利爬升至上一层。
2) 变截面幅度>50mm的墙体, 使用变截面附墙座垫板, 先将导轨斜向爬升至附墙装置中, 再借助导轨导向使架体爬升入位, 进行下一层爬升作业后, 架体恢复为正常爬升状态。
3.1.2. 2 机位预埋套管设计
绑扎墙体钢筋时, 要预埋各机位穿墙套管, 对于外墙JFYM150型架体, 每个机位预埋2个
3.1.2. 3 机位处于门洞处的下挂节点处理
在机位布置中, 外墙个别机位处于门洞处, 门洞口连梁高度900mm, 机位标高为楼层标高以下950mm, 在机位挂点处于梁高范围以外, 为满足爬模架需求, 在梁下机位对应处设置混凝土挂垛。本工程根据计算该混凝土垛高400mm、宽600mm, 厚度及混凝土强度等级同本层混凝土梁。
3.1.2. 4 机位处于门洞处的导轨支撑设计
局部机位布置在结构连梁上, 主承力架的支腿无法打紧墙面, 为此绑扎墙体钢筋时需在门洞下方支腿位置焊接埋件, 墙体混凝土浇筑成型后, 在支腿位置的洞口处加设[25b, 便于布置在连梁上或连梁附近的机位支腿形成有效支顶。
图2 液压爬模架平面布置
Fig.2 Plan layout of hydraulic climbing formwork holder
3.1.2. 5 结构布置变化处的爬模体系变更设计
1) 塔楼核心筒西南电梯筒仅至16M层, 自17层起, 电梯井位置处改为结构板, 16M层结构施工完毕后, 拆除33～36号机位。
2) 塔楼核心筒西北电梯筒仅至32M层, 自33层起, 电梯井位置处改为结构板, 33层结构施工完毕后, 拆除25～32号机位。
3.1.2. 6 机位处于钢梁范围内的预埋套管设计
核心筒剪力墙门洞连梁内存在钢梁, 部分机位处于钢梁范围内, 为满足机位套管的安装, 在钢梁腹板上预开直径55mm圆洞。
3.1.2. 7 架体上人通道设计
塔楼核心筒设置1部施工电梯, 设置于高区电梯井筒内。人员通过施工电梯上至正在施工楼层以下的第4结构层楼板上, 通过楼板步行至物料平台下挂楼梯处, 经下挂楼梯上至各操作层。下挂楼梯设置在物料平台液压爬模架 (49～55号机位) 下部, 下挂架高度约11m。
3.1.2. 8 架体悬臂段防倾覆措施设计
架体主承力点以上为悬臂端, 为保证架体有足够的防护高度, 提高施工效率, 悬臂端高度近9m, 受风荷载影响较大, 极易引起倾覆, 本工程使用钢管将上支撑架与结构进行刚性拉结, 拉接间距≤3m。架体所有悬挑部位搭设对称斜拉杆及斜支撑, 保证悬挑部位架体稳定性。
3.1.2. 9 布料杆放置位置
本工程布料杆在使用时放置于物料平台爬模架上中部, 布料杆下部与物料平台爬模架体采用钢板+螺栓可靠连接形成整体。竖向泵管可从架体与墙体缝隙中穿过, 并通过附墙装置固定于核心筒墙体上, 不与架体直接连接。
3.1.2.10爬升至顶层的悬臂段防倾覆措施
结构施工至顶层后, 由于局部内筒的天梯井机位拆除, 里外架无法拉结, 为保证架体足够的稳定性, 须在楼板上设置预埋地锚与架体进行拉结, 维持架体稳定。
3.2 铝合金模板体系设计
3.2.1 整体设计
3.2.1. 1 模板体系选型
铝合金模板体系由标准单元组合拼装而成, 利于工厂标准化设计、制作。铝合金模板标准单元均为铝合金挤压型材, 根据模板宽度分为100～400mm标准型材。实际设计制作时楼面板的通用标准规格为400mm×1 050mm, 墙、柱模板的通用标准规格为400mm×4 550mm。
墙、柱铝合金模板对拉螺杆采用T18高强螺杆, 背楞上、下间距从下往上依次为250, 600, 700, 800, 800, 920, 430mm, 对拉螺杆水平最大间距800mm。
3.2.1. 2 顶板设计
