移动式造楼工厂——“空中造楼机现场、现浇自动化绿色建造技术”系统概述


 文 / 董善白 

 

一、为什么要研发这项技术?

 

第一,中国人口规模巨大,大城市与特大城市众多。受制于18 亿亩农用耕地总量控制,建设用地资源稀缺。中国城镇住宅以独栋高层为主,外国住宅以HOUSE 为主,住宅形态差异巨大,导致住宅建筑材料、结构形式、建造方式等市场化需求不同。

 

第二,为满足市场土地供应需求,平抑节节飙升的地价对房价的影响,持续不断摊大饼式地扩大城市用地范围是一条途径。另外通过城中村改造、老旧住宅小区更新,大幅提升建设地块容积率,建造更多更高的公租房和普通商品房,也是政策可供选择的一条途径。这需要各地政府因地施策、因城施策。

 

如今,香港60 层高住宅比比皆是,深圳、广州50多层高住宅也已不是个别案例。这一现象同时呈现出量大、面广、集中度高的特征,具备住宅标准化设计、规模化建造、产业化发展的必要条件。

 

第三,以大量农民工为主的现浇作业方式难以为继。1976 年唐山大地震后,为保障建筑具备优良的整体抗震性能,40 多年来,依靠大量农民工的现浇建造方式已得到业内专家和普通百姓的广泛认可。在改革开放初期,这对大量农民工进城务工、解决温饱问题作出了巨大贡献。但社会发展到今天,综观所有行业,只有建筑业依靠大量人工,高空、高危、重体力、日晒雨淋、工伤事故难以杜绝的工作性质和作业环境依旧难以改观。

 

如今,香港高空作业技工日薪已超3000 港元,深圳日薪700 元人民币也招不到年轻技工。这说明即便高薪揽人也难以摆脱建筑行业招工难、用工荒的困局。这是我们制定研发目标、选择技术路径需要特别关注的重点和难点。

 

第四,目前,各地建设主管部门大力推广的预制混凝土装配式建造技术(PC),在地震区有80 米限高规定。众多80 米以上高层与超高层住宅,因更高标准的建筑整体抗震性能要求,专家、百姓、开发商并不都认同采用PC 技术建造。为化解技术分歧:垂直构件采用现浇、水平及外墙局部突出构件采用预制,即预制与现浇相结合装配整体式建造技术是目前建设工地的普遍做法。

 

总体来看,PC 技术仍没有破解大量人工、高空、高危、重体力建造方式的痛点和难点。因此衍生出对PC 技术的先进性和“等同于现浇”理论概念的诸多质疑。

 

第五,转变传统思维模式障碍,遵循供给侧结构性改革政策指导思想,探索基于“用机器换人工”,将固定式大型预制构件厂转换为移动式造楼工厂理念。研发集成多种功能和成熟技术的大型组合式机械装备—空中造楼机,运用人工智能和5G 工业互联网技术,实现远程控制方式下的现场、现浇自动化绿色建造,是根本转变高层住宅落后的建造方式,推动建筑业转型升级、可持续发展的正确技术途径。

 

二、“空中造楼机现场、现浇自动化绿色建造技术”目标诉求

 

(一)市场应用对象80 米~180 米高、薄壁剪力墙结构体系、高层与超高层公租房和普通商品房标准化建造、产业化发展。

 

(二)技术目标诉求

1.用少量产业技工替代大量农民工,彻底摆脱高空、高危、重体力工作方式;改善高空作业环境,杜绝工伤事故源头起因,确保建筑业可持续发展。

 

2.依靠空中造楼机装备性能和自动化控制手段,实现安全运行可控、工程质量可控、建造周期可控、建安成本可控和建造垃圾、粉尘、噪声零排放的绿色建造目标。

 

3.依靠混凝土现浇作业,确保建筑具备优良的整体抗震性能,防水防渗性能。顺利对接国家抗震设计规范,混凝土设计与验收规范。

 

4.遵循住宅产品标准化设计和空中造楼机装备标准化、通用化相配套理念,共同构建新型工业化、自动化绿色建造技术总体优势。

 

三、“空中造楼机现场、现浇自动化绿色建造技术”系统构成

 

(一)住宅产品标准化设计是基础

 

1.建立户型标准化、核心筒标准化图库。

 

2.以模块化组合方式,设计适应不同地域、不同地块、不同高度、不同户型相互组合,可供开发商选择的住宅标准化产品库。

 

