超高層建筑大型機電設備人字桅桿的吊裝

裘 磊

上海建工房產(chǎn)有限公司 上海 200080

現(xiàn)階段，隨著城市中心區(qū)土地資源越來越稀缺，城市建筑空間越來越向超高、超深方向發(fā)展。因此，城市建設中出現(xiàn)了越來越多的高層、超高層建筑。在高層、超高層建筑中一般會根據(jù)功能分區(qū)在不同的高度設置設備層[1]，由于設備層中涉及大型機電設備安裝，如何解決中心城區(qū)超高層建筑高層設備層大型機電設備高效、安全吊裝[2]，如何在中心城區(qū)狹小作業(yè)空間制約下選擇技術可行性高、經(jīng)濟性好的吊裝方法[3-4]，成為超高層大型機電設備吊裝亟待解決的難題。

1 工程概況

蘇州恒業(yè)鉑金大廈位于蘇州市姑蘇區(qū)西環(huán)路、獅山路交叉路口，北鄰活絡浜河道、西鄰運河公園、東靠國際經(jīng)貿大廈、南連獅山橋。由塔樓（建筑高度162.75 m）和裙房（建筑高度23.45 m）2個部分組成，包含人防及非人防2個地下車庫，地下3層、地上38層，是集寫字樓、商住、休閑娛樂及購物中心于一體的超高層綜合性高端商務辦公樓。總用地面積16 841 m2，建筑面積113 498.89 m2。塔樓結構采用核心筒框架結構，裙樓采用鋼筋混凝土框架結構。

本項目30－38層中央空調主機為2臺風冷熱泵，單臺質量為7.5 t，外形尺寸為6 709 mm×2 242 mm×2 464 mm。塔樓標準層（38層）最大建筑高度為150 m，風冷熱泵機房位于38層之上，即塔樓最高處，機房及造型構筑物建筑高度為162.75 m。

2 設備吊裝施工難點

2.1 多工序交叉作業(yè)互相干擾

2臺風冷熱泵機組設備層上面還有2層框架層，當大樓建到設備層時，風冷熱泵機組吊裝作業(yè)需要在有限時間內完成，必然存在吊裝施工與結構、幕墻等專業(yè)工程之間交叉作業(yè)。

為此，在吊裝作業(yè)前必須根據(jù)吊裝作業(yè)環(huán)境選擇合理高效的吊裝工藝，同時制定嚴密的吊裝施工方案，協(xié)調好各個專業(yè)工程間施工工序的有效銜接，確保吊裝作業(yè)安全高效。

2.2 吊裝作業(yè)空間受限

主樓總高度161 m，設備層高度150 m，風冷熱泵機組吊裝具有設備質量重、吊裝高度高的特點。設備吊裝機械站位作業(yè)空間如圖1紅色區(qū)域所示，由于周邊環(huán)境受既有道路及建（構）筑物限制，吊裝作業(yè)施工場地狹小，且在緊鄰項目主樓、裙樓的地面施工通道可站位區(qū)域均為地下室頂板，無法滿足大噸位吊機所需的地面荷載要求。

圖1 現(xiàn)場可供吊裝設備站位位置示意

2.3 現(xiàn)有設備難以滿足吊裝需求

由于風冷熱泵外形尺寸大于電梯井及預留管道井尺寸的，如果利用井道進行吊裝，需要將風冷熱泵拆散吊裝，導致吊裝效率低、質量風險大。工程地上結構施工階段主樓和裙樓分別布設1臺工作半徑50 m的QTZ125塔吊和工作半徑35 m的QTZ80塔吊。經(jīng)現(xiàn)場核算，設備質量為7.5 t，在塔吊可允許的作業(yè)半徑內，現(xiàn)場塔吊無法完成設備整體吊裝（圖2）。

圖2 現(xiàn)場塔吊布設平面示意

因此，在考慮風冷熱泵機組整體吊裝的條件下存在設備荷載高、吊裝高度高、吊裝期間施工場地狹小、大吊裝設備作業(yè)場地承載力不足、現(xiàn)有吊裝設備無法利用等施工難點，傳統(tǒng)大噸位吊機受現(xiàn)場工況限制無法完成吊裝工作。

3 人字桅桿吊裝工藝

3.1 吊裝工藝選擇

超高層建筑大型機電設備吊裝方法主要有以下幾種：

1）利用電梯井及預留管道井作為運輸通道，在其內設置垂直機械提升裝置進行垂直吊裝。該方法受限于既有管道結構尺寸影響，大型機電設備可能需要進行拆解吊裝，待各個組件吊裝就位后再進行組裝，吊裝效率低、設備質量風險大。