1) 楼面顶板标准尺寸为400mm×1 050mm, 400mm×750mm, 局部按实际结构尺寸配置。楼面顶板型材高65mm, 铝板材厚4mm。
2) 楼面顶板横向间隔≤1 200mm设置1道150mm宽铝梁龙骨, 铝梁龙骨纵向间隔≤1 200mm设置快拆支撑头 (流星锤) 。
3) 核心筒在16层以上某些房间的板厚、结构会发生变化, 增配铝合金模板。
3.2.1. 3 梁模板设计
1) 梁模板尺寸按实际结构尺寸配置。梁模板型材高65mm, 铝板材厚4mm。
2) 梁底设单排支撑, 支撑间距1 200mm, 中间铺板, 支撑铝梁宽150mm, 方便施工人员拆装模板。
3.2.1. 4 墙、柱模板设计
1) 墙、柱模板标准尺寸为400mm×4 550mm, 局部按实际结构尺寸配置。型材高65mm, 铝板材厚4mm。
2) 墙、柱模板处设置对拉螺杆, 横向设置间距≤800mm, 纵向设置间距≤1 000mm;对拉螺杆起到固定模板和控制墙厚的作用;对拉螺杆为T18螺杆, 模板面板穿墙孔为
3) 墙、柱模板背面设有背楞, 背楞设置间距≤1 000mm。背楞材料为2[10, 本工程内外墙面共设置6道背楞。
3.2.1. 5 梁板模板支撑体系设计
1) 本工程标准层层高4.5m, 支撑系统选用盘扣式可调钢支撑。
2) 钢支撑由上杆、下杆2部分组成, 其中上杆为Q345B,
3) 板下钢支撑立杆间距按≤1 200mm×900mm布置, 设置2道水平杆, 首道杆起步高度1 200mm, 步距1 500mm。
4) 立杆间设置斜撑。
5) 核心筒内部结构梁最大截面尺寸为300mm×800mm, 梁下设置单排立杆。梁下立杆通过水平杆与相邻部位板下立杆拉结。
6) 核心筒外墙门洞口处设有连梁, 连梁最大截面尺寸为1 000mm×900mm, 连梁内设有双H型钢。连梁下横向设置2排立杆, 横向间距600mm;立杆纵向间距900mm。梁下立杆通过水平杆与相邻部位板下立杆拉结。
3.2.2 重要节点设计
1) 墙、柱铝合金模板螺杆孔采用胶杯封堵。
2) 墙、柱铝合金模板背楞断开处采用U字码连接, 通过穿墙螺栓与背楞连接。
3) 外墙、电梯井等位置墙模板下口将下包50mm。
4) 墙、梁变截面处理 (1) 核心筒外墙阳角位置变截面规律:外缩50, 100, 100, 150, 100mm。铝合金模板配置150, 100, 150, 100mm调节板。首次变截面时将150mm宽调节板更换为100mm宽。 (2) 核心筒外墙洞口堵头板及梁底板变截面规律:外缩50, 100, 100, 150, 100mm。铝合金模板配置150, 100, 150, 200mm调节板, 首次变截面时将150mm宽调节板更换为100mm宽, 最后一次变截面将200mm宽调节板更换为100mm宽模板。
5) 板厚变化时梁侧板处理
核心筒内部主要梁高为800mm, 对于梁边带板的梁侧板楼面C槽竖直方向宽度为150mm:当板厚为120mm时, 配置400mm+130mm梁侧板;当板厚变为200mm时, 将130mm梁侧板换为50mm梁侧板;当板厚由120mm变为110mm时, 将130mm的梁侧板换为140mm的梁侧板。
对于梁边不带板的梁侧帮配置400mm+400mm梁侧板。由于房间结构变化, 当板厚为110mm, 配置100mm宽C槽及400mm+190mm梁侧板;当板厚为200mm, 配置100mm宽C槽及400mm+100mm梁侧板。
6) 层高变化时墙板处理
塔楼标准层层高为4.5m, 43～45层层高变为5.4m, 墙板配板增加900mm接高板, 接高段设置1道主龙骨, 并与爬模架模板支撑架连接。爬模体系仍按一次爬升1层设计。对于层高为9m的16, 32层, 模板体系不做调整, 爬模体系按2层爬升1层, 每次爬升高度4.5m。
