文/董善白

中國大城市眾多，建設用地資源稀缺，建筑多以高層形態(tài)出現(xiàn)。高空高危、日曬雨淋的作業(yè)環(huán)境，以人工為主、機械為輔的工作方式，是建筑業(yè)招工難、用工荒、工傷事故難以杜絕、行業(yè)不可持續(xù)發(fā)展的首要原因。

高層建筑中，公租房和普通商品房量大、面廣，材料以混凝土為主，結構形式以剪力墻結構體系為主。針對這一特征，突破預制裝配單一技術路徑思維模式，研發(fā)集成式、通用型大型施工裝備——“空中造樓機”，運用人工智能、5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)字化、信息化共性技術，在施工現(xiàn)場遠程控制造樓機，可以實現(xiàn)智能建造、綠色建造、精益化建造三位一體的自動化現(xiàn)澆建造目標，走出一條高質(zhì)量、集約化轉型發(fā)展之路。在科技高度進步的今天，這項新型工業(yè)化建造技術不但方向正確、技術可行，而且能夠?qū)ΠY下藥，徹底解決建筑業(yè)轉型升級中相互制約、難以克服的諸多技術難題。

一、市場應用對象

市場應用對象為鋼筋混凝土材料、剪力墻結構體系、80～180米高公租房和普通商品房。

二、技術路徑

研發(fā)集成式、通用型、標準化大型施工裝備——“空中造樓機”，運用人工智能、5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)字化、信息化共性技術，在施工現(xiàn)場中央控制室，遠程控制“空中造樓機”按建造工法指引，以6天/層的節(jié)奏實現(xiàn)全程智能化、自動化現(xiàn)澆建造目標，并以1～2天/層節(jié)奏自主回落轉場，實現(xiàn)重復循環(huán)建造。

三、技術體系構成

1.住宅產(chǎn)品與造樓機裝備標準化配套設計，是這項新型工業(yè)化建造技術能夠具備市場化推廣應用的基本條件。

A.住宅產(chǎn)品應通過戶型標準化、核心筒標準化、模塊化組合方式形成功能合理、形體簡潔、體型系數(shù)?。ㄗ≌鈬荛L×層高/標準層面積）的標準化產(chǎn)品，有利于住宅全生命周期節(jié)能減排，有利于打造造樓機裝備標準化、通用化應用優(yōu)勢。

B.造樓機裝備部品部件也應遵循標準化、通用化設計理念。一套標準化造樓機裝備通過更換少量通用零部件，即可覆蓋不同戶型組合而成的標準化產(chǎn)品的建造需求。

公租房與普通商品房標準化戶型

公租房與普通商品房標準化核心筒

100米高板式公租房標準化產(chǎn)品

180米高板式公租房標準化產(chǎn)品

100米高塔式公租房與普通商品房標準化產(chǎn)品

180米高塔式公租房與普通商品房標準化產(chǎn)品

C.兩種標準化設計理念均需擺脫傳統(tǒng)思維模式，融合創(chuàng)新，推進數(shù)字化設計體系建設，推行一體化集成設計。

2.“空中造樓機”裝備總成設計。

A.多道施工作業(yè)平臺＋多道附墻水平穩(wěn)定支撐＋多根升降柱（由多條可自動對接、自動脫鉤、與層高相等的鋼管桁架標準節(jié)組合而成）共同形成一座套在建筑外圍，可自主升降的大型鋼結構框架，構建自動化建造的前置條件。

B.依靠多條附墻型鋼軌道＋固定在附墻水平穩(wěn)定支撐上的滾輪組，形成建筑物對大型鋼結構框架動態(tài)和靜態(tài)工況下水平位移約束。依靠設置在地下室的多臺液壓傳動機組，驅(qū)動大型鋼結構框架實現(xiàn)逐層升4（3+1）降3標準化動作。

C.附著在大型鋼結構框架上的各種起重、運輸、抓取、定位、控制功能的機械部件和傳感器，分別在升4（3+1）降3環(huán)節(jié)，按自控或手控指令，有序完成自身自動化作業(yè)工序。

D.以裝備為載體，以建造工法為主線，指導“空中造樓機”裝備總成硬件設計和機、電、液一體化軟件控制設計。

“空中造樓機”三維圖示

四、技術路線目標訴求

1.通過混凝土現(xiàn)場現(xiàn)澆方式，確保在常溫下，自主凝固成型的主體結構具備優(yōu)良的整體抗震性能，防水防滲性能。同時順利對接國家抗震規(guī)范和混凝土設計驗收規(guī)范。

