兰州红楼时代广场位于兰州市南关十字东南角, 是兰州市标志性建筑物, 建筑面积13.7万m², 其中地上建筑面积11.4万m²。工程由主楼、裙楼组成, 地下3层, 地上主楼55层, 裙楼12层, 标准层高为3.8m/5.1m, 其中11, 26, 41层为避难层, 结构总高度266m, 主要作为酒店和办公场所。兰州红楼时代广场效果如图1所示。

地下室结构体系为钢骨混凝土结构。地上主楼结构体系为外围钢框架+核心筒钢骨混凝土, 在避难层位置设置环带桁架和伸臂桁架, 以提高核心筒和外围框架的整体抗侧能力。主楼平面尺寸为40.5m×40.5m, 核心筒平面尺寸为19.5m×19.5m。核心筒剪力墙外墙厚度从1 100mm至500mm共6种墙体厚度。钢结构总用钢量约2万t。工程抗震烈度为8度。

超高层塔式起重机的布置有4种方式:①布置在核心筒外的框架结构位置;②布置在核心筒筒体内;③布置在核心筒外侧筒体上;④塔式起重机直接设置在顶模钢平台上, 随顶模模架同步爬升。

1) 核心筒平面尺寸较小, 为19.5m×19.5m;内筒尺寸更小, 仅为2.45m×2.75m。

2) 外围框架有32根钢柱, 核心筒体有23根钢柱、若干钢梁。大部分钢柱分段采用2层1段, 个别柱1层1段, 将大量钢柱每段质量控制在9~13t, 其他少量钢柱每段质量控制在9t以内, 使塔式起重机布置更经济。

3) 北侧室外场地较开阔, 南侧靠近道路, 没有空间, 南侧的材料只能靠北侧塔式起重机或地面汽车式起重机或履带式起重机倒运进场。

由于结构高度达到266m, 如果采用附墙安装方式, 则塔式起重机无法满足安装高度的要求, 因此不能采用第1种方式。

核心筒体外框尺寸为19.5m×19.5m, 拟采用的动臂塔式起重机的平衡臂长度为9.4m, 如采用座梁内爬式安装, 为避免2台塔式起重机后臂产生碰头现象, 塔式起重机必须高低错落布置;另外, 核心筒的电梯井筒尺寸仅为2.45m×2.75m, 且设计单位不同意核心筒内部剪力墙后做, 塔式起重机标准节的长度和宽度均达到2.5m, 无法在电梯井筒内安装。因此, 无法采用第2种方式, 塔式起重机只能布置在核心筒外侧筒体上。

根据结构高度、建筑平面、钢柱分段、单件质量、吊装距离、场地条件以及工程要求等特点, 决定采用1台中联重科L630-50动臂式塔式起重机, 1台中联重科TCR6055-32动臂式塔式起重机, L630-50起重机和TCR6055-32起重机额定起重力矩均达到6 300k N·m, L630-50起重机最大起重量达到50t, TCR6055-32起重机最大起重量达到32t, 2台塔式起重机均布置在核心筒外侧筒体上, 如图2所示, L630-50起重机布置在核心筒北侧筒体上, TCR6055-32起重机布置在核心筒南侧筒体上, L630-50起重机除了负责常规的吊装任务, 还负责到场钢构件的卸车并将部分钢构件转运到南侧TCR6055-32起重机处。根据内筒外框的钢构件数量、分段质量与工程特点, 此布置可满足工程需要。

塔式起重机布置在核心筒外侧筒体上, 吊装半径与能力适中, 可同步爬升, 节拍整齐, 不占用爬模平台堆场位置, 不影响正式电梯的安装。但塔式起重机钢结构支撑对核心筒筒体的结构要求高, 钢结构支撑施工与塔式起重机顶升难度较大。

塔式起重机安装在核心筒剪力墙外侧, 对钢结构支撑系统的要求高。既要保证支撑系统承载力要求, 又要满足支撑系统与主体结构的可靠连接, 并要确保塔式起重机顺利爬升, 同时还要考虑拆装方便并确保安全。

2台塔式起重机对称布置在南北两侧核心筒剪力墙上, 核心筒体对称受力。考虑便于搭拆钢结构支撑, 选择在电梯前室门洞处设置外挂塔式起重机钢结构支撑。钢支撑的横梁与斜撑应有可靠附墙点, 因此将其设置在钢柱梁节点处。核心筒剪力墙外墙最薄处厚度为500mm, 混凝土强度等级最低为C40, 经计算满足承载力要求, 如不能满足承载力要求则必须进行加固。

