超高層建筑樓層內(nèi)混凝土布料裝備研究

(1.上海建工集團股份有限公司，上海 200080；

2.上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201114)

1 超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑特點

在目前的超高層建筑中，鋼筋混凝土核心筒加外圍鋼結(jié)構(gòu)或外圍混合結(jié)構(gòu)成為了超高層建筑的基本形式。在核心筒施工中，一般采用在整體提升鋼平臺上安裝布料機來進行混凝土澆筑，布料機隨著鋼平臺的提升而提升。在外圍施工中，出于安全性考慮，一般是鋼結(jié)構(gòu)吊裝完成后鋪設(shè)該層的壓型鋼板組合樓板然后再吊裝上一層的鋼結(jié)構(gòu)。外圍鋼結(jié)構(gòu)吊裝往往要滯后于核心筒施工8～10層，外圍鋼結(jié)構(gòu)樓層面的混凝土澆筑施工要滯后于外圍鋼結(jié)構(gòu)吊裝4～6層，這樣就導致了鋼平臺上的布料機無法在外圍鋼結(jié)構(gòu)樓層面施工中應(yīng)用。由于上述施工均已完成，導致了樓層面混凝土澆筑時有諸多限制，市面上沒有合適的布料裝備來進行布料。

目前，該工況大多采用“退管法”進行混凝土澆筑，即先從距垂直爬升管較遠處開始澆筑，通過拆管邊退邊泵，最后進行距爬升管較近處的混凝土澆筑。此方法進行混凝土澆筑時只能沿著泵管布置方向一條直線進行澆筑，需要人工將混凝土扒至泵管無法澆筑的地方，存在泵管鋪設(shè)時間長、施工效率低、勞動強度大和污染施工環(huán)境等諸多問題，無法滿足現(xiàn)代施工的要求。建筑施工工藝工序和樓層層高決定了新型布料裝備需滿足以下幾點要求。

1）臂架展開滿足空間要求 由于上下都已鋪設(shè)壓型鋼板組合樓板，一般樓層凈高4m左右，這就要求臂架能在4m凈高內(nèi)的空間中展開工作。

2）上下樓及樓層間的轉(zhuǎn)場方便 上下都已鋪設(shè)壓型鋼板組合樓板，不適合頻繁利用塔機進行轉(zhuǎn)場；樓層分布在核心筒四周，在樓層間要做到布料全覆蓋需布置多臺設(shè)備或設(shè)備可移動。

3）安裝位置的要求 只能安裝在核心筒四周或鋼結(jié)構(gòu)大梁及立柱上。

2 常規(guī)混凝土布料機

混凝土布料機是泵送混凝土的末端設(shè)備，其作用是將泵送來的混凝土通過管道送到要澆筑構(gòu)件的模板內(nèi)，它普遍應(yīng)用于高層建筑及大型建筑的混凝土澆筑施工。按安裝形式可分為：樓面內(nèi)爬式、電梯井內(nèi)爬式、塔式、船載式、移動式和專用式；接臂架形式分為R式、Z式及RZ式。其可通過多節(jié)折疊臂的俯仰及展折變幅來改變布料半徑，布料半徑從12～45m不等，通過回轉(zhuǎn)支承進行360°回轉(zhuǎn)實現(xiàn)水平方向運動，兩種運動結(jié)合可在臂架長度范圍內(nèi)實現(xiàn)三維立體空間的全方位澆注，無澆注死角，能方便地實現(xiàn)墻體、管、柱、樁等各種混凝土澆注作業(yè)，如圖1所示。

3 適用于樓層內(nèi)的混凝土布料裝備

針對超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑特點，結(jié)合施工工藝，本文提出了以下3種適用于超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑布料裝備。