2.用裝備替代人工高空高危作業(yè)，規(guī)避人工反復支模、拆模工序，避免工傷事故的發(fā)生，將科技進步“以人為本”的指導思想置于首要地位。

3.強調(diào)通過“空中造樓機”裝備性能和新一代數(shù)字化、信息化控制手段，將安全運行可控、工程質(zhì)量可控、建造周期可控、建安成本可控和建筑垃圾零排放五項目標訴求，從依靠技術文件指導，層層檢查落實的方式，轉變?yōu)橐揽垦b備可控性實操的方式來實現(xiàn)。

五、關鍵技術

1.“空中造樓機”應成為一種標準化、通用型施工裝備。

A.300米以上框筒（內(nèi)筒+外筒密肋鋼柱）結構體系的超高層公共建筑，通常采用厚實混凝土內(nèi)筒作為傳力載體，依靠內(nèi)置塔吊將內(nèi)外筒先后分開建造。其技術路徑與傳力方式難以形成自動化連續(xù)性工藝流程，基本上只是一種1對1的建造技術。

B.量大面廣、剪力墻結構體系的高層公租房和普通商品房，其縱橫不規(guī)律布置的薄壁剪力墻，不能作為傳力載體。另外這種具備剛需特征的住宅產(chǎn)品，同時兼?zhèn)錁藴驶a(chǎn)業(yè)化建造的潛力。需要我們擺脫預制裝配單一思維模式束縛，尋找一種特殊機械施工裝備，實現(xiàn)1對N的智能化、自動化現(xiàn)澆建造目標。

C.選擇多臺液壓傳動機組從下部頂升造樓機整體升降，技術路徑可靠，其優(yōu)勢有以下幾點：

第一，擺脫薄壁剪力墻不能作為傳力載體的難題，構建通用化、廣覆蓋、重復使用的工藝流程；第二，有限元力學分析表明，底部升降柱幾乎沒有水平力，只有垂直力，有利于升降柱標準節(jié)同步進出，精準對接，順利脫鉤，保障逐層自動化升4降3標準動作的安全和可靠性；第三，液壓傳動機組布置在地下室，不受日曬風吹雨淋、雷電襲擊影響，方便人工巡檢、維修保養(yǎng)、零部件更換，具備裝備運行安全可靠的環(huán)境條件。

2.“空中造樓機”整體概念設計，確保大型鋼結構框架不會產(chǎn)生瞬間整體傾覆、脆性解體現(xiàn)象。

3.在臺風預報工況下，“空中造樓機”帶著固定在頂部鋼平臺下方的內(nèi)外模板模架，提前回落至已現(xiàn)澆成型的樓板上。沿外模下方每隔1米，用鍥型木塊填塞空隙，依靠地面摩擦力阻止內(nèi)外模水平位移。

4.在10級陣風（28.4米/秒）工況下，初始工作狀態(tài)造樓機懸臂端為30.2米，正常工作狀態(tài)造樓機懸臂端為22.24米。包絡各種不利工況下風載形成的水平推力，應確保大型鋼結構框架處于彈性工作狀態(tài)，不會發(fā)生塑性變形。構件應力比≤0.8，屈曲穩(wěn)定系數(shù)≥4.0。

5.在≤5級風（10.7米/秒）工況下，允許“空中造樓機”作升4降3動作，在造樓機懸臂端水平位移受限條件下，力求模板模架盡可能回到原位，實現(xiàn)垂直構件精準現(xiàn)澆建造，達到平4垂4精度標準?！翱罩性鞓菣C”連續(xù)回落三個標準節(jié)約需1.5小時，因此在短時間內(nèi)允許風速下作業(yè)是可行的。

6.“空中造樓機”是一臺大型施工裝備，不是一座永久建筑物。風載取值按頂部風速儀適時適地風速（風壓）×風振系數(shù)×體系系數(shù)作為計算依據(jù)。

7.依靠建筑物附墻型鋼軌道和多道沿軌道運行，并具備可約束水平位移裝置的滾輪組，共同形成建筑物對“空中造樓機”剛柔相濟、整體協(xié)同受力的動態(tài)運行機理。

六、構建輕量化、標準化產(chǎn)業(yè)鏈

1.產(chǎn)業(yè)鏈構成特征和工藝流程配套如下：

A.產(chǎn)業(yè)鏈部品應具備輕量化、標準化、批量生產(chǎn)特征，能夠形成自動化生產(chǎn)線。物流環(huán)節(jié)簡便高效。

B.建立工地小型智慧組裝工廠，配套專門工裝，將單品鋼網(wǎng)組成垂直構件和水平構件成品鋼網(wǎng)。

C.研發(fā)大型鋼構物料垂直輸送平臺，通過固定在雙梁行車作業(yè)平臺下方定滑輪、地下室卷揚機、緊繃的鋼絲繩，帶動物料垂直輸送平臺分批次輸送成品鋼網(wǎng)和其他產(chǎn)業(yè)鏈部件至指定標高，并在升降過程中防范平臺水平擺動。

