天津周大福金融中心建筑维护系统（擦窗机）设计
发布时间：2020-03-17
摘要：天津周大福金融中心塔楼建筑外立面玻璃幕墙造型以曲面为主且复杂多变，其建筑维护系统(擦窗机)即按照 “结构变化特点、分区、分系统”进行设计。在建筑低区(1～70层)设计4部独立的建筑维护系统(擦窗机)，采用平行双轨道运行模式进行作业;建筑高区(71～99层)设计1部独立的建筑维护系统(擦窗机)，采用圆弧形轨道运行模式进行作业。通过高、低区2种系统结合使用，实现了对塔楼建筑外立面玻璃幕墙全覆盖清洗及维护功能。
关键词：超高层建筑;曲面;玻璃幕墙;擦窗机;设计
1 工程概况
天津周大福金融中心项目塔楼建筑高度530 m，建筑外立面玻璃幕墙设计为曲面起伏多变的莲花造型，由3 308 种类型单元体组成，共14 390块单元体，总面积约110 000 m2 (图1)。
2 擦窗机设计方案先期条件
综合建筑结构特点、各类受限因素及使用需求，擦窗机的设计方案须首先考虑以下因素：
1)安全性、可靠性、先进性须达到行业内领先水平，且具备自动化程度高、作业效率高、操作便捷、维护方便的设备机型为优先选用条件。
2)选用的擦窗机设备机型必须满足建筑结构承载、空间限制等要求。
3)满足建筑外立面幕墙清洁维护周期要求及设备层停放位置的要求。
4)擦窗机作业区域须覆盖整个建筑外立面，满足幕墙清洗及玻璃更换要求，无死角。
3 擦窗机方案设计
基于上述先期条件，综合塔楼结构特点、作业面积、清洗周期要求等，最终确定在71层布置4台伸缩关节臂擦窗机和在99层布置1台伸缩关节臂擦窗机的设计方案(图2、图3)。
4 塔楼71层擦窗机系统设计
4.1 清洁周期计算
根据以往类似工程经验取值结合本工程实际、使用方需求，计算如下[1-2] ：
1)塔楼1～70层所需清洗幕墙总面积约79 000 m2 。
2)每名清洁工清洁速度50 m2 /h。
3)每天清洗时间为5 h(除去设备开启、升降、停放等操作时间)。每年只有约60%的天数可用于清洁作业，主要是由于恶劣天气、大风，法定假日，擦窗机的维保以及设备用于维护建筑的外立面等因素所导致。
4)计算方法：71层设计配置4台擦窗机，每台擦窗机吊篮配2个清洁工，4台擦窗机每天可清洗幕墙面积为 50×5×2×4=2 000 m2 ，故71层及以下区域清洁周期为 79 000/2 000≈40 d，考虑每年只有60%的天数可以用于擦窗机清洁作业，故实际清洁周期为40/0.6≈67 d。通过计算，塔楼71层以下幕墙每年可以清洁5次(365/67≈5)。
4.2 设计方案总述
根据擦窗机所处楼层空间布局、清洗周期、作业范围等需求，确定在塔楼71层(设备层)建筑4个大角部位分别布置1台擦窗机，共4台。在开启不同区域幕墙自动门后，擦窗机沿轨道移动至门口处，利用大臂回转、前吊臂回转、前吊臂伸缩、臂头回转等功能和操作步骤，实现对71 层以下幕墙全方位清洁维护及破损玻璃更换(图4)。
4.3 设计方案要点
4.3.1 空间布局
塔楼71层为设备层，建筑各专业设备排布复杂、空间狭小，预留给擦窗机的停机、运行、回转空间只有建筑4个大角部位的设备间，空间尺寸为16 500 mm×4 500 mm× 5 000 mm。考虑对建筑整体外观效果影响，擦窗机的停机状态必须要全部停靠在设备间内。同时需要考虑每台擦窗机的作业区域、最远作业覆盖范围须达到25 m及建筑外立面幕墙造型变化等多重因素，最终确定选用3节伸缩关节臂轨道式擦窗机。
4.3.2 作业范围
塔楼71层擦窗机系统负责塔楼71层以下建筑外立面幕墙的清洗维护作业，这就要求4台擦窗机作业范围必须保证对建筑71层以下全方位覆盖(图5)。
4.3.3 轨道设计
根据擦窗机的停机、运行、回转空间位置、作业范围、机型等相关条件，结合原建筑结构设计及不同楼层设计荷载，综合安全、可靠、经济等使用需求进行轨道设计。
71层设备选型为：多级回转和吊臂伸缩型轨道式擦窗机，吊臂长度(回转中心至轨道中心)为24 700 mm，单点的最大轮压为435.82 kN。经验算，Q345H型钢的轨道满足强度和刚度要求。
轨道选用300 mm×305 mm的H型钢，采用热镀锌进行防腐处理，以满足擦窗机停机、运行、回转过程中对轨道刚度、强度的要求及日常维护要求。单台擦窗机采用平行双轨道运行模式，轨道间距为2 500 mm，轨道末端设置机械止动装置[3] 。
