CN103243930B - 超高层钢结构模块化施工系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种超高层钢结构模块化施工系统及其方法。该施工系统包括提升装置、提升平台和运输装置，以及安装在混凝土核心筒上的提升牛腿。所述提升装置位于混凝土核心筒的一侧，所述提升平台由提升牛腿和提升装置共同支承，即提升牛腿和提升装置共同控制提升平台的升降。所述运输装置上表面安装有若干千斤顶。由于现有技术难以克服模块单元的垂直吊装和平移就位，模块化施工没有得到广泛应用。本发明正是从模块单元的垂直吊装和平移就位的难题入手，在充分利用前续施工的混凝土核心筒和已施工的建筑物下部钢结构的基础上，解决了高层钢结构模块化施工的难题。

Description

超高层钢结构模块化施工系统及其方法

技术领域

本发明涉及框架－核心筒结构施工技术领域，特别是超高层钢结构的模块化施工。

背景技术

高层钢结构建筑一般由中间的混凝土核心筒和周围的钢结构组成，其高度较高。该类建筑的最大特点之一，是钢结构的用钢量较大，少则数千吨，多则数万吨。目前，国内最高的此类建筑是广州的新电视塔，其总高610m。钢结构的用钢量约5万吨。

超高层钢结构建筑的施工技术难点，重点在混凝土核心筒的施工和周围的钢结构的施工。目前，混凝土核心筒的施工由于高层混凝土泵送技术的成功应用，其技术难点已经得到解决，但周围的钢结构的施工，仍采用传统的施工技术，即在建筑的下部，采用大型自行式起重机进行构件的吊装，在建筑的中、上部，采用塔式起重机进行构件的吊装。尽管现在采用了大型动臂式塔式起重机，但其起重能力仍受到严格限制。大多数情况下，每次吊装的重量只有十几吨、二十吨。钢结构构件必须被预制成分段的梁、柱等。并且，在这些梁、柱被吊装就位后，不能立即“松钩”，而是要等到这些单元被焊接、固定后，才能进行下一个单元的吊装。这就带来一系列的问题：

1、大量的高空施工和立体交叉施工，对施工安全带来巨大隐患；

2、大量的高空施工，施工质量难于保证；

3、施工效率低下，导致施工周期较长，能源损耗较大；

4、施工人员和施工机械的施工效率低下，大量的施工安全保护装置和质量保证装置的反复拆、装，大量的施工辅助消耗材料等，使施工成本居高不下。

采用“模块化”施工，可以有效地解决上述问题。所谓“模块化”施工，就是在地面组装场地将钢结构组装成较大的单元。根据具体建筑的不同，这些较大单元可以重达上百吨、数百吨，然后吊装到建筑物上部进行安装。

采用“模块化”施工的关键，在于解决重达上百吨、数百吨的较大单元如何垂直吊装到其安装的高度并在这个高度如何水平运输到安装位置。目前国际、国内有许多成熟的现代大型吊装技术，大多借助大型起重机。但由于施工环境和要求的吊装高度的限制，这些现代大型吊装技术不仅从技术上不足以解决钢结构“模块”吊装的问题，从施工成本上，也是极其高昂，难以承受。

目前，国内一些高校和一些大型建筑施工企业，都在投入力量研究“住宅产业化”的课题，其根本问题就是住宅“模块”化，其中包括住宅的模块设计、制造、材料、连接、抗灾害能力和模块的安装施工。应该说，应首先的问题，还是模块的安装施工，这个问题不解决，前面所有问题都没有基础。本发明，不仅可以解决高层、超高层钢建筑的模块化安装施工，根据具体的建筑形式，进行适当的修改与发展，也可以解决“住宅产业化”课题中，住宅模块的安装施工问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种钢结构模块化施工的系统。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种超高层钢结构模块化施工系统，包括提升装置、提升平台和运输装置，以及安装在混凝土核心筒上的提升牛腿。所述提升装置位于混凝土核心筒的一侧，所述提升平台由提升牛腿和提升装置共同支承，即提升牛腿和提升装置共同控制提升平台的升降。所述运输装置上表面安装有若干千斤顶。

