潘 峰 沈淺灝 王太源

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

近年來，建筑業(yè)向工業(yè)化轉(zhuǎn)型，產(chǎn)業(yè)整體優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)制率逐步提升，采用工廠化預(yù)制的構(gòu)件種類顯著增多。在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程中，依賴起重機(jī)械設(shè)備進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件吊運(yùn)的作業(yè)量增多，采用傳統(tǒng)的吊裝作業(yè)方法，吊裝風(fēng)險(xiǎn)增大，安全隱患突出。

在建設(shè)過程中，深化設(shè)計(jì)階段由設(shè)計(jì)單位確認(rèn)預(yù)制構(gòu)件吊點(diǎn)位置；在生產(chǎn)階段，埋設(shè)吊環(huán)、螺栓等預(yù)埋件；在施工階段，匹配吊索具進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件吊裝作業(yè)。

在施工實(shí)踐中，為了保障預(yù)制構(gòu)件穩(wěn)定起吊，多個(gè)工程項(xiàng)目為裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)了專用起吊工具。為平板類豎向預(yù)制構(gòu)件吊裝配置了專用的起吊工具扁擔(dān)式橫吊梁[1]。

在此基礎(chǔ)上，將其進(jìn)一步優(yōu)化為吊點(diǎn)可調(diào)式橫吊梁，該起吊工具可以根據(jù)不同的起吊構(gòu)件對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，使得塔吊吊鉤和預(yù)制構(gòu)件重心豎向一致。

對(duì)于預(yù)制樓梯、預(yù)制疊合板等構(gòu)件，工程實(shí)踐中針對(duì)4～6個(gè)吊點(diǎn)的需求，采用專用鋼扁擔(dān)吊裝架[2]。

對(duì)于異形構(gòu)件，施工作業(yè)人員在操作過程中應(yīng)用手拉葫蘆作為調(diào)整吊裝平衡的工具，裝置在花鍵孔齒輪上的起重鏈輪帶動(dòng)起重鏈條，從而平穩(wěn)地提升構(gòu)件。

對(duì)于高預(yù)制率和非模塊化背景下的構(gòu)件形式，常規(guī)的兩點(diǎn)吊或多點(diǎn)吊以及現(xiàn)有的吊裝工具已不能適應(yīng)構(gòu)件吊裝和作業(yè)環(huán)境需要。預(yù)制凸窗、豎向L形預(yù)制墻板等異形預(yù)制構(gòu)件仍存在起吊過程中斜吊的現(xiàn)象，給施工安全、構(gòu)件成品保護(hù)和構(gòu)件安裝質(zhì)量帶來影響。究其原因，一方面是構(gòu)件板塊拆分的客觀因素致使吊點(diǎn)無法合理設(shè)置，另一方面是吊裝作業(yè)中存在工人操作不規(guī)范問題。

為解決預(yù)制構(gòu)件起吊時(shí)的吊點(diǎn)合力與構(gòu)件重心不重合的難題，研究制備適應(yīng)預(yù)制構(gòu)件起吊的高效自平衡吊裝裝置。該裝置在起吊過程中實(shí)時(shí)測(cè)量預(yù)制構(gòu)件在三維空間內(nèi)的位置數(shù)據(jù)信息，主動(dòng)伸縮機(jī)械臂使構(gòu)件起吊姿態(tài)平衡，完成自識(shí)別、自調(diào)整的“智能化”起吊。通過改進(jìn)機(jī)具以提高施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制構(gòu)件起吊作業(yè)的規(guī)范性和安全性，實(shí)現(xiàn)吊裝裝置的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 高效自平衡智能吊裝裝置工作原理

高效自平衡智能吊裝裝置分為空間姿態(tài)感應(yīng)系統(tǒng)、動(dòng)力輸出及遙控系統(tǒng)、平衡調(diào)節(jié)機(jī)械臂裝置和配套設(shè)備四大部分。

起吊過程中采用機(jī)械臂裝置控制預(yù)制構(gòu)件起吊姿態(tài)，通過空間姿態(tài)感應(yīng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量預(yù)制構(gòu)件相對(duì)于三維點(diǎn)位坐標(biāo)的偏離角度，并將測(cè)量數(shù)據(jù)反饋至動(dòng)力輸出系統(tǒng)，動(dòng)力輸出系統(tǒng)根據(jù)偏離角度驅(qū)動(dòng)油缸調(diào)整機(jī)械臂長(zhǎng)度，引導(dǎo)預(yù)制構(gòu)件調(diào)整至平衡姿態(tài)，在預(yù)制構(gòu)件起吊平衡之后，動(dòng)力系統(tǒng)停止驅(qū)動(dòng)油缸，達(dá)到智能化高精度自動(dòng)調(diào)節(jié)的應(yīng)用效果。