3.住宅产品形体选型应注重外型简洁,体型系数(外墙面积与标准层面积之比) 0.8,利于保温隔热的节能型产品,一种标准化“空中造楼机”装备,可覆盖多种标准化住宅产品重复和循环建造。

 

(二)空中造楼机装备总成遵循标准化、通用化设计理念,注重通过机械部件模块化构成方法,适应快速组装、标准化互换、自主拆卸与回落转场,重复和循环使用。

 

(三)在科技进步、工业化制造水平高度发达的今天,运用人工智能和5G 工业互联网技术,实现“空中造楼机”远程控制方式下的自动化绿色建造,预警和信息自动留痕,已没有技术上解决不了的难题。

 

(四)开发三维参数化建模和空间受力有限元分析计算专用软件。

 

(五)针对建造过程数量庞大、构件多样、安装工序繁杂但标准的产业链部品部件(剪力墙钢网、非承重分户墙钢网、外保温饰面板与外围剪力墙钢网一体化现浇成型、门窗洞口标准化支撑、洞口底部与侧面标准化堵头板、钢筋桁架楼承板、内外模板模架在现浇过程中防侧移、防漏浆部件等),在加工制造、运输安装等环节,研发能在人工辅助安装工况下,实现自主寻位、精准安装等自动化工艺要求的机具。

 

(六)建安成本比较分析与测算。

 

(七)编制技术应用指南、空中造楼机装备技术标准、建造工法指导手册三本企业标准。

 

(八)运用动画,形象化虚拟产业技工如何操控空中造楼机,进行工业化、自动化绿色建造。

 

四、移动式造楼工厂—空中造楼机装备总成

 

(一)装备总成概念表述

 

1.剪力墙结构体系的高层与超高层住宅,其主体结构的重要特征是房间内没有突出的受力构件,主体结构没有明显的内外筒传力特征。针对薄壁剪力墙不能有规律地纵横向布置,无法作为液压顶升的传力载体的特征,寻找空中造楼机装备总成的构成途径。

 

2.空中造楼机是一种套在建筑物外围、可自动升降的大型钢结构框架,钢框架上高度集成了具备各种起重、运输、安装功能的机械部件及多道施工作业平台,通过格构式钢管升降柱与多道桁架式水平附墙稳定支撑,组合成为一台模拟“ 移动式造楼工厂”的大型特种机械装备。依靠设置在地下室的液压顶升+ 机械丝杆双保险传动机组强大的液压驱动能力,沿建筑主体结构剪力墙敷设的型钢轨道,强制造楼机升降柱标准节自主升降,构建自动化升4(1+3)、降3 现浇标准作业工序,运用人工智能和5G 工业互联网技术,形成远程控制方式下的自动化绿色建造,这是一座移动式造楼工厂的形象化简称。

 

(二)空中造楼机装备中机械运行部件构成

 

1.四台由6 条活塞油缸+4 根机械保险丝杆+ 水平输送小车,构成储料机架+ 传动机架组合而成的标准化、模块化液压传动机组,构建造楼机升降柱标准节水平方向同步进出、垂直方向同步升降的功能。

 

2.一台位于顶部钢平台,沿水平轨道运行、可瞬间锁定的门式起重机(双钩起重能力2×8.0 吨、速度30 米/ 分)。

 

3.二台位于顶部钢平台,沿水平轨道运行,具备自动寻位功能的3D 打印式布料机,与布置在顶部钢平台内的众多垂直布料管,进行快速精准对接。针对薄壁墙、梁垂直构件采用高强、高流动性、免振捣自密实混凝土,实现3D 打印式定点、定量、稳压布料。

 

4.一台高空运行可瞬间锁定的双梁行车(双钩2×3.0 吨、速度30 米/ 分),实现钢筋网等产业链部件安装就位,吊挂专用布料机实现楼面普通混凝土水平布料。

 

5.一台集中输送产业链钢网和内装物料,由卷扬机+钢丝绳驱动的货运平台(速度30 米/ 分),实现物料垂直方向高效搬运。

 

6.标准化、模块化内外模板模架伴随造楼机整体自动升降动作,实现混凝土浇筑前模板整体水平自动合拢。混凝土初凝强度因流水浇筑时间差原因,需要实施流水分步水平自动脱模。待全部内外模板完成水平脱模后,内外模板与混凝土之间在无摩擦工况下,启动造楼机升4(1+3)标准作业工序。

 