7) 下包50mm在变截面处的处理
墙体结构存在变截面, 而且外墙 (无顶板处) 铝合金模板下口下包50mm, 按照在墙体变截面的前一层墙顶压入木方实现提前变截面, 以保证变截面后铝合金模板下包部分能够准确入位。
8) 楼板放线口节点处理
核心筒内共设置3处放线洞, 洞口尺寸≥150mm×150mm。洞口处板底模按有板设计, 底模上加定型铁盒。根据板厚不同, 本工程共设置2种类型铁盒。
3.3 爬模与铝合金模板结合设计
1) 核心筒墙体外侧模板与爬模体系结合爬模体系外墙采用JFM150型架体, 该架体设有退模小车, 退模小车上设有托模横梁, 将模板托放于退模小车上, 顶部通过模板钩将模板与退模小车立柱连接, 通过操作退模小车实现模板的进退模操作。
2) 核心筒墙体内侧模板与爬模体系结合爬模体系内墙采用JFM100型架体, 该架体顶部设有吊装横梁, 横梁上安装手动葫芦, 通过倒链挂住安装在铝合金模板顶部的模板吊钩, 实现铝合金模板体系与爬模体系的结合, 并随爬模体系一同爬升, 通过微调手动葫芦实现铝合金模板微调。
3) 墙体铝合金模板主背楞采用2[10, 共设6道
对于墙体外模板, 将模板下第2道横背楞安装在外墙液压爬模架模板支撑架的下背楞上, 另设3道模板钩将铝合金模板横背楞与支撑架立柱进行拉结, 实现铝合金模板与外架的连接固定。对于墙体内侧模板, 模板体系顶板设置承力梁, 承力梁设置吊钩, 通过倒链吊于手动葫芦上, 手动葫芦挂在与支撑架相连的钢梁上。
4) 为保证墙体模板的整体性, 墙模板与背楞间除通过穿墙螺栓连接外, 还通过钩栓将两者连接, 钩栓钩子勾住铝合金模板边框, 栓钉部位穿过主背楞, 通过垫片、螺母将[14扣紧主背楞, 使之与墙模板紧密连为整体。
5) 核心筒外墙厚度较大, 4个角部对拉螺栓间距较大, 在上述位置铝合金模板背楞数量保证铝合金模板刚度和整体稳定性。
4 核心筒爬模带铝合金模板一体化快拆施工技术要点
1) 核心筒内均分为4个子筒, 其中3个筒为电梯井筒, 采用水平结构与竖向结构同步施工工艺。剩余筒为疏散楼梯筒, 结构布置较复杂, 采用水平结构落后于竖向结构施工工艺。除落后部分的水平结构外, 核心筒结构全部采用铝合金模板体系。根据施工部署, 核心筒结构分为2个施工段, 爬模体系与结构施工分区、分段一致。
2) 施工工艺流程 墙体预埋、附墙装置安装→地面预拼装主承力架及楼梯→主承力架体系整体吊装→地面预拼装支撑体系→竖向支撑体系整体吊装→搭设及铺设操作平台→安装液压电控装置并调试→完善平台防护、挂安全网→安装模板。
3) 核心筒液压爬模体系在地上7层竖向墙体施工完毕后开始安装, 8层开始使用。在6层底结构板导轨对应位置处预留导轨下穿孔, 尺寸为300mm×300mm, 洞口中心距核心筒墙体外边线285mm;对于导轨对应位置为结构梁的, 不预留洞口, 待爬模爬升一次空间足够后, 再安装该处导轨。为保证核心筒液压爬模架导轨能正常勾挂在安装层墙体上, 绑扎安装层墙体钢筋时, 在安装层墙体上机位位置预埋套管。当核心筒墙体留置的同条件养护的试块强度达15MPa时, 方可进行首次安装。
4) 地面预拼装主承力架及楼梯 将液压爬模架各机位的主承力架及挂架通过螺栓预先拼装为一个整体, 即为下架体, 通过U形螺栓连接下架体机位间的平台钢梁;将下架体的平台楼梯焊接在下架体的平台钢梁上, 将部分平台木方通过铁丝捆绑于下架体的平台钢梁上。
5) 主承力架体系整体吊装 将拼装好的下架体进行整体吊装, 到位后插上防倾插板将架体与结构进行固定, 打紧下架体的靠墙支腿将下架体调整垂直。
