潘 曦

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心 上海 201114

超高層混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒施工常采用液壓爬模、電動提升平臺等自帶動力系統(tǒng)的模架裝備進(jìn)行層間自動爬升作業(yè)。而在混凝土核心筒內(nèi)部樓梯間、電梯間等狹小筒體施工中，考慮經(jīng)濟(jì)性，也常采用落地式腳手架、懸挑式腳手架、塔吊提升筒架或電動提升筒架等傳統(tǒng)措施。

落地式腳手架、懸挑式腳手架需要大量依靠人工進(jìn)行自下而上的搭設(shè)或翻轉(zhuǎn)，耗費大量的鋼管、扣件、走道板、木模板等零散腳手架材料，施工效率低。塔吊提升筒架是根據(jù)核心筒的筒體結(jié)構(gòu)尺寸定型加工制作的鋼框架，自身無爬升動力系統(tǒng)，主要依靠塔吊向上提升，其提升速度較快，但由于現(xiàn)澆混凝土核心筒結(jié)構(gòu)施工工況復(fù)雜，提升時可能會遇到各種堆積材料、預(yù)留鋼筋或型鋼外伸接口、水平支模鋼管或方木等物體的阻礙，此外這種采用鋼絲繩進(jìn)行柔性提升的方式缺乏水平支撐，架體穩(wěn)定性較差，提升過程中架體易與筒壁發(fā)生碰撞、鉤掛，從而引發(fā)事故，另外，提升過程中有時需要施工人員滯留架體進(jìn)行障礙排查、就位固定等操作，安全風(fēng)險較大。電動提升筒架采用電機驅(qū)動鋼絲繩滑輪組進(jìn)行筒架爬升，一定程度上提高了筒架爬升自動化水平，但在提升過程中仍需要人工干涉，安全防線單一，智能化程度低，且鋼絲繩長時間使用存在磨損情況，當(dāng)筒架爬升過程遇阻時，可能會造成鋼絲繩斷裂，存在一定的安全風(fēng)險。液壓爬升平臺采用液壓油缸連接上、下爬升器，依附在固定于主體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌上，通過交替伸縮缸驅(qū)動上、下爬升器沿導(dǎo)軌交替上升，從而帶動整體平臺爬升，爬升機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般需要2個及以上的爬升機位系統(tǒng)才能形成平穩(wěn)上升的平臺，對狹小筒體的適應(yīng)性較差，并且爬升模架上的大模板開合操作均由人工完成，需耗費較多人力成本。

智能頂升筒架模板系統(tǒng)可為超高層核心筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜內(nèi)部筒體施工難題提供有效的解決方案[1-9]。系統(tǒng)采用可組合式伸縮套筒頂升動力系統(tǒng)，配備爬升遇阻動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)與可自動開合模板裝置，能獨立進(jìn)行模架系統(tǒng)頂升作業(yè)，可根據(jù)各類筒體施工需要進(jìn)行多模塊組合頂升，實現(xiàn)高適應(yīng)性立體作業(yè)、無人化自動爬升及自動開合模，實現(xiàn)簡化工序、提升效率、節(jié)約成本、智能操控、保障安全的目的。

1 智能頂升筒架模板系統(tǒng)組成

智能頂升筒架模板系統(tǒng)由鋼筋操作架、模板操作架、伸縮套筒頂升裝置、智能控制系統(tǒng)組成（圖1）。

圖1 智能頂升筒架模板系統(tǒng)示意

1.1 鋼筋操作架

鋼筋操作架是由型鋼桿件與底部連梁連接而成的鋼框架結(jié)構(gòu)，可根據(jù)工程需要設(shè)置鋼框架結(jié)構(gòu)的層數(shù)，為模架頂部堆載及施工人員綁扎核心筒墻體鋼筋提供作業(yè)空間。每個底部連梁的下方設(shè)置連接板，與操作架立柱相連接。

1.2 模板操作架

模板操作架包含立柱、模板開合裝置、定型模板，其主要作用是進(jìn)行模板的自動開合，并為施工人員提供模板操作空間。模板開合裝置由箱梁、箱梁銷軸、限位板、模板油缸、模板推拉桿等組成，可兩端雙向開合，也可根據(jù)實際需要進(jìn)行單向開合。定型模板可采用鋼大模板或鋁合金模板，為實現(xiàn)筒體內(nèi)墻模板自動開合，可采用折疊式模板（見第5部分）。