值得说明的是，本发明的技术方案中，混凝土核心筒为施工现场浇筑，混凝土核心筒的四周是将要建成的钢结构。同现有技术一样，本发明最终建成的钢结构是由钢质承重柱、柱间横梁和柱间纵梁构成。但与现有技术不同的是，本发明采用了模块化施工，即把钢结构拆分成若干模块单元。

为了便于表述，本发明中定义：钢结构整体是由若干层模块层组成的，每一层模块层又是由若干在同一水平面放置的模块单元组合而成。每一个模块单元均是由若干柱、横梁和纵梁构成，每一模块层的高度即为模块单元的高度，该“层”的高度与建筑物的楼层高度无关，可能包括一个或多个楼层，是因施工和生产条件而定的。

相邻的模块层之间、以及处于同一层的模块单元之间通过焊接固定。本发明中，模块单元均是在地面生产，再通过本发明所公开的方案垂直吊装和水平运输。最终，由模块单元中的柱和梁结合成了完整的钢结构中的承重柱、横梁和纵梁。

进一步，所述运输装置为气垫运输装置，其上表面为承载面，其下表面安装有若干喷射式气垫。所述承载面上安装了若干千斤顶，模块单元能够可靠地安放在千斤顶上。通过调整千斤顶的高度，可以改变模块单元离地距离。另外，在气垫运输装置下表面，即其底部，安装喷射式气垫。当气垫运输装置承载着模块单元时，喷射式气垫向地面喷射出高压气体，使得承载着模块单元的气垫运输装置离地，便于将其移动到提升平台或施工平台上。

本发明的另一个目的是实现模块单元的安装施工，即一种超高层钢结构模块化施工方法，所要建成的超高层钢结构建筑包括混凝土核心筒，以及混凝土核心筒周边的钢结构；所述钢结构由若干层模块层组成，所述模块层由若干模块单元组成。所述混凝土核心筒为现场浇筑，所述模块单元为预制构件组成。

对钢结构进行施工时，包括以下步骤：

1）在混凝土核心筒的周围安装靠近地面的钢结构，空出所述提升平台所在的位置；

2）浇筑已经安装的钢结构的楼面混凝土，使其上表面形成施工平台；

3）准备好组成一层模块层的所有模块单元；

4）将至少一块步骤3中准备的模块单元置于运输装置上的千斤顶上，作为被承载模块单元；

5）将步骤4中承载了模块单元的运输装置牵引到提升平台上，再通过所述提升牛腿和提升装置将提升平台提升到步骤2所形成的施工平台所在的高度；

6）将承载了模块单元的运输装置牵引到步骤2所形成的施工平台上，使被承载模块单元与已安装的钢结构对位；调整所述千斤顶的高度，再将被承载模块单元与已安装的钢结构焊接；

7）降低所述千斤顶的高度，将运输装置从被承载模块单元的底部抽出，再通过提升平台将运输装置送回地面；

8）重复步骤4～7，直到吊装完步骤3中所准备的所有模块单元，之后转到步骤9；

9）判断是否吊装完组成顶层模块层的模块单元；若是，浇筑顶层模块层的楼面混凝土；若否，转到步骤2。

通过背景技术的描述我们不难发现，实现钢结构模块化施工的技术关键，也是现有技术难以克服的障碍，不在于模块单元的制作工艺，而在于模块单元的垂直吊装和平移就位。这也就解释了模块化施工虽然看似效率高，但没有得到广泛应用的原因。本发明正是从模块单元的垂直吊装和平移就位的难题入手，公开了整套建筑物，特别是高层钢结构模块化施工装置和方法。在充分利用前续施工的混凝土核心筒和已施工的建筑物下部钢结构的基础上，可以在很大程度上解决目前存在的施工安全隐患大、施工质量难于保证、施工周期长、能源消耗大、施工成本高等问题。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明框架－核心筒结构与提升空间位置关系平面图；