轨道采用高强螺栓、特制压板固定在设备基础钢墩上。轨道和设备基础钢墩间采用橡胶减振垫结合，用以减轻设备运行过程中产生的振动和噪声。设备基础钢墩布置间距为1 950 mm(垂直轨道方向)，直接焊接在原建筑结构钢梁上，预埋螺栓后进行二次灌浆，使基座和楼板浇筑成为一体，以满足设计强度要求[4] (图6)。
4.3.4 擦窗机系统组成
系统主要包括行走系统、回转大臂、配重系统、伸缩臂、吊篮臂、吊篮、卷扬机系统、约束系统、控制系统等[5] (图7)。
1)行走系统：由行走梁和底座组成，配置2台SEW减速电机驱动，负责整台擦窗机在轨道上的行走驱动。
2)前吊臂回转：通过设计计算回转角度为-115°～ 115°，最大限度地保证擦窗机作业覆盖范围。
3)配重系统：由配重箱和配重块组成重达35 t的配重系统，用于平衡擦窗机最远工作状态时的受力，保证设备使用安全。
4)伸缩臂：由3节伸缩臂组成，依靠液压系统驱动进行前后伸缩活动。
5)卷扬机系统：由主卷扬机和辅助卷扬机组成。主卷扬机负责吊篮升降，辅助卷扬机负责物料挂钩升降。
6)约束系统：由防风销、防风销座和防风绳组成。防风销座设计组装在幕墙单元体上，吊篮通过防风绳和防风销在下降的过程中与幕墙上安装的防风销座连接，进而约束吊篮依附在幕墙外面，防止吊篮因受风力影响随意摆动，同时约束吊篮到达由于建筑结构变化等因素导致的无法进行垂直清洗维护的区域。
7)控制系统：由主控制柜和吊篮操作控制柜组成。
5 塔楼99层擦窗机系统设计
5.1 清洁周期计算
根据以往类似工程经验取值，结合本工程实际、使用方需求，计算如下：
1)塔楼71～99层擦窗机所需清洗幕墙总面积约31000m2 。
2)每名清洁工清洁速度50 m2 /h。
3)每天清洗时间为5 h(除去设备开启、升降、停放等操作时间)。每年只有约60%的天数可用于清洁作业，主要由于恶劣天气、大风，法定假日，擦窗机的维保以及设备用于维护建筑的外立面等因素所导致。
4)计算方法：9 9层设计配置1台擦窗机，擦窗机吊篮配2个清洁工，1台擦窗机每天可清洗幕墙面积为 5 0×5×2 = 5 0 0 m2 ，故7 1～9 9层区域清洁周期为 31 000/500=62 d，考虑每年只有60%的天数是可以用于擦窗机清洁作业，故实际清洁周期为62/0.6≈103 d。通过计算，塔楼71～99层幕墙每年可以清洁365/103≈3.5次。
5.2 设计方案总述
塔楼99层擦窗机设计，主要考虑满足71～99层建筑外立面幕墙的清洗和维护、清洗周期、结构空间、设备停放、安全性、经济性等因素，采用1台伸缩关节臂式擦窗机，铺设一圈圆形轨道，通过6个幕墙开启门，以达到擦窗机对建筑外立面幕墙360°全覆盖清洗功能(图8)。
5.3 设计方案要点
5.3.1 空间布局
塔楼99层为擦窗机设备专用楼层，同时又位于塔楼的顶部，在空间上限制条件少。考虑对建筑整体外观影响，擦窗机停机状态必须全部停靠在楼层内，擦窗机的作业区域须全部覆盖71～99层建筑外立面玻璃幕墙，最终确定在塔楼99层铺设环形轨道，选用1台4节伸缩关节臂式擦窗机。
5.3.2 作业范围
塔楼99层擦窗机系统负责71～99层建筑外立面幕墙的清洗维护作业，满足对建筑外立面幕墙360°全覆盖清洗维护需求。
5.3.3 擦窗机系统组成
塔楼99层伸缩关节臂擦窗机与71层擦窗机基本同属于一种机型系统，不同之处在于行走驱动系统增设了摆动梁，以确保设备顺利地在圆弧轨道上运行。大臂回转角度为-165°～165°，伸缩臂旋转角度为-130°～130°，保证了擦窗机对71～99层建筑外立面幕墙的360°全覆盖。
6 擦窗机系统辅助设计
6.1 避雷保护
在雷雨天气期间如果设备部分从建筑物凸出，应在设备上装有防雷保护装置。防雷保护为铜编织带引线，安装在设备的3个回转机构(吊篮臂、关节臂及主回转轴承)上。
6.2 防碰撞措施
在每节吊臂组两侧各安装电子眼碰撞感应器，以确保设备主机在回转或者行进通过建筑物以及幕墙门时可以避开障碍物。一旦防碰撞感应器被触发，擦窗机只被允许向相反方向回转或行进。连锁机制由负责擦窗机所有功能的PLC控制[6] 。
6.3 维修和紧急通道
发生紧急情况(如操作人员被困在99层吊篮中无法作业)，建议按照以下步骤采取措施：
1)被困操作人员由建筑高区(99层)手动释放吊篮到低区(71层)。
2)将71层擦窗机吊篮停靠在71层楼层旁。
3)由71层擦窗机操作人员将受困人员从99层擦窗机吊篮营救至71层吊篮。操作时，不允许超过吊篮设计承重荷载，同时提前备好安全带，确保整个营救过程安全有保障。
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