1.3 伸縮套筒頂升裝置

伸縮套筒頂升裝置由頂升油缸、伸縮套架、水平頂升框架、上支撐框架、下支撐框架、傾斜控制裝置、傳感監(jiān)測元件等組成（圖2）。

圖2 伸縮套筒頂升裝置示意

頂升油缸設(shè)置在伸縮套架的中心位置，上端與水平頂升框架相連接，下端與下支撐框架相連接，均采用球鉸支座連接，頂升油缸不與上支撐框架連接。

伸縮套架包括套桿、伸縮套架連桿、伸縮桿限位裝置、伸縮桿。伸縮桿上端嵌入套桿內(nèi)部，可沿套桿內(nèi)壁進(jìn)行往復(fù)滑動，伸縮桿下端與下支撐框架固定連接。伸縮桿限位裝置用來切換伸縮套架的伸縮狀態(tài)，同時內(nèi)部自帶開關(guān)傳感器，可發(fā)出開啟與閉合2種狀態(tài)信號。伸縮套架有2種狀態(tài)：在頂升油缸縮缸時，伸縮桿限位裝置為開啟狀態(tài)，伸縮套架可以自由伸縮，在頂升油缸伸缸時，伸縮桿限位裝置為閉合狀態(tài)，伸縮套架只能伸長，不能收縮，從而保證架體在頂升過程中的安全性與穩(wěn)定性。

上、下支撐框架由支撐橫梁、支撐牛腿、滾輪、銷軸式壓力傳感器、配重塊、反力板、觸碰開關(guān)傳感器等組成。支撐橫梁的兩端固定設(shè)置銷軸式壓力傳感器，兩端均設(shè)置支撐牛腿，支撐牛腿通過銷軸式壓力傳感器與支撐橫梁連接，支撐牛腿以銷軸式壓力傳感器為軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動，由支撐橫梁的反力板進(jìn)行限位，支撐牛腿的前端伸入核心筒的墻體預(yù)留凹槽，后端設(shè)置配重塊，配重塊下方與反力板接觸，使得支撐牛腿在重力作用下可以自動翻轉(zhuǎn)恢復(fù)水平支撐狀態(tài)，支撐橫梁上還設(shè)置觸碰開關(guān)傳感器，位于配重塊后端，對支撐牛腿的水平支撐狀態(tài)進(jìn)行判讀和信號傳遞，有接觸與分離2種狀態(tài)。

上、下支撐框架除了采用帶可翻轉(zhuǎn)式支撐牛腿的支撐橫梁外，還可采用頂推式支撐橫梁（圖3）。頂推式支撐橫梁兩端均內(nèi)嵌設(shè)置牛腿油缸、滑動牛腿。滑動牛腿在牛腿油缸的驅(qū)動下，可沿支撐橫梁的內(nèi)壁進(jìn)行水平滑動。

圖3 支撐橫梁示意

傾角傳感器安裝在水平頂升框架上表面的中心位置，實時測量水平頂升框架的橫、縱2個方向的水平傾角。傾斜控制裝置設(shè)置在水平頂升框架下表面的四角，根據(jù)傾角傳感器的數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整水平頂升框架的水平度（圖4）。應(yīng)力應(yīng)變傳感器布設(shè)于頂升橫梁，上、下支撐橫梁的上表面等位置，用來實時感知頂升油缸在縮缸和伸缸過程中各個梁端的受力情況。

圖4 水平頂升框架示意

1.4 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)由工控機、信息采集系統(tǒng)、模板油缸控制器、水平油缸控制器、伸縮桿控制器、頂升油缸控制器、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺等組成。信息采集系統(tǒng)將傾角傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器、觸碰開關(guān)傳感器、銷軸式壓力傳感器、伸縮桿限位裝置傳感器、攝像機等各類傳感元件信號數(shù)據(jù)進(jìn)行收集轉(zhuǎn)化，并傳輸至工控機；工控機對信息采集系統(tǒng)傳輸信號進(jìn)行讀取、運算和判斷，并向各個控制器發(fā)送相應(yīng)的動作指令，同時將數(shù)據(jù)信息傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺；控制器的作用是根據(jù)工控機的指令來操控模板油缸、水平油缸、頂升油缸的伸缸與縮缸，以及操控伸縮桿限位裝置開合；遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺設(shè)置在地面指揮辦公室，通過有線或無線方式與工控機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)模架運行狀態(tài)遠(yuǎn)端實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)備份。