图2为本发明平面图；

图3为本发明平面图；

图4为图3的A－A向立面图；

图5为图3的B－B向立面图；

图6为运输装置结构示意图；

图7为模块单元的示意图；

图8为由模块单元组成的模块层的示意图；

图9为由模块层组成的钢结构示意图。

图中： 1-提升装置；2-提升平台；3-运输装置；3-1 -千斤顶；3-2 -喷射式气垫；4-提升牛腿；5-被承载模块单元；6-左列承重柱；7－右列承重柱；8-施工平台；9-塔顶吊车；10- 柱；11- 横梁；12- 纵梁；A-模块单元；B-模块层；C-钢结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

参见附图：一种超高层钢结构模块化施工系统，包括提升装置1、提升平台2和运输装置3，以及安装在混凝土核心筒上的提升牛腿4。所述提升装置1位于混凝土核心筒的一侧，所述提升平台2由提升牛腿4和提升1装置共同支承。所述运输装置3上表面安装有若干千斤顶3-1。

进一步地，所述提升装置1包括一副具有自升、降功能的门式承重结构，以及安装在所述门式承重结构的横梁上的液压提升装置。另外，所述提升牛腿4即为安装在混凝土核心筒上的一组牛腿，所述牛腿上安装有液压提升装置。因此，在实施例中，所述提升平台2由门式承重结构横梁上的液压提升装置和牛腿上安装的液压提升装置共同支承。更进一步地说，提升牛腿4上的液压提升装置和门式承重结构横梁上的液压提升装置均连接若干钢绞线，所述钢绞线的端头与提升平台2相连。通过液压提升装置牵引所述钢绞线，使得所述提升平台2被提升。

参见图1，图中黑色填充部分即是混凝土核心筒。通常，混凝土核心筒的施工先于钢结构施工，即在建造钢结构中的某一模块层时，核心筒的高度已经高于该层。因此，在采用本发明所公开方法施工时，已经有条件在混凝土核心筒上安装提升牛腿4。随着核心筒的高度增加，也同时在更高处安装新的提升牛腿4，以保证提升牛腿4的离地高度高于施工平台8的高度，可以撤除或不撤除原来的提升牛腿4。参见图5，有并排的两个提升牛腿4安装在核心筒外壁。参见图4和图5，提升牛腿4与提升装置1上垂下的钢绞线连接到提升平台2上，这样就可以平稳地控制提升平台2的升降，使其可以安全地承载重量较大的模块单元。

进一步，所述运输装置3为气垫运输装置，其上表面为安装有若干千斤顶3-1的承载面，其下表面安装有若干喷射式气垫3-2。

在实施例中，公开了采用上述装置进行施工的方法，所要建成的超高层钢结构建筑包括混凝土核心筒，以及混凝土核心筒周边的钢结构。所述钢结构整体由若干层钢结构模块组成，每一层钢结构模块由若干模块单元组成。所述混凝土核心筒为现场浇筑，所述模块单元为预制构件。

关于钢结构的模块化可以参见图7～9。其中，图7为任意一个模块单元的立体示意图，即图中所示的模块单元A。所述模块单元A是由若干柱10、横梁11和纵梁12组合成的，其制造只需要在地面焊接即可。图8为任意一个模块层的平面示意图，即图中所示的模块层B。若干个模块单元水平放置组成了模块层B，所述模块单元A是组成模块层B的模块单元中的一个。图9为钢结构整体的立面示意图，钢结构整体记作钢结构C。所述钢结构C是由包括模块层B在内的，若干层模块层组成的。也可以理解为，钢结构的模块化是将钢结构整体拆分成若干层模块层，每一个模块层又被拆分成若干个模块单元，模块层的高度等于模块单元高度。

对钢结构进行施工时，包括以下步骤：

1）在混凝土核心筒的周围安装靠近地面的钢结构，空出所述提升平台2所在的位置。本发明中，混凝土核心筒浇筑到一定高度时，便可以建造近地钢结构。由于近地钢结构的施工难度不大，既可以采用预制的模块单元组合成第一层模块层，也可以采用塔顶吊车9等辅助吊装设备来吊装梁、柱。不管以何种方法，所建造的近地钢结构就成为步骤2中所述的“已经安装的钢结构”，而近地钢结构的高度根据施工条件而定。