配套設(shè)備由高效自平衡智能吊裝裝置的擱置支座等輔助裝置組成（圖1）。

圖1 高效自平衡智能吊裝裝置的組成及工作原理示意

1.1 空間姿態(tài)感應(yīng)系統(tǒng)

空間姿態(tài)感應(yīng)系統(tǒng)的主要功能是由搭載在預(yù)制構(gòu)件上的角度傳感器測(cè)量并反饋數(shù)據(jù)至動(dòng)力控制箱完成。

角度傳感器靠在預(yù)制構(gòu)件面上，實(shí)時(shí)測(cè)量預(yù)制構(gòu)件與空間三維坐標(biāo)中X軸、Y軸的相對(duì)偏角關(guān)系，并將數(shù)據(jù)信息反饋至動(dòng)力控制箱，動(dòng)力控制箱根據(jù)該數(shù)據(jù)信息輸出動(dòng)力（圖2）。

圖2 空間姿態(tài)感應(yīng)系統(tǒng)工作原理示意

平衡支腿組件一端裝載角度傳感器，保障其在吊裝過程中緊貼預(yù)制構(gòu)件表面，并保持與安裝面平行，保證實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。平衡支腿組件另一端設(shè)有吊耳，該吊耳與機(jī)械臂Y通過起吊鋼絲繩連接，使空間坐標(biāo)中Y軸偏角可調(diào)。通過預(yù)制構(gòu)件內(nèi)置預(yù)埋件及高強(qiáng)螺栓將平衡支腿組件安裝在預(yù)制構(gòu)件上（圖3）。

圖3 平衡支腿組件示意

1.2 動(dòng)力輸出及遙控系統(tǒng)

動(dòng)力輸出及遙控系統(tǒng)是高效自平衡智能吊裝裝置的核心組件，包含油泵電機(jī)、蓄電池、遙控系統(tǒng)等，其接收空間姿態(tài)感應(yīng)系統(tǒng)反饋的測(cè)量數(shù)據(jù)，并控制平衡調(diào)節(jié)機(jī)械臂組件。

動(dòng)力輸出選用0.75 kW直流電機(jī)，24V DC、1 500 r/min、額定電流34 A的油泵電機(jī)。測(cè)量數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)利用蓄電池供電，采用2只12 V、200 Ah蓄電池串聯(lián)。

遙控系統(tǒng)在工作狀態(tài)下實(shí)時(shí)顯示預(yù)制構(gòu)件相對(duì)三維坐標(biāo)的偏離角度，遙控面板設(shè)置有機(jī)械臂歸零重置、手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)節(jié)切換按鈕，便于工作前后對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試與調(diào)整。

1.3 平衡調(diào)節(jié)機(jī)械臂裝置

平衡調(diào)節(jié)機(jī)械臂裝置是高效自平衡智能吊裝裝置的關(guān)鍵組件，通過伸長(zhǎng)臂長(zhǎng)調(diào)節(jié)預(yù)制構(gòu)件姿態(tài)平衡。通過3根機(jī)械臂X1、Y、X2完成姿態(tài)調(diào)節(jié)工作，機(jī)械臂X1、X2與預(yù)制構(gòu)件吊點(diǎn)連接，調(diào)節(jié)X軸偏離角度；機(jī)械臂Y與平衡支腿組件連接，調(diào)節(jié)Y軸偏離角度（圖4）。

圖4 平衡調(diào)節(jié)機(jī)械臂組裝示意

平衡調(diào)節(jié)機(jī)械臂主體部分主要由油缸、傳感器、活塞桿組成。傳感器與動(dòng)力控制箱相連，收到動(dòng)力控制箱信號(hào)后，控制油缸推動(dòng)或收縮活塞桿。

1.4 擱置支座

擱置支座是高效自平衡智能吊裝裝置的配套輔助裝置，用于在完成吊裝作業(yè)后存放吊裝裝置主體設(shè)備。存放時(shí)平衡調(diào)節(jié)機(jī)械臂保持零位懸垂。