2）利用超高層建筑結構施工所使用的附墻塔吊進行設備垂直吊裝，到達設備層時采用“奪吊法”使設備水平進入設備層?！皧Z吊法”的使用受設備層凈高限制，如設備層凈高與設備外形高度尺寸差異不大，“奪吊法”作業(yè)空間有限導致操作難度大、風險高；此外，“奪吊法”作業(yè)不符合塔吊安全作業(yè)規(guī)程要求，因此本項目中不宜采用。

3）人字桅桿吊裝方法特別適用于在傳統(tǒng)大噸位吊機無法應用的狹小場地中進行設備吊裝，近年來在超高層機電設備吊裝中得到了較大應用，有效克服了超高層機電設備吊裝面臨的共性制約因素，如現(xiàn)場吊裝作業(yè)空間受限，大部分設備受限于自身質量、外形尺寸限制不能整體吊裝，吊裝作業(yè)場地結構設計未考慮大型設備吊裝工況下受力需求。該方法在應用過程中，當?shù)跹b高度較高時，吊裝過程受天氣影響較大，當風力較大時設備水平位移大，吊裝風險高。

綜合分析以上3種吊裝方法的適用性和本項目吊裝施工的重、難點，從吊裝工藝技術可行性與經(jīng)濟性綜合考慮，最終選擇人字桅桿吊裝工藝。

3.2 吊裝工藝流程

綜合考慮吊裝設備作業(yè)空間、作業(yè)場地承載力等制約因素，制定了以人字桅桿吊裝體系為主的垂直吊裝方案，首先采用80 t汽車吊將熱泵機組吊裝到24 m高的裙房，再在主樓屋面搭設人字桅桿、卷揚機、滑車半機械吊裝體系，通過用人字桅桿角度調整及多臺卷揚機配合將2臺風冷熱泵機組安全地吊裝到位。

具體的工藝流程如下：施工準備→機具材料進場→用塔吊把人字桅桿及起重機具吊運至屋頂→桅桿拼接及豎立→卷揚機安裝就位→拉導向鋼絲繩，主吊滑車放下，變幅滑車調整→安全檢查→試吊→80 t汽車吊進場定位，設備車輛進場，吊機將設備吊到裙房上將設備拖運到桅桿底下→設備正式吊裝到樓層后水平移位及就位→桅桿拆除解體吊運到地面→吊裝結束機具出場。

3.3 人字桅桿吊裝結構體系受力分析

人字桅桿吊裝體系在實際應用過程中受側向風力影響較大，且吊裝高度越高影響越大。綜合考慮人字桅桿結構體系的穩(wěn)定性，主要由人字桅桿、卷揚機、滑車半機械吊裝體系、防旋轉裝置等組成。

人字桅桿結構體系吊裝最大受力工況為：吊裝半徑7 m、桅桿長度12 m、桅桿自重1.5 t、滑車組與桅桿夾角33°、桅桿與水平夾角55°、纜風繩與水平夾角11°、索具自重1 t、風冷熱泵機組質量7.5 t。

3.3.1 起重機具選擇

起吊滑車組選用H16×3D滑車1臺、H16×2D滑車1臺構成2-2滑車組，單頭引出繩，經(jīng)計算，經(jīng)2臺導向滑車去卷揚機拉力為2.99 t。提升串繞繩選用6×37＋FC-1770抗拉強度鋼絲繩。經(jīng)計算，鋼絲繩直徑為19.8 mm，圓整到標準規(guī)格，選用直徑20 mm的鋼絲繩。

桅桿上吊索受力為13.04 t，鋼絲繩連接滑車組選用6×37＋FC-1770抗拉強度鋼絲繩。經(jīng)計算，鋼絲繩直徑為29.93 mm，圓整到標準規(guī)格，選用直徑為30 mm的鋼絲繩。

桅桿下吊索繩為四分支，對角線為60°，經(jīng)計算，吊索繩每分支承受力為2.9 t。選用6×37＋FC-1770抗拉強度鋼絲繩。經(jīng)計算，鋼絲繩直徑為19.55 mm，圓整到標準規(guī)格，選用直徑為20 mm的鋼絲繩。

