專利名稱：超高層鋼結構模塊化施工系統及其方法
技術領域：
本發明涉及框架一核心筒結構施工技術領域，特別是超高層鋼結構的模塊化施工。
背景技術：
高層鋼結構建筑一般由中間的混凝土核心筒和周圍的鋼結構組成，其高度較高。該類建筑的最大特點之一，是鋼結構的用鋼量較大，少則數千噸，多則數萬噸。目前，國內最高的此類建筑是廣州的新電視塔，其總高610m。鋼結構的用鋼量約5萬噸。超高層鋼結構建筑的施工技術難點，重點在混凝土核心筒的施工和周圍的鋼結構的施工。目前，混凝土核心筒的施工由于高層混凝土泵送技術的成功應用，其技術難點已經得到解決，但周圍的鋼結構的施工，仍采用傳統的施工技術，即在建筑的下部，采用大型自行式起重機進行構件的吊 裝，在建筑的中、上部，采用塔式起重機進行構件的吊裝。盡管現在采用了大型動臂式塔式起重機，但其起重能力仍受到嚴格限制。大多數情況下，每次吊裝的重量只有十幾噸、二十噸。鋼結構構件必須被預制成分段的梁、柱等。并且，在這些梁、柱被吊裝就位后，不能立即“松鉤”，而是要等到這些單元被焊接、固定后，才能進行下一個單元的吊裝。這就帶來一系列的問題:
1、大量的高空施工和立體交叉施工，對施工安全帶來巨大隱患；
2、大量的高空施工,施工質量難于保證；
3、施工效率低下，導致施工周期較長，能源損耗較大；
4、施工人員和施工機械的施工效率低下，大量的施工安全保護裝置和質量保證裝置的反復拆、裝，大量的施工輔助消耗材料等，使施工成本居高不下。采用“模塊化”施工，可以有效地解決上述問題。所謂“模塊化”施工，就是在地面組裝場地將鋼結構組裝成較大的單元。根據具體建筑的不同，這些較大單元可以重達上百噸、數百噸，然后吊裝到建筑物上部進行安裝。采用“模塊化”施工的關鍵，在于解決重達上百噸、數百噸的較大單元如何垂直吊裝到其安裝的高度并在這個高度如何水平運輸到安裝位置。目前國際、國內有許多成熟的現代大型吊裝技術，大多借助大型起重機。但由于施工環境和要求的吊裝高度的限制，這些現代大型吊裝技術不僅從技術上不足以解決鋼結構“模塊”吊裝的問題，從施工成本上，也是極其高昂，難以承受。目前，國內一些高校和一些大型建筑施工企業，都在投入力量研究“住宅產業化”的課題，其根本問題就是住宅“模塊”化，其中包括住宅的模塊設計、制造、材料、連接、抗災害能力和模塊的安裝施工。應該說，應首先的問題，還是模塊的安裝施工，這個問題不解決，前面所有問題都沒有基礎。本發明，不僅可以解決高層、超高層鋼建筑的模塊化安裝施工，根據具體的建筑形式，進行適當的修改與發展，也可以解決“住宅產業化”課題中，住宅模塊的安裝施工問題。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種鋼結構模塊化施工的系統。為實現本發明目的而采用的技術方案是這樣的，一種超高層鋼結構模塊化施工系統，包括提升裝置、提升平臺和運輸裝置，以及安裝在混凝土核心筒上的提升牛腿。所述提升裝置位于混凝土核心筒的一側，所述提升平臺由提升牛腿和提升裝置共同支承，即提升牛腿和提升裝置共同控制提升平臺的升降。所述運輸裝置上表面安裝有若干千斤頂。值得說明的是，本發明的技術方案中，混凝土核心筒為施工現場澆筑，混凝土核心筒的四周是將要建成的鋼結構。同現有技術一樣，本發明最終建成的鋼結構是由鋼質承重柱、柱間橫梁和柱間縱梁構成。但與現有技術不同的是，本發明采用了模塊化施工，即把鋼結構拆分成若干模塊單元。為了便于表述，本發明中定義:鋼結構整體是由若干層模塊層組成的，每一層模塊層又是由若干在同一水平面放置的模塊單元組合而成。每一個模塊單元均是由若干柱、橫梁和縱梁構成，每一模塊層的高度即為模塊單元的高度，該“層”的高度與建筑物的樓層高度無關，可能包括一個或多個樓層，是因施工和生產條件而定的。