主楼2台塔式起重机允许安装总高度均为57m, 上下两个钢结构支撑架间的距离为17.5m, 自由端高度39.5m, 塔式起重机高低错布, 北高南低, 有效解决起重机顶升时专业技术人员集中作业的问题, 消除塔式起重机集中顶升所占用的主线工期。塔式起重机位置的设置要确保模架有足够空间, 能合模、退模与爬升, 并且要考虑塔式起重机的最大水平变形对模架体系的影响, 本工程塔式起重机标准节与模架体系的水平距离确定为750mm。

塔式起重机爬升1次, 爬模爬升4次, 核心筒每上升4层, 塔式起重机必须爬升1次。施工至266m结构封顶, 共需爬升14次。经多次测算, 塔式起重机爬升和爬模爬升符合钢结构的吊装要求。本工程安装的2款动臂式塔式起重机总高度偏小, 每次塔式起重机爬升后各工序可正常开展, 但爬模爬升到第4次后爬模与塔式起重机间的有效距离偏小, 对各工序的施工有一定影响, 因此在塔式起重机选择上尽可能选择塔式起重机总高度达到62m甚至64m的动臂式塔式起重机。

地下室阶段布置1台TCT7015-10E和1台L630-50起重机。地上施工阶段裙房布置1台TCT7015-10E起重机, 主楼1台L630-50和1台TCR6055-32起重机。从地下室转到上部结构施工时, 对塔式起重机进行转换。裙房位置布置的TCT7015-10E起重机不做调整, 将地下室落地安装的L630-50起重机安装到核心筒筒体外侧墙体上, 并重新安装1台TCR6055-32起重机。转换施工时, 用原来落地安装于地下室的L630-50起重机安装TCR6055-32起重机, 将其外挂于核心筒筒体上;TCR6055-32起重机安装完毕后, 用TCR6055-32起重机将原L630-50起重机移位, 从落地安装改为外挂于核心筒筒体上, 图3为塔式起重机转换前后的情况。2台塔式起重机的钢结构支撑最早分别安装在地下3层与地上2层的核心筒外侧筒体上, 塔式起重机从地下室开始向上爬升作业。

对兰州红楼时代广场的结构高度、核心筒结构体系、层高变化、墙体厚度变化以及工期要求等特点进行分析确定模架体系。

1) 建筑高度为266m, 高度在300m以内, 工期要求正常, 从结构高度与工期方面来分析, 采用爬模体系经济性更好。

2) 核心筒为钢骨混凝土结构, 采用钢骨柱+钢骨梁+钢筋混凝土结构, 采用爬模体系能满足施工需要, 经济性更好。如果核心筒采用钢板墙+钢筋混凝土的钢骨混凝土结构, 则更合适采用顶模体系, 顶模架体可跨越3个标准层, 满足不同工序的交叉施工, 实现分段流水施工。

3) 标准层高有3 800, 5 100mm 2种, 层高变化较大。核心筒剪力墙共有6种墙体厚度, 变化较多, 适合采用爬模体系。

通过上述分析, 确定在兰州红楼时代广场施工中采用爬模体系 (见图4) 。

核心筒外墙均为直墙段, 墙体处采用木工字梁模板, 外侧爬模架体选用承载能力及抗风较强的ZPM-100体系。内筒电梯井筒截面尺寸较小, 为满足架体以及模板退模的空间需求, 爬模架体选用ZPM-100系列的立柱式爬模架体, 模板采用钢模板体系。

工程共布置41个机位, 每个机位设置一套液压油缸, 共计21套液压系统和20套动力单元系统;2套泵站 (每套泵站最多可同时带动11套液压油缸) 和10套配电箱。其中核心筒外侧采用21套液压系统和2套泵站;内筒采用20套动力单元系统和10套配电箱, 每个内筒配置1个配电箱。

爬模预埋件的第1个预埋点设置在1层墙体内, 1层混凝土浇筑完毕后开始安装液压自爬模, 2层混凝土浇筑完毕并拆除模板后方可提升架体开始爬升。爬模在1层进行拼模, 2层开始爬升, 模板散件堆放在地下室顶板上, 在顶板进行模板拼装并通过塔式起重机运输安装到1层核心筒体上, 安全快捷、施工精确, 从2层即开始爬升可充分运用爬模优势。

