移動式造樓工廠——“空中造樓機現場、現澆自動化綠色建造技術”系統概述


 文 / 董善白 

 

一、為什么要研發這項技術?

 

第一,中國人口規模巨大,大城市與特大城市眾多。受制于18 億畝農用耕地總量控制,建設用地資源稀缺。中國城鎮住宅以獨棟高層為主,外國住宅以HOUSE 為主,住宅形態差異巨大,導致住宅建筑材料、結構形式、建造方式等市場化需求不同。

 

第二,為滿足市場土地供應需求,平抑節節飆升的地價對房價的影響,持續不斷攤大餅式地擴大城市用地范圍是一條途徑。另外通過城中村改造、老舊住宅小區更新,大幅提升建設地塊容積率,建造更多更高的公租房和普通商品房,也是政策可供選擇的一條途徑。這需要各地政府因地施策、因城施策。

 

如今,香港60 層高住宅比比皆是,深圳、廣州50多層高住宅也已不是個別案例。這一現象同時呈現出量大、面廣、集中度高的特征,具備住宅標準化設計、規?;ㄔ?、產業化發展的必要條件。

 

第三,以大量農民工為主的現澆作業方式難以為繼。1976 年唐山大地震后,為保障建筑具備優良的整體抗震性能,40 多年來,依靠大量農民工的現澆建造方式已得到業內專家和普通百姓的廣泛認可。在改革開放初期,這對大量農民工進城務工、解決溫飽問題作出了巨大貢獻。但社會發展到今天,綜觀所有行業,只有建筑業依靠大量人工,高空、高危、重體力、日曬雨淋、工傷事故難以杜絕的工作性質和作業環境依舊難以改觀。

 

如今,香港高空作業技工日薪已超3000 港元,深圳日薪700 元人民幣也招不到年輕技工。這說明即便高薪攬人也難以擺脫建筑行業招工難、用工荒的困局。這是我們制定研發目標、選擇技術路徑需要特別關注的重點和難點。

 

第四,目前,各地建設主管部門大力推廣的預制混凝土裝配式建造技術(PC),在地震區有80 米限高規定。眾多80 米以上高層與超高層住宅,因更高標準的建筑整體抗震性能要求,專家、百姓、開發商并不都認同采用PC 技術建造。為化解技術分歧:垂直構件采用現澆、水平及外墻局部突出構件采用預制,即預制與現澆相結合裝配整體式建造技術是目前建設工地的普遍做法。

 

總體來看,PC 技術仍沒有破解大量人工、高空、高危、重體力建造方式的痛點和難點。因此衍生出對PC 技術的先進性和“等同于現澆”理論概念的諸多質疑。

 

第五,轉變傳統思維模式障礙,遵循供給側結構性改革政策指導思想,探索基于“用機器換人工”,將固定式大型預制構件廠轉換為移動式造樓工廠理念。研發集成多種功能和成熟技術的大型組合式機械裝備—空中造樓機,運用人工智能和5G 工業互聯網技術,實現遠程控制方式下的現場、現澆自動化綠色建造,是根本轉變高層住宅落后的建造方式,推動建筑業轉型升級、可持續發展的正確技術途徑。

 

二、“空中造樓機現場、現澆自動化綠色建造技術”目標訴求

 

(一)市場應用對象80 米~180 米高、薄壁剪力墻結構體系、高層與超高層公租房和普通商品房標準化建造、產業化發展。

 

(二)技術目標訴求

1.用少量產業技工替代大量農民工,徹底擺脫高空、高危、重體力工作方式;改善高空作業環境,杜絕工傷事故源頭起因,確保建筑業可持續發展。

 

2.依靠空中造樓機裝備性能和自動化控制手段,實現安全運行可控、工程質量可控、建造周期可控、建安成本可控和建造垃圾、粉塵、噪聲零排放的綠色建造目標。

 