相鄰的模塊層之間、以及處于同一層的模塊單元之間通過焊接固定。本發明中，模塊單元均是在地面生產，再通過本發明所公開的方案垂直吊裝和水平運輸。最終，由模塊單元中的柱和梁結合成了完整的鋼結構中的承重柱、橫梁和縱梁。進一步，所述運輸裝置為氣墊運輸裝置，其上表面為承載面，其下表面安裝有若干噴射式氣墊。所述承載面上安裝了若干千斤頂，模塊單元能夠可靠地安放在千斤頂上。通過調整千斤頂的高度，可以改變模塊單元離地距離。另外，在氣墊運輸裝置下表面，即其底部，安裝噴射式氣墊。當氣墊運輸裝置承載著模塊單元時，噴射式氣墊向地面噴射出高壓氣體，使得承載著模塊單元的氣墊運輸裝置離地，便于將其移動到提升平臺或施工平臺上。
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本發明的另一個目的是實現模塊單元的安裝施工，即一種超高層鋼結構模塊化施工方法，所要建成的超高層鋼結構建筑包括混凝土核心筒，以及混凝土核心筒周邊的鋼結構；所述鋼結構由若干層模塊層組成，所述模塊層由若干模塊單元組成。所述混凝土核心筒為現場澆筑，所述模塊單元為預制構件組成。對鋼結構進行施工時，包括以下步驟:
1)在混凝土核心筒的周圍安裝靠近地面的鋼結構，空出所述提升平臺所在的位置；
2)澆筑已經安裝的鋼結構的樓面混凝土，使其上表面形成施工平臺；
3)準備好組成一層模塊層的所有模塊單元；
4)將至少一塊步驟3中準備的模塊單元置于運輸裝置上的千斤頂上，作為被承載模塊單元；
5)將步驟4中承載了模塊單元的運輸裝置牽引到提升平臺上，再通過所述提升牛腿和提升裝置將提升平臺提升到步驟2所形成的施工平臺所在的高度；
6)將承載了模塊單元的運輸裝置牽引到步驟2所形成的施工平臺上，使被承載模塊單元與已安裝的鋼結構對位；調整所述千斤頂的高度，再將被承載模塊單元與已安裝的鋼結構焊接；
7)降低所述千斤頂的高度，將運輸裝置從被承載模塊單元的底部抽出，再通過提升平臺將運輸裝置送回地面；8)重復步驟4 7，直到吊裝完步驟3中所準備的所有模塊單元，之后轉到步驟9；
9)判斷是否吊裝完組成頂層模塊層的模塊單元；若是，澆筑頂層模塊層的樓面混凝土；若否，轉到步驟2。通過背景技術的描述我們不難發現，實現鋼結構模塊化施工的技術關鍵，也是現有技術難以克服的障礙，不在于模塊單元的制作工藝，而在于模塊單元的垂直吊裝和平移就位。這也就解釋了模塊化施工雖然看似效率高，但沒有得到廣泛應用的原因。本發明正是從模塊單元的垂直吊裝和平移就位的難題入手，公開了整套建筑物，特別是高層鋼結構模塊化施工裝置和方法。在充分利用前續施工的混凝土核心筒和已施工的建筑物下部鋼結構的基礎上，可以在很大程度上解決目前存在的施工安全隱患大、施工質量難于保證、施工周期長、能源消耗大、施工成本高等問題。
本發明的裝置可以通過附圖給出的非限定性實施例進一步說明。圖1為本發明框架一核心筒結構與提升空間位置關系平面 圖2為本發明平面 圖3為本發明平面 圖4為圖3的A —A向立面 圖5為圖3的B—B向立面 圖6為運輸裝置結構示 意 圖7為模塊單元的示意 圖8為由模塊單元組成的模塊層的示意 圖9為由模塊層組成的鋼結構示意圖。圖中:1-提升裝置；2_提升平臺；3_運輸裝置；3_1 -千斤頂；3_2 -噴射式氣墊；