單個伸縮套筒頂升裝置可作為獨立動力模塊，根據(jù)現(xiàn)場需求組合使用，通過不同形式的鋼筋操作架將模板操作架、伸縮套筒頂升裝置連接起來，形成滿足各種體型的核心筒內(nèi)筒施工的組合式頂升筒架模板系統(tǒng)。圖5為6個伸縮套筒頂升模塊組合形成1個整體頂升框架結(jié)構(gòu)，圖6為多個小筒體組合及大空間單筒體的內(nèi)部組合2種形式。

圖5 伸縮套筒頂升裝置組合結(jié)構(gòu)

圖6 組合式頂升筒架模板系統(tǒng)示意

2 智能頂升筒架模板系統(tǒng)施工工藝流程

智能頂升筒架模板系統(tǒng)開合模與爬升全自動連續(xù)施工工藝流程如下（圖7）：

圖7 組合式頂升筒架模板系統(tǒng)示意

1）初始狀態(tài)：模板油缸處于伸缸狀態(tài)，定型模板與墻體貼合，頂升油缸處于伸缸狀態(tài)，上支撐框架、下支撐框架的支撐牛腿均伸入墻體預(yù)留凹槽，觸碰開關(guān)傳感器處于接觸狀態(tài)，支撐牛腿穩(wěn)固支撐于墻體上，伸縮桿限位裝置處于打開狀態(tài)，伸縮套架可以自由伸縮。

2）通過模板油缸拉動定型模板向遠(yuǎn)離墻面的方向水平移動，油缸行程傳感器實時讀取模板油缸的行程數(shù)據(jù)并傳輸至信息采集系統(tǒng)，待模板油缸縮缸行程到達(dá)預(yù)定值，模板油缸停止縮缸，發(fā)出反饋信號；收到模板油缸縮缸到位的反饋信號后，頂升油缸開始縮缸，從而提升下支撐框架。下支撐框架向上移動過程中，支撐牛腿在鋼筋混凝土墻體抵觸作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，其尾部的觸碰開關(guān)傳感器由接觸狀態(tài)變?yōu)榉蛛x狀態(tài)，并發(fā)送狀態(tài)信號。

3）待下支撐框架到達(dá)墻體預(yù)留凹槽位置，支撐牛腿在配重塊的作用下翻轉(zhuǎn)恢復(fù)水平狀態(tài)，其尾部的觸碰開關(guān)傳感器由分離狀態(tài)變?yōu)榻佑|狀態(tài)，并發(fā)送狀態(tài)信號；工控機在得到下支撐架的支撐牛腿由接觸到分離再到接觸的狀態(tài)切換后，做出下支撐框架支撐到位判斷，同時向頂升油缸發(fā)出停止縮缸指令，使下支撐框架牢固支撐在墻體預(yù)留凹槽中，進(jìn)入頂升上支撐架狀態(tài)；上支撐框架頂升過程中，傾角傳感器實時采集架體水平度數(shù)據(jù)，工控機根據(jù)其各個方向的傾角數(shù)據(jù)信息，向?qū)?yīng)的水平油缸發(fā)出指令，通過水平油缸的伸縮缸來推動墻體產(chǎn)生反力，將傾角傳感器各個方向的測量數(shù)值控制在特定的范圍內(nèi)，從而控制整個架體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4）工控機在得到上支撐架的支撐牛腿由接觸到分離再到接觸的狀態(tài)切換后，做出上支撐框架支撐到位判斷，向頂升油缸控制器發(fā)出停止伸缸指令，使上支撐框架牢固支撐在墻體預(yù)留凹槽中，再次進(jìn)入提升下支撐架狀態(tài)。

5）循環(huán)進(jìn)行上、下支撐框架交替爬升步驟，直至整個系統(tǒng)完成預(yù)定高度的爬升指令流程，然后向模板油缸控制器發(fā)出伸缸指令，通過模板油缸推動定型模板向靠近墻面的方向水平移動，油缸行程傳感器實時讀取模板油缸的行程數(shù)據(jù)，待模板油缸縮缸行程到達(dá)預(yù)定值，模板油缸停止伸缸，至此自動連續(xù)爬升流程結(jié)束。

