高层建筑施工垂直运输设备其趋势

【摘 要】本文从高层建筑发展前景引入大型动臂式塔机的发展问题,从选用大型动臂塔机的原因分析、安全使用、发展历程以及发展方向四个基本要素展开阐述,详细分析了动臂式塔机在高层施工中的诸多优势及需要重点关注的若干安全问题,说明了其发展趋势及发展方向.

1.大型垂直运输设备发展背景

改革开放以来,我国以大国崛起的经济发展形势向全世界诠释着“中国速度”,伴随着经济的快速发展是中国城镇化进程的不断加快,越来越拥挤的城市空间制约着国内城市向都市化前进的脚步,和世界其他许多发达城市一样,中国也开始向天空寻找方向,随之而来的是国内高层建筑如雨后春笋般在中国大地上一座座拔地而起,上海环球金融中心、南京紫峰大厦、深圳京基大厦、广州西塔等均为名副其实的超高层区域性地标,包括公司在建的武汉中心项目以438米的设计高度引领华中之先.当然,作为建筑人,我们更关注的是他们崛起的历程,历数国内超高层建筑,无一例外的,大家都惊人一致的选择了大型动臂式内爬塔机作为施工保障的生命线.高层建筑中超重结构单元的吊装对起重设备的大起重量、大起升高度、大起升速度均提出了严格的要求,这就使得具备这些优势的大型动臂式塔机成为典型超高层工程施工的首选,甚至是唯一选择.作为华中地区率先开建的地标――武汉中心,其主塔楼施工所引进的中1250及法福克M900D看似无意实则必然,华中建筑机械行业将因此步入一个跨越式发展的全新领域.

2.高层建筑垂直运输设备的使用

2.1高层建筑垂直运输设备的选型分析

2.1.1性能参数符合高层施工需要

（1）大起重量.现代大型建筑工程基本都采用了钢或钢、混凝土组合结构,吊装单元的重量大大提高,例如武汉中心项目巨型钢柱有的重达36吨,水平臂塔机起重量和起重力矩都很难达到要求,而武汉中心引进的两台动臂式塔机起重量都达到64吨,满足施工需要.

（2）大起升高度.采用了特殊的爬升体系,内爬或者外挂式支承,起重机可随建筑结构整体爬高,起升高度大幅度提高,完全规避掉了平臂式塔机增高就必须加节、附墙的繁琐工序以及由于过高而衍生的安全问题.

（3）大起升速度.动臂塔机普遍采用内燃机动力拖动方案,全液压无级调速,带负荷起升速度一般超过100m/min,运行平稳,有效解决能源紧张,规避了高层用电压降等问题,同时杜绝偶发性断电带来的安全隐患.

2.1.2结构特性适合高层施工

（1）作业空间限制.现代城市建筑空间越来越拥挤,传统的平臂式塔机大臂经常覆盖到城市道路或存在碰撞相邻建筑物的风险,而动臂式塔机通过臂架俯仰可有效解决空间制约的难题.

（2）吊臂起伏角度大,尾部回转半径小.一般动臂式塔机的俯仰角度允许在15°～85°之间,相对于平臂式塔机,吊臂的大仰角相当于增加了塔身的高度,有效工作范围得到极大扩展.

（3）吊臂稳定性好,安装幅度范围大.动臂式塔机吊臂设计基本采用“杆”结构,相对于平臂式塔机的“梁”结构稳定性更好,吊臂占整机结构重量比例更小,而最大起重量则更大.

2.2大型动臂式内爬塔机的安全使用

2.2.1支撑系统的安全

以武汉中心项目ZSL1250及M900D塔机为例,两台塔机内爬支承系统设计原理相同,均由三套结构尺寸相同的支承钢梁配套而成,其中两套组成结构支撑体系.下支撑抵抗垂直载荷,上、下支撑抵抗等效水平载荷,其平面投影重合,构成稳定的结构支撑体系.该套支撑系统稳定性好,力传递流为：爬升梯――钢大梁――牛腿――附墙件――墙结构,最终将力传导到建筑主体结构上,稳定性的关键在于牛腿与附墙件的连接及附墙件与墙之间的连接可靠性问题,上海环球金融中心施工方式采用外挂式支承,与武汉中心形式不同,但承力关键要素同样是附墙系统的可靠性问题,支撑系统安全控制工作的本质相同.