6) 地面预拼装支撑体系 将爬模架模板支撑架连接背楞平铺于场地内, 通过螺栓将模板支撑架立柱连接在背楞上方, 再将调节丝杠通过销轴连接于模板支撑架立柱上;将支撑架立柱在场地内铺开, 通过U形螺栓连接支撑架立柱间的平台钢梁, 后焊接安装平台间楼梯, 绑扎部分平台木方。
7) 竖向支撑体系整体吊装 将拼装好的模板支撑架吊起, 安装在下架体最上层平台钢梁上, 滑车与平台钢梁通过U形螺栓连接;通过塔式起重机吊起拼装好的支撑架, 通过螺栓将支撑架安装于下架体机位上方的连接孔内, 完成上架体整体吊装。
8) 搭设及铺设操作平台 用铁丝将平台剩余木方与平台钢梁进行捆绑, 补全平台木方。将花纹钢板吊入架体进行铺设, 花纹钢板铺齐后, 相邻2块花纹钢板间先电焊固定, 后通过手电钻将自攻螺钉穿过花纹钢板固定在平台木方上, 完成花纹钢板安装。
9) 安装液压电控装置并调试 将液压爬模架油缸、泵站、电器箱、电缆线吊入架体平台, 安装液压电控系统。
10) 完善平台防护、挂安全网 (1) 钢板网地面拼装前, 先在地面搭设1个平面尺寸7m×7m、高度1.2m的拼装平台。先将网片与立杆通过螺栓连接, 后通过螺栓将横杆与立杆连接。将钢板网散件拼装为整块的组拼式钢框钢板网。 (2) 用塔式起重机吊起整块钢板网移至架体外侧吊装入位, 钢板网横杆落放在架体外侧托梁上, 通过U形螺栓将钢板网横杆和架体托梁连接, 实现钢板网与架体固定。 (3) 在地面先行将拐角护网框架焊接连接, 将活动网片插入拐角护网框架内, 整体吊装拐角护网至架体角部。先将拐角护网框架横杆与常规护网边侧立杆焊接, 后通过辅助横杆将拐角护网边侧立杆与常规护网边侧立杆焊接加固。一个角部2块拐角护网形成一个封闭阴角。
11) 安装模板 (1) 墙体模板一次拼装成型后安装于爬模体系上。墙体钢筋绑扎完毕后, 吊装模板。对于墙体外模板, 将铝合金模板下第2道背楞落在爬模架模板支撑架下背楞上, 每个机位通过3道模板钩将模板支撑架立柱与铝合金模板横背楞拉结, 实现铝合金模板与架体固定, 墙体模板随爬模体系的升降一同升降;对于墙体内侧模板, 模板体系顶板设置承力梁, 承力梁设置吊钩, 通过倒链吊于手动葫芦上, 手动葫芦挂在内侧爬模架钢梁上;门洞口侧边铝合金模板通过吊钩吊至爬模上, 随爬模一同爬升。 (2) 梁、楼面板模板均采用整体安装, 铝合金模板支撑系统采用快拆施工工艺, 梁、板模板及其支撑材料的上、下层转运通过人工传递的方式完成。
12) 结构施工过程中, 留置2组爬模提升混凝土同条件养护试块。经试验混凝土强度达15MPa时, 由生产部门开具爬升通知单, 爬模架技术指导与项目部安全员共同对架体系统 (包括架体上的杂物、各连接部位的连接及液压控制系统等) 进行检查并填写爬升前检查记录表, 清理架体杂物, 符合要求后方可爬升。爬升时项目部在现场相应楼层准备临时电箱。
13) 核心筒内外水平结构处理 核心筒外框架水平结构为钢筋桁架楼承板, 楼承板本身自带钢筋桁架, 需要另外绑扎的钢筋量较少, 采用在墙体内预埋钢筋的方式施工;核心筒内疏散楼梯筒内水平结构滞后、竖向结构较多, 采取垂直立体分段的方式施工, 其水平楼板钢筋采取预埋钢筋措施, 梁钢筋采用预留钢筋套筒的方式施工。
14) 核心筒结构采用水平与竖向结构同步施工的方法在混凝土浇筑中应先浇筑竖向构件, 后浇筑水平构件。竖向结构浇筑中采用分层浇筑, 所有柱及剪力墙需分2～3次、相隔4h, 确保每次浇筑≤2m, 并振捣均匀;水平结构混凝土浇筑应从中间向四周扩散浇筑, 防止铝合金模板产生整体移位, 并应保证下料均匀, 不可局部一次性下料过厚;垂直混凝土泵管不能和铝合金模板硬性接触。必须在工作面以下2层固定泵管, 楼面上的泵管需采用胶垫防振。