圖1 常規(guī)混凝土布料機

3.1 核心筒外爬式布料機

本方案（圖2）采用了核心筒墻體外爬式的安裝方式，臂架形式上采用了3節(jié)臂水平回轉(zhuǎn)展開形式，包括附墻裝置、爬升導軌、液壓爬升機構(gòu)、臂架一、臂架二和臂架三。附墻裝置由預(yù)埋螺桿、錐形預(yù)埋螺母、附墻支座、附墻靴、附墻靴插銷、爬升承重插板和鎖緊螺母組成，主要用作布料機在核心筒墻體外固定支點，其可在排方案時考慮與液壓爬模系統(tǒng)共用部分附墻裝置。液壓爬升機構(gòu)采用與液壓爬模系統(tǒng)相似的爬升機構(gòu)，通過液壓缸、防墜裝置、調(diào)向裝置及爬升架實現(xiàn)豎直方向上的自我爬升，在爬升到位后采用受力體系轉(zhuǎn)換機構(gòu)，將爬升平臺與附墻裝置完全固定。3組臂架均由鋼索、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)桁架、桁架臂、泵管、抱箍組成。臂架一通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在爬升平臺上，上部通過鋼索與爬升平臺相連；臂架二下部通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在臂架一上，上部通過鋼索與回轉(zhuǎn)桁架相連；臂架三下部通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在臂架二上，上部通過鋼索與臂架二相連；3節(jié)臂架均可通過回轉(zhuǎn)支承做水平方向旋轉(zhuǎn)運動。

圖2 核心筒外爬式布料機主要機構(gòu)

此方案通過爬升導軌和液壓爬升機構(gòu)來實現(xiàn)豎直方向的爬升，通過3個回轉(zhuǎn)支承來實現(xiàn)臂架的旋轉(zhuǎn)，通過3節(jié)臂架的不同角度來實現(xiàn)布料點的變動。由于臂架是水平旋轉(zhuǎn)展開的，避免了樓層內(nèi)的層高對展開空間的限制，在樓層內(nèi)可方便實現(xiàn)展開和收縮動作，滿足了爬升和作業(yè)時的工況要求。布料機在施工作業(yè)期間只需進行豎向混凝土泵送輸入管的拆接，其它都可利用自身進行自動化操作，降低了工人的勞動強度，提升了混凝土澆筑的施工效率，提高了混凝土布料施工質(zhì)量，降低了施工成本。但此方案也存在以下缺點：一棟建筑內(nèi)需布置多臺設(shè)備（圖3），增加了設(shè)備投入成本；在壓型鋼板組合樓板鋪設(shè)時需預(yù)留爬升孔，爬升后需補上，增加了施工工序等。