本工程混凝土总量约85 000m³, 地上1~10层混凝土用量约16 000m³, 11层至救援平台层顶混凝土用量约40 000m³。主楼区域每层混凝土用量约1 000m³, 分3次施工, 首先施工核心筒竖向墙体混凝土, 其次施工外围框架柱内混凝土, 最后同时施工核心筒水平结构与外围框架结构自承式楼板的混凝土。核心筒和钢筋桁架自承式楼板采用混凝土泵送技术, 箱形柱内灌混凝土采用塔式起重机吊运, 混凝土设计强度等级为C30~C60。

塔楼结构混凝土采用一泵到顶的施工技术, 泵送高度按278m计算 (加上布料机高度和室内外高差) 。内筒墙体施工和外框楼承板分为2个施工段, 按最长路径配管。根据现场情况, 泵车出口布置一段45m长的水平管并设置3个90°弯管;在高度119.850m的26层布置了一段9m长水平管, 设置4个90°弯管, 然后泵管一路向上, 到施工层通过2个90°弯管与布料杆连接。垂直管按278m计算, 并加1个软管, 其余按常规配置。经过计算采用内径125mm、壁厚11mm的超高压混凝土输送管, 可保障管道的抗爆能力, 满足工程泵送要求。

采用1套水平管和2套垂直立管的布管方案, 核心筒结构的混凝土采用布料机施工, 钢筋桁架自承式楼板的混凝土采用泵管端部接软管施工。根据混凝土浇筑方案设置弯管和软管, 尽可能缩短管线长度。为了减少泵管内混凝土的反压力, 在泵车出口处布置一段45m长的水平管及若干弯管, 同时由于混凝土泵车前端输送管的压力最大, 堵管和爆管经常发生在管道的初段, 特别是水平管与垂直管相连接的弯管处, 因此在泵车出口部位和垂直管的最前段各安装1套液压截止阀。地面水平泵管固定在预置混凝土墩上, 间距为3m, 确保每根管道均由2个支座固定。

垂直立管沿楼面预先留设的泵管洞口向上铺设, 泵管预留洞口尺寸300mm×300mm, 洞口加强钢筋参照结构图纸总说明进行加强。竖管采用200mm×200mm×12mm钢板预埋件与核心筒内墙专用卡箍连接。由于泵送最高高度266m, 而泵送压力按278m计算, 因此26层 (119.750m) 的位置布置一段9m长的水平缓冲管, 起到泵送缓冲的作用。

根据核心筒结构的平面尺寸和爬模架体的受力特点选择布料机。因核心筒中部爬模架体的尺寸偏小, 混凝土布料机支腿跨距较大, 无法在爬模架体上正常安装布料机。通过对布料杆的支腿进行改装, 将支腿跨距4 900mm×4 900mm更改为3 000mm×3 000mm, 为保证布料杆的稳定性, 将支腿更改为垂直支腿 (见图5) 。将该部位的爬模架体加强处理后, 将布料机支腿与爬模架体上的钢梁进行焊接, 布料机直接安装在爬模体系上, 随爬模体系同步爬升。

本工程则采用特殊加工的混凝土吊斗进行施工, 混凝土用量达到4.5m³/斗, 1斗即可满足1根钢柱的混凝土用量, 确保2d完成1层钢管混凝土的施工。

根据工程特点, 施工电梯采用核心筒内外同时布置的方式, 并尽量减少对后续工序的影响, 施工电梯采用“1+2+1”的方式布置, 即在核心筒内布置1台单笼中速施工电梯, 核心筒外布置2台双笼中速施工电梯, 裙房布置1台双笼普通施工电梯。根据有关数据统计, 采用中高速施工电梯时每个梯笼的服务面积在20 000~30 000m², 可满足垂直运输需要。

在核心筒体N4筒内布置1台SC200单笼中速变频施工电梯, 主要运送施工人员, 施工人员通过施工电梯到达爬模下挂塔梯, 然后通过下挂塔梯到达作业层, 下挂塔梯下挂总高度为20m, 以减少施工电梯的安装提升次数。

在主楼外框架南侧设置1台型号为SC200/200的双笼中速 (变频) 施工电梯, 安装高度可到达主楼屋面;主楼东侧设置1台型号为SC200/200的双笼中速 (变频) 施工电梯, 安装高度为200m, 可到达46层;主楼北侧设置1台型号为SC200/200的双笼普通施工电梯, 安装高度到达裙房屋面即可, 主要用于裙房人员、材料的运输。主楼核心筒外的2台双笼施工电梯与外围框架钢柱进行抱接。施工升降机额定起升速度变频控制为0~63m/min, 最大提升高度为450m, 满足工程需要。