15) 混凝土浇筑、竖向与水平向转换混凝土强度等级提前计算各层竖向与水平向混凝土需求量, 主要为核心筒竖向及水平向混凝土用量;浇筑水平结构时, 保证集料斗 (所用料斗容积为0.7m3) 内的混凝土可填满泵管 (浇筑7层时, 集料斗内混凝土为1/2料斗) , 底下看料人向顶部放料人确认是否已开始浇筑板混凝土, 竖向结构高强度等级混凝土可比计算量多5%～10%, 且浇筑层每升高1层时, 需保证料斗内混凝土量较上层增加1/40料斗。
16) 液压爬模爬升前, 需将布料杆吊至液压爬模非爬升部位的水平结构。
17) 核心筒水平结构混凝土同条件试块强度达50%后即可拆除模板, 仅保留铝合金模板快拆接头及支撑体系。
5 实施效果
1) 采用上述一体化施工技术, 使核心筒结构施工简单化、标准化和程序化, 避免后甩施工工序, 减少工序穿插, 节约后补水平结构的时间与成本投入。特别是水平结构模板利用爬模平台采用人工倒运, 减少后续按照常规施工所需的大量反复装拆、调运和更换所带来的时间损耗与成本损失, 并使塔式起重机有更多时间进行钢筋和其他周转材料的运输, 大大提高施工工效, 保证单层施工工期为4.5d (钢筋绑扎1.5d→爬模爬升准备0.5d→爬模爬升0.5d→模板支设1.5d→混凝土浇筑0.5d, 其中水平结构模板支设、钢筋绑扎与竖向结构钢筋绑扎同步进行) 。
2) 采用爬模+铝合金模板一体化快拆体系, 拆模后混凝土表面平整光洁, 基本可达饰面及清水混凝土的观感效果。
3) 铝合金模板强度高于钢模板, 且质量与钢模板相比大大减小, 有利于工人现场施工操作, 同时, 也减少爬模架体负重, 增大安全系数。
4) 铝合金模板系统全部配件均可重复使用, 施工拆模后, 现场无任何垃圾, 有利于现场文明施工。同时, 铝合金模板系统所有材料均为可再生材料, 契合国家“四节一环保”的绿色理念。
5) 核心筒爬模+铝合金模板一体化快拆体系较传统爬模带钢模体系节约成本25.39万元, 如表3所示。
6 结语
核心筒结构施工采用爬模带铝合金模板一体化快拆体系, 使核心筒各层墙体与其顶部水平结构同步施工, 操作方便, 减少工序穿插, 节约后补水平结构的时间与成本投入;其面板采用的铝合金模板整体由单元板块拼装而成, 单元板块体积小、质量小、拼装简单, 完全由人工拼装, 无须任何机械设备协助, 且可根据不同项目更换少量不同规格板材拼装, 降低模板一次性费用投入, 也提高墙体混凝土施工质量及混凝土结构工艺水平;该体系中水平模板采用铝合金模板+快拆支撑体系, 能够在较低的混凝土强度 (达到设计的混凝土立方体抗压强度标准值的50%) 下拆除模板面板、保留支撑体系, 加快模板面板周转效率, 减少材料投入量, 且全部采用人工倒运, 最大限度地减少塔式起重机吊次, 缩短工期。
表3 经济分析对比
Table 3 Economic analysis and comparison
[2] 中国建筑科学研究院.混凝土结构设计规范:GB50010—2010 (2015年版) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2016.
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[5] 中国建筑股份有限公司.建筑施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2012.
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