圖3 核心筒外爬式布料機布置圖

采用核心筒外爬式布料機樓層內(nèi)澆筑混凝土施工方法如下。

1）根據(jù)核心筒及樓層大小形狀合理確定布料機的位置及數(shù)量，在施工時預(yù)埋附墻螺栓并留出布料機爬升時所需的爬升孔。

2）利用現(xiàn)場塔機將布料機的各個部件吊裝至第N層并現(xiàn)場裝配。

3）裝配完成后爬升至第N+1層。

4）將豎向混凝土泵送管與布料機泵管連接。

5）在第N+1層內(nèi)利用3節(jié)臂架的不同角度旋轉(zhuǎn)進行混凝土布料。

6）在布料完成后收縮3節(jié)臂架并垂直于安裝面鎖定，進入爬升狀態(tài)（圖4）。

7）拆除豎向混凝土泵送管與布料機泵管連接。

8）利用自身液壓爬升機構(gòu)實現(xiàn)布料機的整體爬升一層樓面至第N+2層。

9）將豎向混凝土泵送管與布料機泵管連接。

10）將第N+1層預(yù)留的爬升孔補上并澆灌混凝土。

11）在第N+2層內(nèi)利用三節(jié)臂架的不同角度旋轉(zhuǎn)進行混凝土布料。

12）重復6～11步驟直至整體施工完成。

13）利用塔機進行布料機拆除。

圖4 核心筒外爬式布料機爬升示意圖

3.2 軌道自行式布料機

本方案（圖5）采用了軌道自行式的安裝方式，臂架形式上采用了兩節(jié)臂水平回轉(zhuǎn)展開形式，包括泵管隨動裝置、行走軌道、行走裝置、臂架一和臂架二。泵管隨動裝置由固定泵管、管箍、彎管、可轉(zhuǎn)動管箍、旋轉(zhuǎn)泵管一、滾輪支撐和旋轉(zhuǎn)泵管二組成；通過滾輪支撐在壓型鋼板組合樓板上的支撐可以帶動泵管跟隨布料機運動而運動。行走軌道由工字鋼軌道、橫梁、安裝座組成，其中安裝座安裝在建筑主體的大梁處并與需澆筑的混凝土等高，在混凝土澆筑完畢后預(yù)埋在混凝土內(nèi)部不予回收利用。行走裝置由滾輪組、驅(qū)動裝置、鎖緊裝置、行走平臺組成；通過驅(qū)動裝置可驅(qū)動行走裝置在行走軌道上運動，在到達布料位置時，可通過鎖緊裝置將行走裝置與行走軌道鎖定后開始布料。臂架由回轉(zhuǎn)支承、桁架臂、泵管、抱箍等組成；臂架一通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在行走平臺上；臂架二下部通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在臂架一上，上部通過鋼索二與桁架臂一相連；兩節(jié)臂架均可通過回轉(zhuǎn)支承做水平方向旋轉(zhuǎn)運動。臂架一為短臂架，臂架二為長臂架，布料機在行走時將臂架折疊固定，這樣就保證了行走時重心位置更接近行走裝置的中心，減輕了傾翻力矩。

圖5 軌道自行式布料機主要機構(gòu)

本方案通過行走軌道和行走裝置來實現(xiàn)水平方向的移動，通過兩個回轉(zhuǎn)支承來實現(xiàn)臂架的旋轉(zhuǎn)，通過二節(jié)臂架的不同角度來實現(xiàn)布料點的變動。由于臂架是水平旋轉(zhuǎn)展開的，避免了樓層內(nèi)的層高對展開空間的限制，在樓層內(nèi)可方便實現(xiàn)展開和收縮動作，滿足了作業(yè)時的工況要求。泵管隨動裝置可通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)泵管一和旋轉(zhuǎn)泵管二之間的夾角來適應(yīng)行走平臺和固定泵管之間的距離變化，做到了輸入泵管的免拆除。布料機在一層樓層施工作業(yè)期間只需進行兩至三次輸入泵管的拆接，其它都可利用自身進行自動化操作，降低了工人的勞動強度，提升了混凝土澆筑的施工效率。但此方案也存在以下缺點：新增了軌道安裝拆除的工作量；布料機上下樓時需吊裝，占用了卸料平臺及塔機等。