同样参见图1，由于通常设计的框架－核心筒结构中，核心筒的周边均布满钢结构框架。但是，提升平台2需要占据一个竖直向上的吊装运输通道。因此，从平面图的方向来看，提升平台2是嵌入所要建成的钢结构框架内部的。进一步地，提升平台2所在位置的两侧，均与所要建成的钢结构的承重柱相邻。即提升平台2一侧为左列承重柱6，另一侧为右列承重柱7。实施例中，提升平台2所在位置不占用承重柱的位置，即钢结构整体中，所述左列承重柱6和右列承重柱7之间没有承重柱。也可以说，提升平台2所在的垂直通道是所要建成的钢结构中的横梁的位置。

2）浇筑已经安装的钢结构的楼面混凝土，使其上表面形成施工平台。本步骤施工平台8的形成，便于后续步骤中的水平运输、安装就位和焊接操作。所述已经安装的钢结构可以指步骤1）中安装的近地钢结构；也可以指步骤8结束后已经安装的模块层，该模块层由模块单元组成。

3）准备好组成一层模块层的所有模块单元。本实施例中，模块单元均是由梁、柱组成，在地面制造。

4）将至少一块步骤3中准备的模块单元置于运输装置3上的千斤顶3-1上，作为被承载模块单元5。实施例中，运输装置3可以根据实际情况一次运送一块模块单元，也可以一次运送多块模块单元。

5）将步骤4中承载了模块单元的运输装置3牵引到提升平台2上，再通过所述提升牛腿4和提升装置1将提升平台2提升到步骤2所形成的施工平台8所在的高度。由于本发明，设计了一套具有自升、降功能的提升装置和装备喷射式气垫的水平运输装置（由于“轮压”问题，不太适合采用轮式运输，由于需要前、后左、右调整到安装位置，采用履带式运输也不太方便），充分利用已建成的混凝土核心筒，解决了大型“模块”的垂直吊装和在高空水平运输的问题，可以从根本上改变目前高层、超高层钢结构建筑的施工工艺。本实施例可以采用前文所提到的气垫运输装置，由于其提升力度大、底面可以完全脱离地面，很容易被牵引到提升平台2上。

6）将承载了模块单元的运输装置3牵引到步骤2所形成的施工平台8上，使被承载模块单元5与已安装的钢结构模块对位。调整所述千斤顶3-1的高度，再将被承载模块单元5与已安装的钢结构模块焊接。值得说明的是，模块单元在制造时，模块单元的表面会有柱和梁的接头。即，在施工平台8上，会有延伸出其上表面的柱接头。当承载了模块单元的运输装置3被牵引到施工平台8上时，在柱接头与被承载模块单元5对齐后，通过降低或升高千斤顶3-1的高度，使得被承载模块单元5处于焊接位置。其后，通过焊接承载模块单元5上的部分焊接点，使得被承载模块单元5固定在施工平台8上，以便执行后续操作。

7）降低所述千斤顶3-1的高度，将运输装置3从被承载模块单元5的底部抽出，再通过提升平台2将运输装置3送回地面。由于步骤6中已经将被承载模块单元5焊在施工平台8，因此，运输装置3的抽出不会影响其稳定性。进一步地讲，在运输装置3抽出后，施工人员可以继续焊接被承载模块单元5上剩下的焊接点，运输装置3也可以继续运送下一个模块单元，这样可以提高施工效率。完成焊接的模块单元即成为“已经安装的钢结构”。