7.附墙型钢轨道

(A)在静态与动态运行时,依靠附墙型钢轨道与沿轨道运行的多道滚轮组,对造楼机起到水平约束和垂直导向作用,强制内外模在降3 过程中缓慢回归原位,实现垂直构件精准现浇。

 

(B)规格:200×200×10,L 与层高相等,异型型钢轨道一侧带开口,外围沿长度方向每隔350mm 设50mm×10mm 加劲肋。每层型钢轨道有3 处与剪力墙埋板用高强螺栓固接。

 

(C)四台安装在楼面操作平台上,具备液压水平抱爪与垂直水平调节功能的安装机具,在双梁行车配合下,实现型钢轨道逐层、快速、精准安装。

 

8.一台在升降柱内依靠齿轮齿条运行的专用载人电梯(500kg、6 人、速度40 米/ 分)

 

9.位于顶部钢平台上二台风速仪、一台空气压缩机。

 

 

(三)空中造楼机装备中施工作业平台构成

 

1.顶部钢结构平台:由标准化托架、主桁架、次桁架构成,承担一台门式起重机+ 二台3D 打印式布料机+吊挂在主桁架下弦的过渡连接机构+ 吊挂在过渡连接机构下的、不着地的内外模板模架。在恒载+ 活载+ 风载作用下钢平台的长期挠度1/1000。

 

2.过渡连接机构:通过由上下垂直相交的H 型钢,将不规律的内、外模板模架荷载,有规律地传递至钢平台主桁架下弦节点处。

 

3.外模水平固定作业平台:利用造楼机整体刚度,精准控制外模水平方向误差。确保现浇住宅外墙垂直方向精度。

 

4.双梁行车操作维修平台。

 

5.楼面混凝土施工作业平台:保障升4 节奏中,提供众多产业链构件安全宽敞的作业环境。

 

(四)空中造楼机附墙水平稳定支撑构成

 

1.升降柱与升降柱之间、升降柱与附墙型钢之间每6 层安装一道钢桁架水平附墙稳定支撑。

 

2.升降柱与附墙型钢轨道之间每6 层安装一道钢桁架独立水平附墙稳定支撑。

 

3.上述二种附墙水平稳定支撑沿垂直方向交错布置。

 

4.第一道钢桁架水平稳定支撑应布置在楼面混凝土施工作业平台下方第三个标准节位置,确保剪力墙具备足够的抗拉强度。

 

(五)空中造楼机升降柱标准节构成

 

1.格构式钢管升降柱由与住宅层高相等的标准节,按插接方式,由液压顶升机组实施自动对接与自动脱钩。

 

2.升降柱标准节由普通标准节、载人电梯标准节和顶部特殊标准节三种类型构成,平面尺寸为1800×1800,考虑到造楼机在1000 吨重载作用下的压缩变形,高度尺寸适应住宅2.8 米、2.9 米、3.0 米三种层高,分别为2802、2902 和3002。


3.在地面以上逐层升高过程中,于升降柱与水平桁架连接处,为防范升降柱在风载作用下的局部附加弯矩,需人工加装标准抱箍。

 

4.施工作业平台走道板

 

空中造楼机走道板长期处于高温日晒工况下,为防止钢结构正面与背面因温差引发的伸缩变形,走道板采用250×25 防腐木质走道板。

 

五、构建造楼机自动化升4(1+3)、降3 现浇标

 

(一)80~180 米薄壁剪力墙结构体系住宅,主体结构垂直构件采用高强、高流动性、免振捣自密实混凝土;水平构件采用普通混凝土,需要分开现浇作业。

 

(二)针对垂直构件薄壁形态,不规则线性布置及自密实混凝土的材料特征,配套研发3D 打印式布料机,实现自主寻位、定点、定量、稳压布料,构建先垂直后水平,相互连贯、配套的自动化建造工艺流程。

 

(三)远程控制方式下的自动化建造:在国家大力倡导运用人工智能和5G 工业互联网技术引领科技进步的今天,在中央控制室内,远程控制空中造楼机现场、现浇自动化建造和自主回落转场,技术上已没有解决不了的难题。

 

(四)造楼机升4(1+3)状态下11 道标准化现浇作业工序

 

1.墙、梁自动划线定位。人工整理伸出楼面的锚固钢筋,确保钢筋网外型整齐划一。

 

2.人工安装墙、梁钢网交接处定位型钢。

 

3.物料输送平台集中载运剪力墙钢网至楼面混凝土作业平台标高(速度30 米/ 分)。此前,内墙剪力墙钢网和外墙+ 保温饰面板组合钢网已在地面工棚内先行组装成型。

 