桅桿頂端纜風繩拉力為8.21 t，經(jīng)計算，纜風繩每分支承受力為4.72 t。選用6×37＋FC-1770抗拉強度鋼絲繩。經(jīng)計算，鋼絲繩直徑為24.9 mm，圓整到標準規(guī)格，選用直徑為26 mm的鋼絲繩。

桅桿纜風繩尾部鋼絲繩連接滑車組拉索繩為兩分支，對角線為44°，經(jīng)計算，吊索繩每分支承受力為4.42 t。選用6×37＋FC-1770抗拉強度鋼絲繩。經(jīng)計算，鋼絲繩直徑為28.1 mm，圓整到標準規(guī)格，選用直徑為28 mm的鋼絲繩。

變幅滑車組選用2只H10×4D滑車，構成4-4滑車組，引出繩經(jīng)過2臺導向滑車后引至卷揚機。經(jīng)計算，卷揚機拉力為1.322 t，因此選用2 t慢速卷揚機1臺。變幅串繞繩按6×37＋FC-1770抗拉強度計。經(jīng)計算，鋼絲繩直徑為13.77 mm，圓整到標準規(guī)格，選用直徑為14 mm的鋼絲繩。

3.3.2 人字桅桿受力分析

人字桅桿底部正向水平推力為4.717 t，因此每根桅桿腳用5 t手拉葫蘆鎖緊到墻上；人字桅桿底部側向水平推力為1.43 t，因此人字桅桿2根底部腳用2 t手拉葫蘆封固；人字桅桿每根底部垂直壓力為8.65 t，在每根桅桿腳下墊道木和鋼板；人字桅桿中部所受的正壓力為9.26 t，桅桿采用φ219 mm×8 mm無縫鋼管。經(jīng)計算，鋼管中部截面應力為90.67 MPa，鋼管材質為20#鋼，屈服強度為245 MPa，安全系數(shù)取1.7，則鋼管的許用屈服強度為144 MPa＞鋼管中部的截面應力90.67 MPa，符合安全要求。

3.4 結構受力驗算

3.4.1 汽車吊支腿壓力

80 t汽車吊自重為64 t，風冷熱泵機組質量為7.5 t，此載重工況用經(jīng)驗公式計算得汽車吊每條支腿受力為21 t。

汽車吊4個支腿伸出分別落在主次梁的交會處，確保力通過主梁傳遞給結構柱。同時支腿下布設走道板，避免支腿直接落在結構板上。

3.4.2 裙房屋面荷載

吊裝方案擬將7.5 t設備吊運至裙房屋面，在裙房屋面上擱置2條25#工字鋼做導軌，設備在導軌上托運至吊裝點正下方。根據(jù)設計圖紙上人屋面活荷載標準值2.0 kPa（建筑完成面荷載），屋面建筑做法均布荷載約為1.0 kPa，因此，結構實際荷載為3.0 kPa。

設備吊裝時樓板混凝土已達到設計強度，計算中將樓板考慮為剛性傳力構件，由于鋼梁導軌與框架主次梁搭接，只考慮設備及混凝土塊等的活荷載以均布力由結構樓板受力，確保荷載分布均勻，同時亦避免產(chǎn)生集中荷載。根據(jù)結構圖紙，取最不利工況，梁柱間中心尺寸為8.4 m×4.5 m，考慮3個部分的活荷載：工字鋼自重3.46 kN、設備重73.5 kN；則吊裝施工平均荷載為2.03 kPa＜3.0 kPa，小于設計要求均布荷載。

3.4.3 屋面荷載

設備吊裝至38層樓面后直接放置于基礎之上，該基礎荷載原設計已經(jīng)過驗算，符合設備荷載要求。

4 人字桅桿吊裝施工關鍵技術

4.1 人字桅桿體系拼裝關鍵技術

1）人字桅桿用無縫鋼管及起重吊具等的垂直運輸采用既有塔吊運送至設備層頂。

2）人字桅桿結構體系采用鉸鏈連接作前后變幅，穿掛變幅滑車及主吊滑車。

3）桅桿2只腳豎立在⑥軸與⑤軸間交1/L 軸與L 軸處的框架梁上，在該處拼φ219 mm×8 mm無縫鋼管人字桅桿。桅桿腳主要受力橫梁上單桅桿腳垂直力86.5 kN。桅桿采用法蘭連接配8.8級螺栓。

4）桅桿拼裝完成、變幅滑車組穿好后，桅桿腳前方用2只5 t手拉葫蘆收緊后啟動變幅滑車組的卷揚機，使桅桿板收緊2只5 t手拉葫蘆同時收緊到符合要求為止，再固定桅桿腳。