4-提升牛腿；5_被承載模塊單元；6_左列承重柱；7 —右列承重柱；8_施工平臺；9_塔頂吊車；10_柱；11_橫梁；12_縱梁；A_模塊單兀；B_模塊層；C_鋼結構。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但不應該理解為本發明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明范圍內。參見附圖:一種超高層鋼結構模塊化施工系統，包括提升裝置1、提升平臺2和運輸裝置3，以及安裝在混凝土核心筒上的提升牛腿4。所述提升裝置I位于混凝土核心筒的一側，所述提升平臺2由提升牛腿4和提升I裝置共同支承。所述運輸裝置3上表面安裝有若干千斤頂3-1。進一步地，所述提升裝置I包括一副具有自升、降功能的門式承重結構，以及安裝在所述門式承重結構的橫梁上的液壓提升裝置。另外，所述提升牛腿4即為安裝在混凝土核心筒上的一組牛腿，所述牛腿上安裝有液壓提升裝置。因此，在實施例中，所述提升平臺2由門式承重結構橫梁上的液壓提升裝置和牛腿上安裝的液壓提升裝置共同支承。更進一步地說，提升牛腿4上的液壓提升裝置和門式承重結構橫梁上的液壓提升裝置均連接若干鋼絞線，所述鋼絞線的端頭與提升平臺2相連。通過液壓提升裝置牽引所述鋼絞線，使得所述提升平臺2被提升。參見圖1，圖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鋼結構施工，即在建造鋼結構中的某一模塊層時，核心筒的高度已經高于該層。因此，在采用本發明所公開方法施工時，已經有條件在混凝土核心筒上安裝提升牛腿4。隨著核心筒的高度增加，也同時在更高處安裝新的提升牛腿4，以保證提升牛腿4的離地高度高于施工平臺8的高度，可以撤除或不撤除原來的提升牛腿4。參見圖5，有并排的兩個提升牛腿4安裝在核心筒外壁。參見圖4和圖5，提升牛腿4與提升裝置I上垂下的鋼絞線連接到提升平臺2上，這樣就可以平穩地控制提升平臺2的升降，使其可以安全地承載重量較大的模塊單
J Li ο進一步，所述運輸裝置3為氣墊運輸裝置，其上表面為安裝有若干千斤頂3-1的承載面，其下表面安裝有若干噴射式氣墊3-2。在實施例中，公開了采用上述裝置進行施工的方法，所要建成的超高層鋼結構建筑包括混凝土核心筒，以及混凝土核心筒周邊的鋼結構。所述鋼結構整體由若干層鋼結構模塊組成，每一層鋼結構模塊由若干模塊單元組成。所述混凝土核心筒為現場澆筑，所述模塊單元為預制構件。關于鋼結構的模塊化可以參見圖7 9。其中，圖7為任意一個模塊單元的立體示意圖，即圖中所示的模塊單元A。所述模塊單元A是由若干柱10、橫梁11和縱梁12組合成的，其制造只需要在地面焊接即可。圖8為任意一個模塊層的平面示意圖，即圖中所示的模塊層B。若干個模塊 單元水平放置組成了模塊層B，所述模塊單元A是組成模塊層B的模塊單元中的一個。圖9為鋼結構整體的立面示意圖，鋼結構整體記作鋼結構C。所述鋼結構C是由包括模塊層B在內的，若干層模塊層組成的。也可以理解為，鋼結構的模塊化是將鋼結構整體拆分成若干層模塊層，每一個模塊層又被拆分成若干個模塊單元，模塊層的高度等于模塊單元高度。對鋼結構進行施工時，包括以下步驟:
I)在混凝土核心筒的周圍安裝靠近地面的鋼結構，空出所述提升平臺2所在的位置。本發明中，混凝土核心筒澆筑到一定高度時，便可以建造近地鋼結構。由于近地鋼結構的施工難度不大，既可以采用預制的模塊單元組合成第一層模塊層，也可以采用塔頂吊車9等輔助吊裝設備來吊裝梁、柱。不管以何種方法，所建造的近地鋼結構就成為步驟2中所述的“已經安裝的鋼結構”，而近地鋼結構的高度根據施工條件而定。同樣參見圖1，由于通常設計的框架一核心筒結構中，核心筒的周邊均布滿鋼結構框架。但是，提升平臺2需要占據一個豎直向上的吊裝運輸通道。因此，從平面圖的方向來看，提升平臺2是嵌入所要建成的鋼結構框架內部的。進一步地，提升平臺2所在位置的兩偵牝均與所要建成的鋼結構的承重柱相鄰。即提升平臺2 —側為左列承重柱6，另一側為右列承重柱7。實施例中，提升平臺2所在位置不占用承重柱的位置，即鋼結構整體中，所述左列承重柱6和右列承重柱7之間沒有承重柱。也可以說，提升平臺2所在的垂直通道是所要建成的鋼結構中的橫梁的位置。