4.双梁行车通过自动寻位功能,先内墙后外墙流水吊装剪力墙钢网精准就位。

 

5.物料输送平台集中载运预制轻质分户墙钢网至楼面混凝土作业平台标高。

 

6.双梁行车通过自动寻位功能流水吊装轻质分户墙钢网精准就位。

 

7.物料输送平台集中载运门窗洞口标准化支撑至楼面混凝土作业平台标高。

 

8.双梁行车流水吊装支撑至洞口位置,人工安装洞口标准化支撑。

 

9.物料输送平台集中载运连梁与框架梁主筋和箍筋至楼面混凝土作业平台标高。

 

10.双梁行车流水吊装钢筋就位。人工在马凳上安装连梁与框架梁钢网,并与两端剪力墙钢网固接。工序完成后,模板回落前拆除马凳,集中搁置在物料平台上。

 

11.经施工监理现场人工巡检,确认造楼机可以整体回落。

 

(五)造楼机降3 状态下9 道标准化现浇作业工序1.内外模板模架在开模状态下,随造楼机整体回落3 节升降柱标准节,当模板下部越过50 线后,通过电力推杆电机驱动,整体自动化同步水平合模。

 

2.龙门吊在固定位置,以30 米/ 分速度从地面吊装2.0m3 自密实混凝土至3D 打印式布料机料斗,实现流水、定点、定量、稳压布料。人工沿模板模架现浇操作平台随机巡检,辅助微振捣。

 

3.在正常气温条件下,以房间为单位进行流水现浇,6~8 小时后按流水现浇时间差,先后启动内外模板模架水平自动脱模。在人工巡检并确认全部内外模板模架处于水平脱模状态时,启动造楼机整体进入升4 作业工序。

 

4.人工沿模板模架现浇作业平台,用压缩空气清除模板浮灰。

 

5.物料输送平台集中载运钢筋桁架楼承板(按房间为单位,事先在地面工棚内组装成型)至楼面混凝土现浇作业平台标高。

 

6.双梁行车通过自动寻位功能流水吊装钢筋桁架楼承板精准就位。

 

7.人工敷设梁板负弯矩钢筋,安装洞口外缘侧模和预埋板。梁板跨度3m 时,需人工临时加装带横梁的标准顶撑。

 

8.物料输送平台载运2 台1.0m3 普通混凝土料斗至楼面混凝土作业平台标高。

 

9.双梁行车吊挂料斗,流水现浇楼面普通混凝土。

 

24 小时后双梁行车吊装附墙型钢轨道,配合位于楼面混凝土作业平台上的8 台简便安装机构,逐层完成型钢轨道快速、精准安装与就位。

 

六、空中造楼机安全运行与精准建造界定标准

 

(一)空中造楼机空间力学有限元分析计算软件:Abaqus SAP2000 ANSYS。

 

(二)风荷载取值:造楼机是一台造楼装备,以布置在顶部钢平台上风速仪,按实地实时风速(风压)× 风振系数× 体型系数作为计算分析依据。

 

(二)运行工况

 

1.台风:在天气预报前提下,造楼机内外模板模架回落至已现浇完成的楼面,防范造楼机水平摆动。

 

2.在10 级阵风(狂风)28.4m/s 工况下,造楼机整体力学性能处于弹性工作阶段。

 

3.在6 级风13.8m/s 工况下,允许造楼机整体以700px/ 分速度缓慢升降作业。

 

(三)边界条件与安全运行界定

 

1.空中造楼机是一台头重脚轻的大型多层钢框架,通过附墙型钢轨道和多道水平稳定支撑保障造楼机在静态与动态工况下的安全运行,不会发生瞬间脆性破坏倒塌现象。

 

2.造楼机第一道附墙水平稳定支撑以上为悬臂端,初始状态悬臂端最大为39 米,永久状态悬臂端最大为22.24 米。

 

3.在10 级阵风工况下,初始状态与永久状态造楼机悬臂端钢构件:应力比应0.8,整体屈曲稳定系数4.0,确保构件不会产生塑性变形。

 

4.在6 级风工况下,造楼机回落时悬臂端为16.6 米,第一道水平稳定支撑固端处水平位移应10mm。

 

5.附墙型钢轨道,在包络多向风载最大水平推力20吨作用下,应具备足够的强度与刚度:应力比0.8,挠度1mm。型钢轨道与滚轮组之间间隙5mm,确保造楼机运行时不会产生蹩马腿现象。

 