3.依靠混凝土現澆作業,確保建筑具備優良的整體抗震性能,防水防滲性能。順利對接國家抗震設計規范,混凝土設計與驗收規范。

 

4.遵循住宅產品標準化設計和空中造樓機裝備標準化、通用化相配套理念,共同構建新型工業化、自動化綠色建造技術總體優勢。

 

三、“空中造樓機現場、現澆自動化綠色建造技術”系統構成

 

(一)住宅產品標準化設計是基礎

 

1.建立戶型標準化、核心筒標準化圖庫。

 

2.以模塊化組合方式,設計適應不同地域、不同地塊、不同高度、不同戶型相互組合,可供開發商選擇的住宅標準化產品庫。

 

3.住宅產品形體選型應注重外型簡潔,體型系數(外墻面積與標準層面積之比) 0.8,利于保溫隔熱的節能型產品,一種標準化“空中造樓機”裝備,可覆蓋多種標準化住宅產品重復和循環建造。

 

(二)空中造樓機裝備總成遵循標準化、通用化設計理念,注重通過機械部件模塊化構成方法,適應快速組裝、標準化互換、自主拆卸與回落轉場,重復和循環使用。

 

(三)在科技進步、工業化制造水平高度發達的今天,運用人工智能和5G 工業互聯網技術,實現“空中造樓機”遠程控制方式下的自動化綠色建造,預警和信息自動留痕,已沒有技術上解決不了的難題。

 

(四)開發三維參數化建模和空間受力有限元分析計算專用軟件。

 

(五)針對建造過程數量龐大、構件多樣、安裝工序繁雜但標準的產業鏈部品部件(剪力墻鋼網、非承重分戶墻鋼網、外保溫飾面板與外圍剪力墻鋼網一體化現澆成型、門窗洞口標準化支撐、洞口底部與側面標準化堵頭板、鋼筋桁架樓承板、內外模板模架在現澆過程中防側移、防漏漿部件等),在加工制造、運輸安裝等環節,研發能在人工輔助安裝工況下,實現自主尋位、精準安裝等自動化工藝要求的機具。

 

(六)建安成本比較分析與測算。

 

(七)編制技術應用指南、空中造樓機裝備技術標準、建造工法指導手冊三本企業標準。

 

(八)運用動畫,形象化虛擬產業技工如何操控空中造樓機,進行工業化、自動化綠色建造。

 

四、移動式造樓工廠—空中造樓機裝備總成

 

(一)裝備總成概念表述

 

1.剪力墻結構體系的高層與超高層住宅,其主體結構的重要特征是房間內沒有突出的受力構件,主體結構沒有明顯的內外筒傳力特征。針對薄壁剪力墻不能有規律地縱橫向布置,無法作為液壓頂升的傳力載體的特征,尋找空中造樓機裝備總成的構成途徑。

 

2.空中造樓機是一種套在建筑物外圍、可自動升降的大型鋼結構框架,鋼框架上高度集成了具備各種起重、運輸、安裝功能的機械部件及多道施工作業平臺,通過格構式鋼管升降柱與多道桁架式水平附墻穩定支撐,組合成為一臺模擬“ 移動式造樓工廠”的大型特種機械裝備。依靠設置在地下室的液壓頂升+ 機械絲桿雙保險傳動機組強大的液壓驅動能力,沿建筑主體結構剪力墻敷設的型鋼軌道,強制造樓機升降柱標準節自主升降,構建自動化升4(1+3)、降3 現澆標準作業工序,運用人工智能和5G 工業互聯網技術,形成遠程控制方式下的自動化綠色建造,這是一座移動式造樓工廠的形象化簡稱。

 

(二)空中造樓機裝備中機械運行部件構成

 

1.四臺由6 條活塞油缸+4 根機械保險絲桿+ 水平輸送小車,構成儲料機架+ 傳動機架組合而成的標準化、模塊化液壓傳動機組,構建造樓機升降柱標準節水平方向同步進出、垂直方向同步升降的功能。

 