8）重复步骤4～7，直到吊装并焊接完步骤3中所准备的所有模块单元，之后转到步骤9。

9）判断是否吊装完组成顶层钢结构模块的所有模块单元。若是，浇筑顶层钢结构模块的楼面混凝土。若否，转到步骤2。

实施例中，当上述九个步骤运行结束后，如果提升平台2所占位置不需要安装构件，则钢结构整体施工结束。

如果提升平台2所占位置还需要安装构件，吊装完组成顶层钢结构模块的全部模块单元后，则自上而下地补齐所述提升平台所在的位置（垂直提升通道）的钢结构构件。

如前所述，实施例中提升平台2所占的垂直通道没有承重柱，需要补齐的是左列承重柱6和右列承重柱7之间的横梁。此时，可以通过提升平台2将若干需要补齐的横梁运到顶层，施工人员站在提升平台2或已经浇筑的楼面混凝土上进行焊接操作，将需要补齐的顶层横梁分别与左列承重柱6、右列承重柱7焊牢。再降低提升平台2的高度，继续补齐，直到补齐所有楼层中空缺的横梁。当然，在上述补齐空缺横梁的过程中，如果提升平台2上所承载的横梁用完时，可以将提升平台2降到地面以补充材料。每当补齐一层的钢结构构件（横梁）后，利用提升装置1自身的升、降功能，自行下降并自行拆除。

本发明实施例的技术效果是明显的，当顶层钢结构模块被完全浇筑后，钢结构的主体施工完成。在整个施工过成中，模块吊装和焊接可以在一定程度上并行不悖地进行，效率高。而且，施工过程中，作业面开阔，吊装所采用的系统稳定性强，模块单元能够安全地被提升并平移至安装位。因此，本发明所公开的技术方案安全性和高效率并重，能够将模块化施工变成现实。 

Claims (3)

1. 超高层钢结构模块化施工系统，其特征在于：钢结构整体是由若干层模块层组成的，每一层模块层又是由若干在同一水平面放置的模块单元组合而成；每一个模块单元均是由若干柱、横梁和纵梁构成，每一模块层的高度即为模块单元的高度；

包括提升装置（1）、提升平台（2）和运输装置（3），以及安装在混凝土核心筒上的提升牛腿（4）；所述提升装置（1）位于混凝土核心筒的一侧，所述提升平台（2）由提升牛腿（4）和提升装置（1）共同支承；所述运输装置（3）的上表面安装有若干千斤顶（3-1）。

2.根据权利要求1所述的超高层钢结构模块化施工系统，其特征在于：所述运输装置（3）为气垫运输装置，其上表面为安装有若干千斤顶（3-1）的承载面，其下表面安装有若干喷射式气垫（3-2）。

3.采用权利要求1或2所述的超高层钢结构模块化施工系统进行施工的方法，其特征在于：所要建成的超高层钢结构建筑包括混凝土核心筒，以及混凝土核心筒周边的钢结构；所述钢结构由若干层模块层组成，所述模块层由若干模块单元组成，所述混凝土核心筒为现场浇筑；

对钢结构进行施工时，包括以下步骤：

1）在混凝土核心筒的周围安装靠近地面的钢结构，空出所述提升平台（2）所在的位置；

2）浇筑已经安装的钢结构的楼面混凝土，使其上表面形成施工平台（8）；

3）准备好组成一层模块层的所有模块单元；

4）将至少一块步骤3中准备的模块单元置于运输装置（3）上的千斤顶（3-1）上，作为被承载模块单元（5）；

5）将步骤4中承载了模块单元的运输装置（3）牵引到提升平台（2）上，再通过所述提升牛腿（4）和提升装置（1）将提升平台（2）提升到步骤2所形成的施工平台（8）所在的高度；

6）将承载了模块单元的运输装置（3）牵引到步骤2所形成的施工平台（8）上，使被承载模块单元（5）与已安装的钢结构对位；调整所述千斤顶（3-1）的高度，再将被承载模块单元（5）与已安装的钢结构焊接；

7）降低所述千斤顶（3-1）的高度，将运输装置（3）从被承载模块单元（5）的底部抽出，再通过提升平台（2）将运输装置（3）送回地面；

8）重复步骤4～7，直到吊装完步骤3中所准备的所有模块单元，之后转到步骤9；

9）判断是否吊装完组成顶层模块层的模块单元；若是，浇筑顶层模块层的楼面混凝土；若否，转到步骤2。