3 基于機器視覺的爬升障礙識別預(yù)警方法

由于施工現(xiàn)場各種交叉作業(yè)繁多、情況復(fù)雜，施工人員作業(yè)、物料堆放運輸以及場地變換存在動態(tài)時變效應(yīng)，難免會發(fā)生模架裝備的邊緣構(gòu)件以及關(guān)鍵支撐構(gòu)件在爬升過程中遇阻的情形，如果不能及時預(yù)警，會導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生變形、斷裂，情況嚴(yán)重時甚至引發(fā)整體模架坍塌、墜落，造成傷亡事故。采用機器視覺爬升障礙識別預(yù)警技術(shù)是應(yīng)對這一難題的有效手段。

在模架邊緣重點監(jiān)測部位安裝攝像機，捕捉各類障礙物，如伸出墻面的鋼管、方木、型鋼牛腿等視頻畫面樣本，通過基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法對典型障礙物進(jìn)行圖像特征識別訓(xùn)練，工控機根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果實時采集爬升畫面并進(jìn)行分析，對問題區(qū)域發(fā)出預(yù)警，從而在模架爬升過程中代替人工視覺判斷模架關(guān)鍵區(qū)域爬升安全狀態(tài)。圖8給出了一種針對墻面突出鋼板的訓(xùn)練與識別案例，結(jié)果表明，該方法可有效標(biāo)記和識別爬升位置處的障礙物特征、數(shù)量，并及時預(yù)警。需要指出的是，針對不同的障礙物特征，還須通過積累海量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)訓(xùn)練更新，進(jìn)一步提高識別精準(zhǔn)度，加強對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

圖8 爬升障礙識別預(yù)警

4 模架裝備爬升過程受阻的動態(tài)判別方法

模架爬升過程中，可通過傳感元件監(jiān)測關(guān)鍵構(gòu)件每一時刻的受力情況，并實時傳輸至工控機，當(dāng)其測量數(shù)值大于預(yù)警值時，工控機做出遇到障礙物判斷并報警，同時向頂升油缸控制器發(fā)出停止指令，可避免障礙物對爬升模架造成損傷，保障爬升模架裝備的運行安全。方法如下：

1）針對模架架體爬升過程中可能遇阻的構(gòu)件，如模架外邊緣構(gòu)件、支撐裝置構(gòu)件等，在其關(guān)鍵受力位置，比如懸挑梁的固定端部，或者連梁的跨中位置等，分別設(shè)置若干傳感器，其數(shù)量為m。

2）將m個傳感器通過信號采集系統(tǒng)與工控機相連接。各個傳感器在架體運行過程中實時讀數(shù)，信號采集系統(tǒng)以時間間隔t（t為可設(shè)置的常數(shù)）讀取各個傳感器的數(shù)據(jù)，并實時發(fā)送給工控機。

頂升油缸驅(qū)動模架架體向上運行一小段距離，使模架的支撐裝置解除支撐狀態(tài)，即與主體結(jié)構(gòu)完全脫離，各個傳感器進(jìn)行讀數(shù)，定義該時刻每個傳感器的值為ai0（i=1，2，3，…，m）。

頂升油缸驅(qū)動架體繼續(xù)向上運行，時間間隔t之后，信號采集系統(tǒng)接收此刻各個傳感器數(shù)據(jù)，并將其值發(fā)送至工控機，定義該時刻每個傳感器的值為ai1。分別計算各個傳感器的2次間隔讀數(shù)的差值與初始值的比值Δi＝（ai1－ai0）/ai0，比較Δi與預(yù)警值Yi的大小，當(dāng)Δi均小于預(yù)警值Yi時，繼續(xù)驅(qū)動架體向上運行。時間間隔t之后，信號采集系統(tǒng)再次接收各個傳感器數(shù)據(jù)，并將其值發(fā)送至工控機，重新定義ai1的值。爬升過程中，當(dāng)至少有一個傳感器讀數(shù)Δi大于預(yù)警值Yi時，工控機做出該傳感器位置遇到阻礙判斷，高亮顯示該位置，并發(fā)出聲光報警，同時向動力控制系統(tǒng)發(fā)出停止指令，立刻停止爬升。