2.一臺位于頂部鋼平臺,沿水平軌道運行、可瞬間鎖定的門式起重機(雙鉤起重能力2×8.0 噸、速度30 米/ 分)。

 

3.二臺位于頂部鋼平臺,沿水平軌道運行,具備自動尋位功能的3D 打印式布料機,與布置在頂部鋼平臺內的眾多垂直布料管,進行快速精準對接。針對薄壁墻、梁垂直構件采用高強、高流動性、免振搗自密實混凝土,實現3D 打印式定點、定量、穩壓布料。

 

4.一臺高空運行可瞬間鎖定的雙梁行車(雙鉤2×3.0 噸、速度30 米/ 分),實現鋼筋網等產業鏈部件安裝就位,吊掛專用布料機實現樓面普通混凝土水平布料。

 

5.一臺集中輸送產業鏈鋼網和內裝物料,由卷揚機+鋼絲繩驅動的貨運平臺(速度30 米/ 分),實現物料垂直方向高效搬運。

 

6.標準化、模塊化內外模板模架伴隨造樓機整體自動升降動作,實現混凝土澆筑前模板整體水平自動合攏?;炷脸跄龔姸纫蛄魉疂仓r間差原因,需要實施流水分步水平自動脫模。待全部內外模板完成水平脫模后,內外模板與混凝土之間在無摩擦工況下,啟動造樓機升4(1+3)標準作業工序。

 

7.附墻型鋼軌道

(A)在靜態與動態運行時,依靠附墻型鋼軌道與沿軌道運行的多道滾輪組,對造樓機起到水平約束和垂直導向作用,強制內外模在降3 過程中緩慢回歸原位,實現垂直構件精準現澆。

 

(B)規格:200×200×10,L 與層高相等,異型型鋼軌道一側帶開口,外圍沿長度方向每隔350mm 設50mm×10mm 加勁肋。每層型鋼軌道有3 處與剪力墻埋板用高強螺栓固接。

 

(C)四臺安裝在樓面操作平臺上,具備液壓水平抱爪與垂直水平調節功能的安裝機具,在雙梁行車配合下,實現型鋼軌道逐層、快速、精準安裝。

 

8.一臺在升降柱內依靠齒輪齒條運行的專用載人電梯(500kg、6 人、速度40 米/ 分)

 

9.位于頂部鋼平臺上二臺風速儀、一臺空氣壓縮機。

 

 

(三)空中造樓機裝備中施工作業平臺構成

 

1.頂部鋼結構平臺:由標準化托架、主桁架、次桁架構成,承擔一臺門式起重機+ 二臺3D 打印式布料機+吊掛在主桁架下弦的過渡連接機構+ 吊掛在過渡連接機構下的、不著地的內外模板模架。在恒載+ 活載+ 風載作用下鋼平臺的長期撓度1/1000。

 

2.過渡連接機構:通過由上下垂直相交的H 型鋼,將不規律的內、外模板模架荷載,有規律地傳遞至鋼平臺主桁架下弦節點處。

 

3.外模水平固定作業平臺:利用造樓機整體剛度,精準控制外模水平方向誤差。確?,F澆住宅外墻垂直方向精度。

 

4.雙梁行車操作維修平臺。

 

5.樓面混凝土施工作業平臺:保障升4 節奏中,提供眾多產業鏈構件安全寬敞的作業環境。

 

(四)空中造樓機附墻水平穩定支撐構成

 

1.升降柱與升降柱之間、升降柱與附墻型鋼之間每6 層安裝一道鋼桁架水平附墻穩定支撐。

 

2.升降柱與附墻型鋼軌道之間每6 層安裝一道鋼桁架獨立水平附墻穩定支撐。

 

3.上述二種附墻水平穩定支撐沿垂直方向交錯布置。

 

4.第一道鋼桁架水平穩定支撐應布置在樓面混凝土施工作業平臺下方第三個標準節位置,確保剪力墻具備足夠的抗拉強度。

 