采用軌道自行式布料機樓層內(nèi)澆筑混凝土施工方法如下。

1）根據(jù)核心筒及樓層大小形狀合理確定行走軌道的的位置。

2）利用現(xiàn)場塔機將各節(jié)導軌吊裝至第N層并現(xiàn)場安裝。

3）利用現(xiàn)場塔機將布料機的各個部件吊裝至第N層并現(xiàn)場裝配。

4）利用現(xiàn)場塔機將另一組導軌吊裝至第N+1層并現(xiàn)場安裝（另一組人員同步作業(yè)）。

5）將豎向混凝土泵送管與泵管隨動裝置泵管連接。

6）在第N層內(nèi)沿著導軌行走并利用二節(jié)臂架的不同角度旋轉(zhuǎn)進行混凝土布料。

7）拆除豎向混凝土泵送管與泵管隨動裝置泵管連接。

8）利用現(xiàn)場塔機將布料機的各個部件吊裝至第N+1層并現(xiàn)場裝配。

9）拆除第N層導軌并利用現(xiàn)場塔機吊裝至第N+2層進行現(xiàn)場安裝（另一組人員同步作業(yè)）。

10）將豎向混凝土泵送管與泵管隨動裝置泵管連接。

11）在第N+1層內(nèi)沿著導軌行走并利用二節(jié)臂架的不同角度旋轉(zhuǎn)進行混凝土布料。

12）重復7～11步驟直至整體施工完成。

3.3 履帶式布料機

本方案（圖6）采用了履帶式底盤自由行走方式，臂架形式上采用了單節(jié)臂水平回轉(zhuǎn)形式，包括泵管隨動裝置、履帶底盤、臂架。泵管隨動裝置由固定泵管、管箍、彎管、可轉(zhuǎn)動管箍、旋轉(zhuǎn)泵管一、滾輪支撐、旋轉(zhuǎn)泵管二組成；通過滾輪支撐在壓型鋼板組合樓板上的支撐可以帶動泵管跟隨布料機運動而運動。履帶底盤采用定制的輕量化底盤加橡膠履帶組合，在滿足工況要求的情況下使其對壓型鋼板組合樓板的壓力最小。臂架由回轉(zhuǎn)支承、矩形臂、泵管、抱箍等組成，通過回轉(zhuǎn)支承旋轉(zhuǎn)固定在履帶底盤上。

圖6 履帶式布料機主要機構(gòu)

本方案通過履帶底盤的行走及臂架的回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)布料點的變動。履帶底盤及臂架組成一臺可自由移動式小型布料機，在樓層內(nèi)可自由移動布料，滿足了作業(yè)時的工況要求。泵管隨動裝置可通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)泵管一和旋轉(zhuǎn)泵管二之間的夾角來適應(yīng)行走平臺和固定泵管之間的距離變化，做到了輸入泵管的免拆除。布料機在一層樓層施工作業(yè)期間只需進行2～3次輸入泵管的拆接，其它都可利用自身進行自動化操作，降低了工人的勞動強度，提升了混凝土澆筑的施工效率。但此方案也存在以下缺點：履帶底盤在壓型鋼板組合樓板上行走會對已鋪設(shè)好的鋼筋桁架有輕微影響。

采用履帶式布料機樓層內(nèi)澆筑混凝土施工方法如下。

1）根據(jù)核心筒及樓層大小形狀，合理確定固定泵管的出口位置及泵管隨動裝置的旋轉(zhuǎn)布料管一、旋轉(zhuǎn)布料管二的長度。

2）根據(jù)確定的方案由標準泵管、管箍、彎管、可轉(zhuǎn)動管箍、滾輪支撐在所需澆筑樓層內(nèi)組裝泵管隨動裝置。

3）利用塔機將履帶底盤和臂架吊至所需澆筑樓層。

4）將泵管隨動裝置、履帶底盤及臂架按要求拼裝，并將其中的泵管通過可轉(zhuǎn)動管箍連接成同一管路。

5）通過履帶底盤在壓型鋼板組合樓板上行走及臂架旋轉(zhuǎn)布料澆筑。

6）澆筑完成后將泵管隨動裝置、履帶行走裝置及臂架拆除。

7）重復2～6步驟直至整體施工完成。

4 結(jié) 語

上述3種方案初步實現(xiàn)了超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑機械布料的功能，但在施工工藝工序及設(shè)備上仍然存在諸多需進一步深入研究改進的地方。隨著人力資源成本及施工質(zhì)量要求的不斷提升，自動化、機械化是必然的發(fā)展趨勢，如何更快捷方便、高效安全、節(jié)能環(huán)保地實現(xiàn)超高層建筑樓層內(nèi)混凝土澆筑布料還值得進一步深入研究。

[參考文獻]

[1]劉佩衡.高層建筑施工中混凝土布料桿的應(yīng)用和選擇方法[J].建筑技術(shù)，2001，32(1)：46-48.