2)澆筑已經安裝的鋼結構的樓面混凝土，使其上表面形成施工平臺。本步驟施工平臺8的形成，便于后續步驟中的水平運輸、安裝就位和焊接操作。所述已經安裝的鋼結構可以指步驟I)中安裝的近地鋼結構；也可以指步驟8結束后已經安裝的模塊層，該模塊層由模塊單元組成。3 )準備好組成一層模塊層的所有模塊單元。本實施例中，模塊單元均是由梁、柱組成，在地面制造。4)將至少一塊步驟3中準備的模塊單元置于運輸裝置3上的千斤頂3-1上，作為被承載模塊單元5。實施例中，運輸裝置3可以根據實際情況一次運送一塊模塊單元，也可以一次運送多塊模塊單元。5)將步驟4中承載了模塊單元的運輸裝置3牽引到提升平臺2上，再通過所述提升牛腿4和提升裝置I將提升平臺2提升到步驟2所形成的施工平臺8所在的高度。由于本發明，設計了一套具有自升、降功能的提升裝置和裝備噴射式氣墊的水平運輸裝置(由于“輪壓”問題，不太適合采用輪式運輸，由于需要前、后左、右調整到安裝位置，采用履帶式運輸也不太方便)，充分利用已建成的混凝土核心筒，解決了大型“模塊”的垂直吊裝和在高空水平運輸的問題，可以從根本上改變目前高層、超高層鋼結構建筑的施工工藝。本實施例可以采用前文所提到的氣墊運輸裝置，由于其提升力度大、底面可以完全脫離地面，很容易被牽引到提升平臺2上。6)將承載了模塊單元的運輸裝置3牽引到步驟2所形成的施工平臺8上，使被承載模塊單元5與已安裝的鋼結構模塊對位。調整所述千斤頂3-1的高度，再將被承載模塊單元5與已安裝的鋼結構模塊焊接。值得說明的是，模塊單元在制造時，模塊單元的表面會有柱和梁的接頭。即，在施工平臺8上，會有延伸出其上表面的柱接頭。當承載了模塊單元的運輸裝置3被牽引到施工平臺8上時，在柱接頭與被承載模塊單元5對齊后，通過降低或升高千斤頂3-1的高度，使得被承載模塊單元5處于焊接位置。其后，通過焊接承載模塊單元5上的部分焊接點，使得被承載模塊單元5固定在施工平臺8上，以便執行后續操作。
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7)降低所述千斤頂3-1的高度，將運輸裝置3從被承載模塊單元5的底部抽出，再通過提升平臺2將運輸裝置3送回地面。由于步驟6中已經將被承載模塊單元5焊在施工平臺8，因此，運輸裝置3的抽出不會影響其穩定性。進一步地講，在運輸裝置3抽出后，施工人員可以繼續焊接被承載模塊單元5上剩下的焊接點，運輸裝置3也可以繼續運送下一個模塊單元，這樣可以提高施工效率。完成焊接的模塊單元即成為“已經安裝的鋼結構”。8)重復步驟4 7，直到吊裝并焊接完步驟3中所準備的所有模塊單元，之后轉到步驟9。9)判斷是否吊裝完組成頂層鋼結構模塊的所有模塊單元。若是，澆筑頂層鋼結構模塊的樓面混凝土。若否，轉到步驟2。實施例中，當上述九個步驟運行結束后，如果提升平臺2所占位置不需要安裝構件，則鋼結構整體施工結束。如果提升平臺2所占位置還需要安裝構件，吊裝完組成頂層鋼結構模塊的全部模塊單元后，則自上而下地補齊所述提升平臺所在的位置(垂直提升通道)的鋼結構構件。如前所述，實施例中提升平臺2所占的垂直通道沒有承重柱，需要補齊的是左列承重柱6和右列承重柱7之間的橫梁。此時，可以通過提升平臺2將若干需要補齊的橫梁運到頂層，施工人員站在提升平臺2或已經澆筑的樓面混凝土上進行焊接操作，將需要補齊的頂層橫梁分別與左列承重柱6、右列承重柱7焊牢。再降低提升平臺2的高度，繼續補齊，直到補齊所有樓層中空缺的橫梁。當然，在上述補齊空缺橫梁的過程中，如果提升平臺2上所承載的橫梁用完時，可以將提升平臺2降到地面以補充材料。每當補齊一層的鋼結構構件(橫梁)后，利用提升裝置I自身的升、降功能，自行下降并自行拆除。本發明實施例的技術效果是明顯的，當頂層鋼結構模塊被完全澆筑后，鋼結構的主體施工完成。在整個施工過成中，模塊吊裝和焊接可以在一定程度上并行不悖地進行，效率高。而且，施工過程中，作業面開闊，吊裝所采用的系統穩定性強，模塊單元能夠安全地被提升并平移至安裝位。因此，本發明所公開的技術方案安全性和高效率并重，能夠將模塊化施工變成現 實。