(五)空中造樓機升降柱標準節構成

 

1.格構式鋼管升降柱由與住宅層高相等的標準節,按插接方式,由液壓頂升機組實施自動對接與自動脫鉤。

 

2.升降柱標準節由普通標準節、載人電梯標準節和頂部特殊標準節三種類型構成,平面尺寸為1800×1800,考慮到造樓機在1000 噸重載作用下的壓縮變形,高度尺寸適應住宅2.8 米、2.9 米、3.0 米三種層高,分別為2802、2902 和3002。


3.在地面以上逐層升高過程中,于升降柱與水平桁架連接處,為防范升降柱在風載作用下的局部附加彎矩,需人工加裝標準抱箍。

 

4.施工作業平臺走道板

 

空中造樓機走道板長期處于高溫日曬工況下,為防止鋼結構正面與背面因溫差引發的伸縮變形,走道板采用250×25 防腐木質走道板。

 

五、構建造樓機自動化升4(1+3)、降3 現澆標

 

(一)80~180 米薄壁剪力墻結構體系住宅,主體結構垂直構件采用高強、高流動性、免振搗自密實混凝土;水平構件采用普通混凝土,需要分開現澆作業。

 

(二)針對垂直構件薄壁形態,不規則線性布置及自密實混凝土的材料特征,配套研發3D 打印式布料機,實現自主尋位、定點、定量、穩壓布料,構建先垂直后水平,相互連貫、配套的自動化建造工藝流程。

 

(三)遠程控制方式下的自動化建造:在國家大力倡導運用人工智能和5G 工業互聯網技術引領科技進步的今天,在中央控制室內,遠程控制空中造樓機現場、現澆自動化建造和自主回落轉場,技術上已沒有解決不了的難題。

 

(四)造樓機升4(1+3)狀態下11 道標準化現澆作業工序

 

1.墻、梁自動劃線定位。人工整理伸出樓面的錨固鋼筋,確保鋼筋網外型整齊劃一。

 

2.人工安裝墻、梁鋼網交接處定位型鋼。

 

3.物料輸送平臺集中載運剪力墻鋼網至樓面混凝土作業平臺標高(速度30 米/ 分)。此前,內墻剪力墻鋼網和外墻+ 保溫飾面板組合鋼網已在地面工棚內先行組裝成型。

 

4.雙梁行車通過自動尋位功能,先內墻后外墻流水吊裝剪力墻鋼網精準就位。

 

5.物料輸送平臺集中載運預制輕質分戶墻鋼網至樓面混凝土作業平臺標高。

 

6.雙梁行車通過自動尋位功能流水吊裝輕質分戶墻鋼網精準就位。

 

7.物料輸送平臺集中載運門窗洞口標準化支撐至樓面混凝土作業平臺標高。

 

8.雙梁行車流水吊裝支撐至洞口位置,人工安裝洞口標準化支撐。

 

9.物料輸送平臺集中載運連梁與框架梁主筋和箍筋至樓面混凝土作業平臺標高。

 

10.雙梁行車流水吊裝鋼筋就位。人工在馬凳上安裝連梁與框架梁鋼網,并與兩端剪力墻鋼網固接。工序完成后,模板回落前拆除馬凳,集中擱置在物料平臺上。

 

11.經施工監理現場人工巡檢,確認造樓機可以整體回落。

 

(五)造樓機降3 狀態下9 道標準化現澆作業工序1.內外模板模架在開模狀態下,隨造樓機整體回落3 節升降柱標準節,當模板下部越過50 線后,通過電力推桿電機驅動,整體自動化同步水平合模。

 

2.龍門吊在固定位置,以30 米/ 分速度從地面吊裝2.0m3 自密實混凝土至3D 打印式布料機料斗,實現流水、定點、定量、穩壓布料。人工沿模板模架現澆操作平臺隨機巡檢,輔助微振搗。

 