D.帶抓取機械臂的雙梁行車，自主識別、自主定位，實現(xiàn)自動化安裝就位。

E.研發(fā)通過過渡連接機構固定在頂部鋼平臺下方，可自動水平開合的內(nèi)外模板模架裝置，構建自動化現(xiàn)澆的前置條件。完善開合模機構防漏漿，因流水不對稱現(xiàn)澆導致的模架側移、平模與角模錯位、最佳混凝土初凝強度信號傳遞等硬件與軟件環(huán)節(jié)設計。選擇憎水性能好、無須反復涂刷脫模劑的PP工程塑料作為模板，可經(jīng)受300次以上水平開合，并可回收再造。

F.研發(fā)位于鋼平臺上的3D打印式布料機，與鋼平臺內(nèi)眾多垂直布料管自動對接，實現(xiàn)垂直墻梁構件高強、高流動性、自密實混凝土定量、穩(wěn)壓布料。

G.研發(fā)位于樓面施工作業(yè)平臺上的附墻型鋼軌道專用安裝機構，在雙梁行車作業(yè)平臺下方，單軌電動葫蘆配合下，人工快速安裝就位。

H.研發(fā)與貨運分開、通過附著在升降柱標準節(jié)外側的齒輪齒條和導軌，直達各道施工作業(yè)平臺的專用人行電梯（速度30米/分、載重1000kg、14人）。

J.研發(fā)高空龍門吊、雙梁行車瞬間自鎖裝置。

K.頂部鋼平臺設置5G基站、二臺風速儀、一臺空氣壓縮機。

2.標準化現(xiàn)澆建造按5階段有序進行：

A.傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造方式施工地下室和首層架空層。原因有二：為適應地下室和首層架空剪力墻變截面與局部框支轉換；為造樓機裝備與建筑物之間三維方向精準測量定位，提供永久不變的固定參照物。

B.“空中造樓機”裝備進場組裝、空轉調(diào)試。

C.5.6米標高以上以6天/層節(jié)奏，逐層進行產(chǎn)業(yè)鏈標準化現(xiàn)澆建造直至屋面。

D.屋頂機房與女兒墻施工。

E.“空中造樓機”以1～2天/層節(jié)奏自主回落。撕掉覆蓋在外保溫飾面板材表面的塑料薄膜、瑕疵修復、勾縫、安裝外墻雨水管、排污管、空調(diào)冷凝水管、空調(diào)機、熱水器等。按照回落節(jié)奏，在近地面高度，汽車吊依次拆除各道水平穩(wěn)定支撐和施工作業(yè)平臺，回歸至裝備配送和維修中心維護、保養(yǎng)，轉場循環(huán)建造。

3.垂直構件與水平構件分開分段進行標準化現(xiàn)澆建造：

A.垂直構件標準化現(xiàn)澆建造：

第一步，機器人在已現(xiàn)澆完成的樓面上完成墻梁劃線定位，人工整理突出樓面的錨固鋼筋。第二步，物料垂直輸送平臺按下列次序：內(nèi)墻剪力墻鋼網(wǎng)→外墻帶保溫飾面板鋼網(wǎng)→非承重分戶輕質(zhì)鋼網(wǎng)→可水平折疊、手工拉開的標準門窗洞口支撐→連梁、框架梁標準化主筋和箍筋，分批次分別輸送至指定標高。第三步，帶抓取機械臂的雙梁行車自主識別、自動定位、按手控程序在人工輔助下流水安裝就位。第四步，人工在馬凳上穿插敷設連梁、框架梁主筋和箍筋。第五步，人工巡檢并確認。第六步，按自控程序，內(nèi)外模板模架連續(xù)回落3個標準節(jié)，啟動電力推桿電機，內(nèi)外模整體同步水平自動合模。第七步，人工沿外模擰緊預埋在樓板外側的套筒螺栓，依靠已現(xiàn)澆完成的樓板承擔澆筑混凝土過程中產(chǎn)生的水平推力。第八步，龍門吊分別吊掛2臺2m3自密實混凝土料斗，以30米/分速度運至3D打印式布料機料斗。第九步，3D打印式布料機自主尋位、自動與鋼平臺內(nèi)眾多垂直布料管流水對接，實施定量穩(wěn)壓布料。第十步，少量人工在模架中間操作平臺上，用手工指令控制自密實混凝土流出速度與流量，避免溢出指定標高，污染中心鋼架、模板背架和連桿，變成建筑垃圾。第十一步，因流水布料先后時間差原因，混凝土最佳初凝強度達標時間也會有先后之分；布置在模板表面的壓力傳感器按指令先后啟動模板水平脫模。待最后一組模板顯示水平脫模后，啟動自控程序，造樓機整體先連續(xù)完成升3動作。第十二步，物料垂直輸送平臺載運預制鋼混剪刀梯至指定標高，雙梁行車安裝就位。第十三步，汽車吊安裝樓面施工作業(yè)平臺和固定在作業(yè)平臺上的型鋼軌道安裝機構，在位于雙梁行車作業(yè)平臺下方單軌電動葫蘆配合下，人工輔助快速精準定位，擰緊高強螺栓，完成型鋼軌道安裝就位。