6.标准化液压传动机组顶升力升降柱底部支反力×1.5。

 

(四)精准建造

 

1.空中造楼机是在室外、高空、始终有风工况下运行的一台大型机械装备,为创造安全运行工况,其核心液压传动机组应布置在升降柱最下端,水平作用力接近于零的地下室部位。防范不利工况引发油缸爆裂、密封圈漏油、机械丝杆屈曲失稳等安全隐患,确保运行过程不受风吹雨打,阳光暴晒、雷电袭击等极端环境条件影响,方便人工随机巡检,维护与保养,零部件更换。

 

2.从下往上驱动造楼机逐层自主升降的工艺路径,使得造楼机上多道施工作业平台和多道水平附墙稳定支撑及滚轮组,能在近地面高度状况下,组装进场和拆卸转场,符合造楼机安全操作工艺流程。

 

七、住宅产品标准化设计是基础

 

1.住宅产品标准化设计应与空中造楼机装备标准化相配套。一台标准化、模块化组装成的“空中造楼机”,通过互换少量标准化机械部件,能够覆盖多种标准化住宅产品建造,实现装备重复和循环使用。

2.建立公租房与普通商品房标准化户型。

3.建立公租房与普通商品房标准化核心筒。

4.模块化组合成板式公租房与普通商品房标准化产品。80~180 米高板式公租房标准化产品。

5.100 米高塔式公租房与普通商品房标准化产品。

 

6.180 米高塔式公租房与普通商品房标准化产品。

 

 

八、技术经济指标与社会效益预测

 

第一,高空、高危、重体力人工作业工序基本上被机械作业取代,安全运行、工程质量、建造周期、建安成本依靠人为控制的方式被自动化程序控制方式取代。彻底转变了高层建筑的建造方式;第二,与传统建造方式定额用工相比较,用工量减少80% 以上。大量农民工经培训,转换为少量产业技术工人;第三,无须配套建设占用大量耕地的大型预制构件厂,建造过程配套产业链均为标准化、轻量化桁架钢筋网,物流环节相对高效与节能;第四,建筑垃圾、粉尘零排放,装备运行环境噪音45分贝;第五,造楼机使用寿命暂定10 次周转循环,按3~4次装备快速折旧摊销成本,与传统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/ 层,主体与内装相隔4 层穿插进行,主体与外墙装饰同步现浇成型。1 栋百米高成品住宅,从进场组装到造楼机回落转场,1 年内完成。

 

 

九、通过项目示范建造全面验证技术研发目标诉求

 

(一)选择一栋标准层面积约450m2、150 米高剪力墙结构体系、塔式单身公寓,通过示范建造,全面验证该项技术能否实现目标诉求。

 

(二)历经十年研发,在申请批准项目示范建造环节,始终难以突破地方政府建设主管部门程序管理障碍,原因如下:

 

1.“空中造楼机现场、现浇自动化绿色建造技术”跨行业、跨部门、跨学科、跨专业的技术特征,在现行体制、机制下,难以找到主导技术认定、标准编制、审批的对口部门。

 

2.国家现行特种机械产品目录中没有“空中造楼机”这种新品种。在国外无先例可循,国内无标准可参照,行业无主管部门红头文件可依据的状况下,地方政府行业主管部门顾虑重重,不置可否。

 

3.现实情况是:造楼机装备在进场组装环节,因无法出示装备准入文件而不能进场。部分专家建议改变“空中造楼机现场、现浇自动化绿色建造技术”名称,绕开程序管理障碍,无须审批,施工企业可直接自主示范建造。这是一条无奈的途径。但我们坚持“空中造楼机现场、现浇自动化绿色建造技术”名称不改,寻求通过政府认可,突破管理程序障碍,才是一条正途。

 

4.应鼓励研发多种建造技术,与PC 技术形成互补关系,供开发商、施工企业市场化选择。

 

(三)该项技术研发已投入约9000 万元经费及大量人力物力,并已获得5 项发明、7 项实用新型专利证书。前行路上尽管困难重重,但研发目标不变,初心不改。在国家倡导大众创业、万众创新、鼓励运用人工智能和5G 工业物联网技术、引领行业科技进步的政策大背景下,希望能在深圳市批准“项目示范建造”快速落地,进行远程控制方式下的现场现浇自动化绿色建造试点。


 (说明:文章省略大部分技术性内容,如需查看,请查看原文:2020年第05期《建筑》)


龚祖平:90项国家专利的锻造者 文 / 居吉荣 李小燕

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