權利要求
1.超高層鋼結構模塊化施工系統，其特征在于:包括提升裝置(I)、提升平臺(2)和運輸裝置(3)，以及安裝在混凝土核心筒上的提升牛腿(4);所述提升裝置(I)位于混凝土核心筒的一側，所述提升平臺(2)由提升牛腿(4)和提升裝置(I)共同支承；所述運輸裝置(3)的上表面安裝有若干千斤頂(3-1)。
2.根據權利要求1所述的超高層鋼結構模塊化施工系統，其特征在于:所述運輸裝置(3)為氣墊運輸裝置，其上表面為安裝有若干千斤頂(3-1)的承載面，其下表面安裝有若干噴射式氣墊(3-2)。
3.采用權利要求1或2所述的超高層鋼結構模塊化施工系統進行施工的方法，其特征在于:所要建成的超高層鋼結構建筑包括混凝土核心筒，以及混凝土核心筒周邊的鋼結構；所述鋼結構由若干層模塊層組成，所述模塊層由若干模塊單元組成，所述混凝土核心筒為現場燒筑； 對鋼結構進行施工時，包括以下步驟: 1)在混凝土核心筒的周圍安裝靠近地面的鋼結構，空出所述提升平臺(2)所在的位置； 2)澆筑已經安裝的鋼結構的樓面混凝土，使其上表面形成施工平臺(8)； 3)準備好組成一層模塊層的所有模塊單元； 4)將至少一塊步驟3中準備的模塊單元置于運輸裝置(3)上的千斤頂(3-1)上，作為被承載模塊單元(5)； 5)將步驟4中承載了模塊單元的運`輸裝置(3)牽引到提升平臺(2)上，再通過所述提升牛腿(4)和提升裝置(I)將提升平臺(2)提升到步驟2所形成的施工平臺(8)所在的高度； 6)將承載了模塊單元的運輸裝置(3)牽引到步驟2所形成的施工平臺(8)上，使被承載模塊單元(5)與已安裝的鋼結構對位；調整所述千斤頂(3-1)的高度，再將被承載模塊單元(5)與已安裝的鋼結構焊接； 7)降低所述千斤頂(3-1)的高度，將運輸裝置(3)從被承載模塊單元(5)的底部抽出，再通過提升平臺(2)將運輸裝置(3)送回地面； 8)重復步驟4 7，直到吊裝完步驟3中所準備的所有模塊單元，之后轉到步驟9； 9)判斷是否吊裝完組成頂層模塊層的模塊單元；若是，澆筑頂層模塊層的樓面混凝土；若否，轉到步驟2。
4.根據權利要求3所述的超高層鋼結構模塊化施工方法，其特征在于:步驟9中，若吊裝完組成頂層鋼結構模塊的模塊單元，則按層自上而下地補齊所述提升平臺(2)所在的位置的鋼結構構件。
5.根據權利要求4所述的超高層鋼結構模塊化施工方法，其特征在于:每當補齊一層的鋼結構構件后，提升裝置(I)自行下降并自行拆除。
全文摘要
本發明的目的是提供一種超高層鋼結構模塊化施工系統及其方法。該施工系統包括提升裝置、提升平臺和運輸裝置，以及安裝在混凝土核心筒上的提升牛腿。所述提升裝置位于混凝土核心筒的一側，所述提升平臺由提升牛腿和提升裝置共同支承，即提升牛腿和提升裝置共同控制提升平臺的升降。所述運輸裝置上表面安裝有若干千斤頂。由于現有技術難以克服模塊單元的垂直吊裝和平移就位，模塊化施工沒有得到廣泛應用。本發明正是從模塊單元的垂直吊裝和平移就位的難題入手，在充分利用前續施工的混凝土核心筒和已施工的建筑物下部鋼結構的基礎上，解決了高層鋼結構模塊化施工的難題。
文檔編號E04G21/14GK103243930SQ20131014158
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月23日 優先權日2013年4月23日
發明者崔碧海 申請人:重慶大學