3.在正常氣溫條件下,以房間為單位進行流水現澆,6~8 小時后按流水現澆時間差,先后啟動內外模板模架水平自動脫模。在人工巡檢并確認全部內外模板模架處于水平脫模狀態時,啟動造樓機整體進入升4 作業工序。

 

4.人工沿模板模架現澆作業平臺,用壓縮空氣清除模板浮灰。

 

5.物料輸送平臺集中載運鋼筋桁架樓承板(按房間為單位,事先在地面工棚內組裝成型)至樓面混凝土現澆作業平臺標高。

 

6.雙梁行車通過自動尋位功能流水吊裝鋼筋桁架樓承板精準就位。

 

7.人工敷設梁板負彎矩鋼筋,安裝洞口外緣側模和預埋板。梁板跨度3m 時,需人工臨時加裝帶橫梁的標準頂撐。

 

8.物料輸送平臺載運2 臺1.0m3 普通混凝土料斗至樓面混凝土作業平臺標高。

 

9.雙梁行車吊掛料斗,流水現澆樓面普通混凝土。

 

24 小時后雙梁行車吊裝附墻型鋼軌道,配合位于樓面混凝土作業平臺上的8 臺簡便安裝機構,逐層完成型鋼軌道快速、精準安裝與就位。

 

六、空中造樓機安全運行與精準建造界定標準

 

(一)空中造樓機空間力學有限元分析計算軟件:Abaqus SAP2000 ANSYS。

 

(二)風荷載取值:造樓機是一臺造樓裝備,以布置在頂部鋼平臺上風速儀,按實地實時風速(風壓)× 風振系數× 體型系數作為計算分析依據。

 

(二)運行工況

 

1.臺風:在天氣預報前提下,造樓機內外模板模架回落至已現澆完成的樓面,防范造樓機水平擺動。

 

2.在10 級陣風(狂風)28.4m/s 工況下,造樓機整體力學性能處于彈性工作階段。

 

3.在6 級風13.8m/s 工況下,允許造樓機整體以700px/ 分速度緩慢升降作業。

 

(三)邊界條件與安全運行界定

 

1.空中造樓機是一臺頭重腳輕的大型多層鋼框架,通過附墻型鋼軌道和多道水平穩定支撐保障造樓機在靜態與動態工況下的安全運行,不會發生瞬間脆性破壞倒塌現象。

 

2.造樓機第一道附墻水平穩定支撐以上為懸臂端,初始狀態懸臂端最大為39 米,永久狀態懸臂端最大為22.24 米。

 

3.在10 級陣風工況下,初始狀態與永久狀態造樓機懸臂端鋼構件:應力比應0.8,整體屈曲穩定系數4.0,確保構件不會產生塑性變形。

 

4.在6 級風工況下,造樓機回落時懸臂端為16.6 米,第一道水平穩定支撐固端處水平位移應10mm。

 

5.附墻型鋼軌道,在包絡多向風載最大水平推力20噸作用下,應具備足夠的強度與剛度:應力比0.8,撓度1mm。型鋼軌道與滾輪組之間間隙5mm,確保造樓機運行時不會產生蹩馬腿現象。

 

6.標準化液壓傳動機組頂升力升降柱底部支反力×1.5。

 

(四)精準建造

 

1.空中造樓機是在室外、高空、始終有風工況下運行的一臺大型機械裝備,為創造安全運行工況,其核心液壓傳動機組應布置在升降柱最下端,水平作用力接近于零的地下室部位。防范不利工況引發油缸爆裂、密封圈漏油、機械絲桿屈曲失穩等安全隱患,確保運行過程不受風吹雨打,陽光暴曬、雷電襲擊等極端環境條件影響,方便人工隨機巡檢,維護與保養,零部件更換。

 

2.從下往上驅動造樓機逐層自主升降的工藝路徑,使得造樓機上多道施工作業平臺和多道水平附墻穩定支撐及滾輪組,能在近地面高度狀況下,組裝進場和拆卸轉場,符合造樓機安全操作工藝流程。