施工电梯布置时考虑到地下室顶板作为电梯基础, 承载力不足, 采用将施工电梯标准节加固延伸到地下室底板的方法, 导轨下方设置36mm厚800mm×800mm钢板, 将电梯标准节支架与下部加固支架进行焊接连接, 形成整体, 其位置避开了功能房间, 以避免影响功能房间的封闭与系统调试及验收。加固钢架在地下室各楼层所开的小洞口采用灌浆封堵。

根据超高层建筑的结构体系和建筑高度等特点, 通常采用不等高同步攀升施工技术。内筒结构的施工领先于外框结构, 形成内筒外框不等高同步攀升施工的工况。由于建筑高度超高且吊装单元较重, 一般采用动臂式塔式起重机解决主要构件的吊装问题;核心筒采用爬模或顶模系统;外围框架与核心筒体有很大高差, 为解决核心筒内人员上下问题, 在核心筒内安装人货两用电梯, 其他电梯安装在外框部位。

在核心筒外墙设置了2台大型动臂式塔式起重机, 人员通过核心筒内1台电梯上下。核心筒领先外框6~8层;钢柱领先钢梁2层, 钢梁领先压型钢板3层;压型钢板领先外框水平楼板3层。爬模6d顶升1次, 每升4次, 塔式起重机爬升1次。桁架层25d施工1层。外框架的钢柱安装焊接2d完成1层, 钢管混凝土施工2d完成1层。

内筒与外框水平结构的混凝土同时施工, 有利于提高内筒与外框水平结构的整体性, 并且有利于内筒结构的测量放线与混凝土泵管拆装, 提高工效, 降低成本。

随着结构的不断增高, 超高层核心筒结构与外围框架结构的变形不断增大, 变形绝对值较大, 而且混凝土结构和钢结构之间的变形并不同步, 如何协调结构之间的变形差异, 确保施工阶段的结构变形不至于影响结构的安全和工程竣工后的使用功能, 是超高层工程施工的一个重点。

通过施工过程仿真模拟计算, 本工程钢结构在施工过程中结构位移均处于34.6mm以内, 构件最大应力比为0.608 (钢梁及支撑最大应力比0.608, 钢管混凝土柱最大应力比0.262) , 各构件最大应力比均在允许范围之内, 且绝大部分构件位移和应力比较小。因此, 在施工过程中结构安全合理, 并通过采取以下施工技术措施可进一步确保结构安全。

1) 通过控制内筒和外框的施工时间差来调整。

2) 施工过程中, 对26层与41层加强层伸臂桁架的腹杆采用销轴临时固定, 形成能够转动的机构, 待主体结构封顶, 沉降稳定后, 将加强层伸臂桁架腹杆最终固定, 图6为加强层的结构三维图。

3) 调整钢柱长度, 进行补偿, 1个区补偿1次。地上部分竖向共分为5个施工区, 分别为1~5层, 5~11层, 11~26层, 26~41层, 41至顶层, 每个区的最上一层钢柱根据结构变形进行长度补偿。

4) 在应力比较大的位置设置应力监测点, 在施工过程中随时进行跟踪测量, 保障结构安全。

兰州红楼时代广场根据工程特点和施工要求采用了以下超高层关键施工技术。

1) 采用2台动臂式塔式起重机, 采用内爬外挂式安装, 充分发挥了动臂式塔式起重机性能, 解决了钢构件等主要材料吊装问题。

2) 核心筒施工采用爬模体系, 内外全爬, 将混凝土布料机直接安装在爬模体系上, 布料机随爬模体系同步爬升。

3) 核心筒内布置1部单笼施工电梯到达爬模下挂塔梯, 有效解决人员上下问题;外框布置2部双笼施工电梯, 主要解决材料运输与外框人员上下问题。

4) 采用超高层混凝土泵送施工技术, 解决混凝土运输难题。

5) 采用不等高同步攀升施工技术, 满足了超高层工程立体交叉作业的需要, 使各区域不同高度的施工工序同步展开, 同步攀升, 保持相对稳定的施工节奏, 提高了施工工效, 加快了施工进度。

6) 通过施工过程仿真模拟计算并采取内外结构变形差控制技术, 有效控制了内筒结构与外框结构的变形沉降差。