該支座配備有扶梯，便于施工作業(yè)人員進(jìn)行吊裝前的準(zhǔn)備工作。

2 高效自平衡智能吊裝裝置工作流程

結(jié)合預(yù)制構(gòu)件的吊裝作業(yè)工序，規(guī)劃并固定高效自平衡智能吊裝裝置的工作流程。

1）在堆場(chǎng)區(qū)域，將平衡支腿組裝在即將吊裝的預(yù)制構(gòu)件上，平衡支腿內(nèi)設(shè)的角度傳感器需緊貼預(yù)制構(gòu)件，并與預(yù)制構(gòu)件安裝面垂直和平行。

2）將高效自平衡智能吊裝裝置的Y臂與平衡支腿連接，機(jī)械臂X1、X2與預(yù)制構(gòu)件吊點(diǎn)連接。在預(yù)制構(gòu)件吊裝過程中，機(jī)械臂X1、X2、Y與平衡支腿固定連接在預(yù)制構(gòu)件上，保障調(diào)整程序自動(dòng)運(yùn)行。

3）按下遙控設(shè)備的“復(fù)位準(zhǔn)備”按鈕，3根機(jī)械臂收縮至零位，點(diǎn)亮控制系統(tǒng)箱上的黃色指示燈。

4）預(yù)制構(gòu)件起吊，按下遙控設(shè)備的“自動(dòng)調(diào)整”按鈕，黃色指示燈熄滅，動(dòng)力輸出系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)械臂，調(diào)整預(yù)制構(gòu)件姿態(tài)，X軸及Y軸調(diào)整至零偏角后，將綠色指示燈點(diǎn)亮。自動(dòng)調(diào)整過程為：判斷X軸、Y軸偏角。偏角≥±3°時(shí)，啟動(dòng)動(dòng)力輸出系統(tǒng)，控制機(jī)械臂伸出動(dòng)作，進(jìn)行快速調(diào)整。偏角＜3°時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力輸出系統(tǒng)，以自重作為動(dòng)力，進(jìn)行慢速調(diào)整。判斷X軸、Y軸偏角到達(dá)零點(diǎn)附近時(shí)，機(jī)械臂位置鎖定。

5）預(yù)制構(gòu)件安裝就位，臨時(shí)支撐系統(tǒng)支設(shè)后，松開機(jī)械臂與構(gòu)件吊點(diǎn)的連接，拆下平衡支腿固定在吊具上。吊裝裝置轉(zhuǎn)運(yùn)至樓層底層，進(jìn)行下一輪操作。

6）吊裝作業(yè)結(jié)束之后，按下“復(fù)位準(zhǔn)備”按鈕，機(jī)械臂X1、X2、Y全部收縮至零位，將吊具吊入專用存放架內(nèi)，平衡支腿內(nèi)角度傳感器電池和吊具動(dòng)力蓄電池充電補(bǔ)充電力。

3 高效自平衡智能吊裝裝置實(shí)踐應(yīng)用

高效自平衡智能吊裝裝置試制完成后，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，起吊約5 t的預(yù)制混凝土L形邊緣構(gòu)件，并在20 s內(nèi)使得異形預(yù)制構(gòu)件在起吊過程中達(dá)到平衡。

在某裝配整體式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中，應(yīng)用高效自平衡智能吊裝裝置起吊約4 t的異形構(gòu)件，構(gòu)件長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)約5 m，短邊邊長(zhǎng)約3 m。

在臨時(shí)堆場(chǎng)將預(yù)制構(gòu)件和吊裝裝置連接，在吊裝過程中，該裝置能夠在30 s內(nèi)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置將斜吊的預(yù)制構(gòu)件調(diào)整至平衡狀態(tài)，以平衡姿態(tài)下落至結(jié)構(gòu)面進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件安裝（圖5）。

圖5 異形預(yù)制構(gòu)件起吊后自動(dòng)調(diào)平示意

4 結(jié)語(yǔ)

高效自平衡智能吊裝裝置的應(yīng)用，解決了裝配式建筑建造過程中，預(yù)制構(gòu)件起吊時(shí)的吊點(diǎn)合力與構(gòu)件重心重合的難題。

該裝置通過可自主調(diào)節(jié)、主動(dòng)控制的智能設(shè)備，改變?cè)械牡跹b工序，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件起吊時(shí)在空間內(nèi)的姿態(tài)平衡，避免了吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)和起吊不當(dāng)造成的構(gòu)件變形損傷，為裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件吊裝提供了新的施工方法。