 

七、住宅產品標準化設計是基礎

 

1.住宅產品標準化設計應與空中造樓機裝備標準化相配套。一臺標準化、模塊化組裝成的“空中造樓機”,通過互換少量標準化機械部件,能夠覆蓋多種標準化住宅產品建造,實現裝備重復和循環使用。

2.建立公租房與普通商品房標準化戶型。

3.建立公租房與普通商品房標準化核心筒。

4.模塊化組合成板式公租房與普通商品房標準化產品。80~180 米高板式公租房標準化產品。

5.100 米高塔式公租房與普通商品房標準化產品。

 

6.180 米高塔式公租房與普通商品房標準化產品。

 

 

八、技術經濟指標與社會效益預測

 

第一,高空、高危、重體力人工作業工序基本上被機械作業取代,安全運行、工程質量、建造周期、建安成本依靠人為控制的方式被自動化程序控制方式取代。徹底轉變了高層建筑的建造方式;第二,與傳統建造方式定額用工相比較,用工量減少80% 以上。大量農民工經培訓,轉換為少量產業技術工人;第三,無須配套建設占用大量耕地的大型預制構件廠,建造過程配套產業鏈均為標準化、輕量化桁架鋼筋網,物流環節相對高效與節能;第四,建筑垃圾、粉塵零排放,裝備運行環境噪音45分貝;第五,造樓機使用壽命暫定10 次周轉循環,按3~4次裝備快速折舊攤銷成本,與傳統建造方式包工不包料建安成本,基本持平或略低;第六,建造周期6 天/ 層,主體與內裝相隔4 層穿插進行,主體與外墻裝飾同步現澆成型。1 棟百米高成品住宅,從進場組裝到造樓機回落轉場,1 年內完成。

 

 

九、通過項目示范建造全面驗證技術研發目標訴求

 

(一)選擇一棟標準層面積約450m2、150 米高剪力墻結構體系、塔式單身公寓,通過示范建造,全面驗證該項技術能否實現目標訴求。

 

(二)歷經十年研發,在申請批準項目示范建造環節,始終難以突破地方政府建設主管部門程序管理障礙,原因如下:

 

1.“空中造樓機現場、現澆自動化綠色建造技術”跨行業、跨部門、跨學科、跨專業的技術特征,在現行體制、機制下,難以找到主導技術認定、標準編制、審批的對口部門。

 

2.國家現行特種機械產品目錄中沒有“空中造樓機”這種新品種。在國外無先例可循,國內無標準可參照,行業無主管部門紅頭文件可依據的狀況下,地方政府行業主管部門顧慮重重,不置可否。

 

3.現實情況是:造樓機裝備在進場組裝環節,因無法出示裝備準入文件而不能進場。部分專家建議改變“空中造樓機現場、現澆自動化綠色建造技術”名稱,繞開程序管理障礙,無須審批,施工企業可直接自主示范建造。這是一條無奈的途徑。但我們堅持“空中造樓機現場、現澆自動化綠色建造技術”名稱不改,尋求通過政府認可,突破管理程序障礙,才是一條正途。

 

4.應鼓勵研發多種建造技術,與PC 技術形成互補關系,供開發商、施工企業市場化選擇。

 

(三)該項技術研發已投入約9000 萬元經費及大量人力物力,并已獲得5 項發明、7 項實用新型專利證書。前行路上盡管困難重重,但研發目標不變,初心不改。在國家倡導大眾創業、萬眾創新、鼓勵運用人工智能和5G 工業物聯網技術、引領行業科技進步的政策大背景下,希望能在深圳市批準“項目示范建造”快速落地,進行遠程控制方式下的現場現澆自動化綠色建造試點。


 (說明:文章省略大部分技術性內容,如需查看,請查看原文:2020年第05期《建筑》)


龔祖平:90項國家專利的鍛造者 文 / 居吉榮 李小燕

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