B.水平構件標準化現(xiàn)澆建造：

第十四步，啟動自控程序，造樓機整體再完成升1動作。第十五步，物料垂直輸送平臺載運：已在地面組裝工廠，以房間為單位組裝完成的鋼筋桁架樓承板，分批次輸送至指定標高。第十六步，雙梁行車機械臂抓取帶底模的樓承板，按手控程序自主尋位，在人工輔助下流水安裝就位。第十七步，人工敷設負彎矩鋼筋和樓承板下方標準化臨時頂撐。第十八步，物料垂直輸送平臺分批次載運1m3普通混凝土料斗至指定標高。第十九步，雙梁行車機械臂吊掛料斗實施樓面混凝土流水布料。

4.這項技術意在模擬“像造汽車一樣造房子”場景，在高空環(huán)境下，實施地面組裝工廠連續(xù)生產(chǎn)線的技術路徑。因此，產(chǎn)業(yè)鏈部件必須具備以下特征：第一，部件輕量化，不能是重量大、體積大的混凝土成品構件；第二，組裝工序標準、重復；第三，機械安裝動作配套、簡便；第四，工藝流程具備連續(xù)性基因。

長期以來，我們一直在尋找新型工業(yè)化現(xiàn)澆建造技術，探索研發(fā)集成式特種機械施工裝備——“空中造樓機”，從而實現(xiàn)智能化、自動化現(xiàn)澆建造目標。我們深知在建筑行業(yè)，沒有也不可能有“一招打遍天下”的建造技術。針對不同材料、不同結構體系、不同建筑功能、不同建筑高度、不同地域特征的建筑，遵循《關于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》的政策精神，鼓勵探索研發(fā)各種不同的、先進適用的建造技術，與國家大力推廣的裝配式建造技術共同形成互補關系，應對市場各種不同的需求，推動傳統(tǒng)建筑業(yè)高質(zhì)量、集約化可持續(xù)發(fā)展。

七、運營模式與監(jiān)管方式

1.建造方式轉型：

自1988年開始試種烤煙以來，保山市隆陽區(qū)丙麻鄉(xiāng)烤房類型繁多，有最老的云曲88、明三暗五壟及小烤房，普遍存在于各個種煙村。隨著調(diào)制設備的發(fā)展和應用，為滿足烘烤需要，2006年對69座小烤房進行了熱源內(nèi)置功能性改造，2007年改造了248座，共改建317座。

A.預制裝配固定式大型預制構件廠，轉變?yōu)楝F(xiàn)場工業(yè)化移動式造樓工廠。

B.人工為主，機械為輔的傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式和主體構件預制裝配式建造方式，轉變?yōu)樽詣踊笮褪┕ぱb備實現(xiàn)全程智能化、自動化現(xiàn)澆建造。

C.眾多人為不可控環(huán)節(jié)轉變?yōu)橐揽垦b備實現(xiàn)可控性實操。

D.施工團隊由大量流動農(nóng)民工轉變?yōu)樯倭慨a(chǎn)業(yè)化技工。

2.建造方式轉變商業(yè)運營模式：

A.大型國企或開發(fā)商統(tǒng)籌整合設計、裝備制造、安裝調(diào)試、施工建造、內(nèi)裝配套、質(zhì)量與安全監(jiān)督、成品驗收交付等各環(huán)節(jié)，以產(chǎn)業(yè)化視野、超強執(zhí)行力、資金管控能力組建超大型總承包龍頭企業(yè)。

B.針對眾多分散在不同地域、不同地塊、不同工期、數(shù)量不等的項目，以升級版“包工頭”模式，在取得執(zhí)業(yè)資格證書條件后，運用造樓機裝備租賃模式承接高層公租房和普通商品房智能化、自動化現(xiàn)澆建造項目，與總承包龍頭企業(yè)形成市場化互補關系。

3.建造方式轉變政府監(jiān)管模式：

質(zhì)量和安全監(jiān)管部門可通過建立統(tǒng)一的監(jiān)管平臺，通過數(shù)字化、信息化手段，適時適地進行安全質(zhì)量監(jiān)管，信息檔案備案和查詢。

這是一項國內(nèi)外首創(chuàng)的跨行業(yè)、跨部門、跨學科、跨專業(yè)的新型智能化、自動化綠色建造技術，無案例可循，無標準可參照，需要政府主導，組建產(chǎn)、學、研、用協(xié)同攻關團隊，努力打造“中國建造”升級版核心競爭力，從而引領我國邁入智能建造世界強國行列。