5）為保證人字桅桿體系的穩(wěn)定性，無縫鋼管人字桅桿底部腳離墻3.5 m，人字桅底部寬4.5 m。

6）桅桿的主纜風繩用φ14 mm鋼絲繩穿H10×4D滑車組，用于控制吊裝半徑。桅桿的主纜風尾部由于中心位置不對，用2根鋼絲繩固定在39層（設備層的下1層），⑤軸與⑥軸交F 軸處立柱上。另1根固定在2/4 軸交F/1 軸處，并且用5 t手拉葫蘆調整中心位置。

7）桅桿的頭部主吊用φ30 mm鋼絲繩與滑車組連接，配合φ20 mm鋼絲繩穿H16×3D滑車組。

8）主上纜風繩兩邊的保險邊纜風繩用φ13 mm鋼絲繩，定在樓面的平面邊上；2根下纜風繩用φ13 mm鋼絲繩及2只手拉葫蘆連接后，固定在樓面立柱。當設備吊至一定高度時，手拉葫蘆適當放松，對應的桅桿板也適當放松，以防止桅桿后翻，桅桿與水平夾角應控制在不大于82°。

9）在設備層和女兒墻處固定2個可掛導索的滑動支架，分別用φ13 mm鋼絲繩作導索，一直通到以桅桿中心為對稱點的兩邊地面上，在地面上相應位置樓面打洞穿鋼絲繩至下1層立柱上固定，將2只1 t手拉葫蘆與導索連接，在吊裝設備時將設備兩邊用卸甲穿在導索里，防止起吊設備過程中旋轉。

桅桿底座固定，兩桅桿底座用鋼絲繩固定牢，一頭用5 t手拉葫蘆將桅桿底座收緊，手拉葫蘆另一頭用φ28 mm鋼絲繩在女兒墻上打洞，后在下1層立柱上（分別在⑤軸與⑥軸交1/L 軸處）固定牢。

防旋轉裝置腳全部用膨脹螺栓固定，后腳在相應的位置樓板打洞，用鋼絲繩從洞里穿到下1層后掛2 t手拉葫蘆再固定到立柱上收緊即可。

4.2 人字桅桿體系試吊

1）人字桅桿安裝完畢后要進行空載運行，在不吊裝任何物體的狀態(tài)下指揮人員、卷揚機操作員、安全員要協(xié)調配合練習幾次。在運行中檢查桅桿、鋼絲繩、卷揚機、卷揚機制動器、電器開關、滑輪是否正常運行。

2）人字桅桿試吊質量為設備質量的1.2倍，即試吊質量為9 t。

3）動態(tài)試吊，開動主吊卷揚機，使9 t配重離地0.2 m時停止，上下3次；檢查桅桿、主吊變幅滑車、纜風繩、錨地卷揚機制動器等各受力點是否正常。

3）靜態(tài)試吊，9 t配重離地0.5 m時停止，靜止15 min，檢查卷揚機制動器是否良好。

4.3 人字桅桿體系設備吊裝關鍵技術

1）汽車吊把設備吊到裙房上，裙房樓面層設備拖運路線用長6 m的25#工字鋼，按大樓軸線工字鋼兩頭騎在軸線上，樓板不受力，將設備拖運到桅桿吊點下。

2）設備起吊到超越墻高度時解掉防旋轉鋼絲繩，把設備轉身90°，啟動變幅卷揚機使設備進入樓面，桅桿板與水平夾角達到80°時，掛在設備一端的2只手拉葫蘆慢慢放松，使設備重心進入樓面，再把拖運鋼絲繩與設備連接牢，確定鋼絲繩受力后，慢慢地將設備放在走管上，用手拉葫蘆或卷揚機將設備慢慢地平移到基礎旁，2臺設備全部吊到設備基礎上后，拆除桅桿，設備按要求平移到位，然后用起道機頂起設備抽走鋼管后精細就位。

5 結語

結合超高層風冷熱泵機組整體吊裝時遇到吊裝設備荷載高、吊裝高度高、吊裝期間施工場地狹小等施工難點，傳統(tǒng)大噸位吊機又受現(xiàn)場工況限制無法完成吊裝工作的情況，采用人字桅桿角度調整、多臺卷揚機配合，將2臺風冷熱泵機組安全地吊裝到位。經(jīng)工程驗證，所述技術具有吊裝效率高、安全性高的優(yōu)勢，可為同類工程提供有益借鑒。