2.2.2风标效应

动臂式塔机当臂架由最大幅度变化到最小幅度时,其吊臂迎风面积将增加3～4倍,而当其臂架达到最大仰角时,风力的影响会大幅增加其臂架向后倾覆的危险.在使用中必须有针对大仰角工作状态的应对措施,有相应的风力测试仪,风力达到一定程度时,限制塔机的仰角或停止工作.而在非工作状态下,臂架按厂家使用说明书的要求置于一定的角度,使塔机有一定的迎风面积,产生风标效应,尽量减小风载荷对于塔机的影响,保证安全.

3.大型动臂式内爬塔机的发展趋势

3.1发展历程

动臂式塔机是历史上最早出现的塔机型式之一,20世纪60年代,大中型塔机中,动臂式塔机的市场份额占近70%左右.但从20世纪70年始,以中国为代表的发展中国家开始加快城镇化的建设,低成本、粗放型经济发展方式使得成本低、灵活、快速、高效的小车变幅塔机取得绝对的统治地位.

随着经济的快速发展,建筑楼群的密集,使塔机的工作空间受限,迫使人们再一次改变观念,从小车变幅改变为臂架俯仰,为塔机作业创造有利空间,越来越拥挤的城市将再一次为动臂式内爬塔机的复兴带来绝佳的发展契机.

3.2发展趋势

3.2.1模块化、紧凑化及简捷化设计

动臂塔机在高层建筑中虽然有着不可替代的诸多优势,但其昂贵的成本、大尺寸的结构以及复杂的安装程序还是会让使用者大伤脑筋,所以尽量使结构简单,减少体积,提高结构可靠性,改善加工工艺,降低制造成本是全世界所有塔机厂家不可避免应该考虑的设计方向.模块化的设计将大幅简化安拆流程,以达到降低成本的目的.

3.2.2性能优化设计

对动臂塔机而言,当动臂变幅时,由此会产生附加静载力矩,想办法平衡这一力矩会大大提高塔机的起重能力,有效解决此问题对大幅提升动臂塔机的起重性能极具意义.在机械方面的解决方法是移动配重,即当臂架向上变幅时,配重向接近塔身的方向移动,而当臂架向下变幅时,配重向远离塔身的方向移动,这一设计极大地改善了塔身受力状况,提高起重性能.

3.2.3安全优化设计

对于动臂式塔机,制造商们一般允许臂架角度在15°～85°之间变化,随着臂架的加长,要达到塔身周边区域时臂架的仰角非常大,有时仰角甚至达到87°,这在有风的工况下臂架极易发生倾覆危险,但是如果将臂架下铰点布置在回转中心线后2米,在同样的臂长和最小幅度时,臂架的仰角可以减小到83°,这样就大大减小了臂架后翻的危险.当然这一优化设计的前提是塔身结构能够承受足够的弯矩,不过日本的IUKV700K动臂式塔机已将这一设计转为现实.

3.2.4人性化设计

人性化设计是一种全新的设计理念,它是为了在设计文化的范畴中,提升人的价值,尊重人的自然属性和社会需求,对于动臂式塔机来说一般指司机室按人机工程理念设计,塔机装有超重限位、超高限位、超幅度限位、保护制动器等多种安全保护装置,整套系统由PLC（可编程逻辑控制器）监控,配合司机室内人机界面（触摸式显示屏）,可以实时显示吊重、吊钩高度、幅度、风速等数据,自动化程度高,便于实现自动保护及故障查找.

4.结语

对于现代化程度越来越高的中国来说,超高层建筑终将如小康生活一样普及,动臂式塔机也必将伴随着中国的现代化进程得到长足的发展,在建筑起重机械大家族,大型动臂式塔机定会持续独领.

目前,世界第一高楼迪拜塔于2010年就已由动臂式内爬塔机构造完成,使用四台法福克动臂塔机的在建中国第一高楼上海中心也早已突破了500米高度,我们有理由相信,只要建筑结构设计能够达到的高度,大型动臂塔机也一定能够达到.武汉中心,国产的大型动臂塔机中1250起重主参数已经达到12500KNm,我们更有理由相信,只要国外产品能够达到的性能指标,中国产品也一定能够达到!