障礙排除后，信號采集系統(tǒng)重新讀取各傳感器數(shù)值，重新定義ai0，動力設(shè)備驅(qū)動架體繼續(xù)向上運行；重復(fù)以上步驟，直至系統(tǒng)爬升運行完指定的目標(biāo)距離。

為了提高系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確性，可將r個傳感器設(shè)置于同一個構(gòu)件上的相近位置處（圖9），以多個傳感器的狀態(tài)指標(biāo)來判讀該構(gòu)件是否遇阻，即在這r個傳感器中，當(dāng)有s個傳感器（s為一個可設(shè)定的自然數(shù)，s＜r）的讀數(shù)Δi大于預(yù)警值Yi時，工控機做出該構(gòu)件遇到阻礙判斷，從而避免因傳感器個體數(shù)據(jù)漂移、失靈等產(chǎn)生的誤判。當(dāng)有傳感器的讀數(shù)Δi大于預(yù)警值Yi時，但傳感器數(shù)量小于s時，工控機只進(jìn)行聲光報警，不向動力系統(tǒng)發(fā)送停機指令。

圖9 傳感器設(shè)置位置示意

5 用于核心筒內(nèi)筒體自動開合模的可折疊模板

對于核心筒內(nèi)筒體的墻體模板，由于有陰角的存在，墻體模板均向內(nèi)收縮時，會發(fā)生碰撞、阻礙，尤其是角部模板，無法同時向筒體中心退模，即便采用先后分塊退模的措施，也難以達(dá)到較大的離墻間距，因此設(shè)計一種用于核心筒內(nèi)筒體自動開合模的可折疊模板（圖10、圖11）。

圖10 可折疊式模板系統(tǒng)示意

圖11 可折疊模板連接節(jié)點示意

可折疊模板由平模、轉(zhuǎn)模、角模組成。平模與模板推拉桿相連接，模板推拉桿帶動平模相對墻面進(jìn)行水平往復(fù)移動，在開合模過程中，平模與墻面始終平行，平模側(cè)邊與轉(zhuǎn)模側(cè)邊鉸接，退模時，轉(zhuǎn)模在平模帶動下旋轉(zhuǎn)離開墻面，合模時，轉(zhuǎn)模在墻面的抵觸作用下，發(fā)生回轉(zhuǎn)而貼合墻面。在筒體陰角位置處，可設(shè)置角模，角模兩邊分別與相鄰轉(zhuǎn)模的側(cè)邊鉸接，轉(zhuǎn)模帶動角模移動。

平模由平模端板、平模面板、平模加勁肋、平模側(cè)板、橡膠條、平模圍檁等組成。平模側(cè)板為多階折板，平模側(cè)板的一面與平模面板緊貼，內(nèi)部留設(shè)凹槽，橡膠條嵌入此凹槽中，起密封作用。平模圍檁的兩端分別設(shè)置2個帶有弧形孔的鋼板，弧形孔的圓心位于平模面板與轉(zhuǎn)模面板靠近墻體一側(cè)的交會點，弧形孔中設(shè)置轉(zhuǎn)軸。平模圍檁端頭內(nèi)嵌彈簧固定板，彈簧固定板連接彈簧和彈簧套筒，彈簧套筒可在平模圍檁內(nèi)部水平滑移運動，彈簧套筒端部連接在轉(zhuǎn)軸上，彈簧套筒可在彈簧的彈性力作用下推拉轉(zhuǎn)軸，合模時，彈簧為壓緊狀態(tài)，通過合理設(shè)置弧形孔的長度，即可控制轉(zhuǎn)模的旋轉(zhuǎn)角度，平模圍檁的外側(cè)間隔設(shè)置連接板，用來連接模板推拉桿。多個平模之間可相互通過螺栓連接成整體。

轉(zhuǎn)模由轉(zhuǎn)模端板、轉(zhuǎn)模面板、轉(zhuǎn)模圍檁、轉(zhuǎn)模側(cè)板一（用于連接平模）、鉸鏈、轉(zhuǎn)模側(cè)板二（用于連接角模）等組成。轉(zhuǎn)模側(cè)板一垂直固定在轉(zhuǎn)模面板上，長邊緊貼轉(zhuǎn)模面板，轉(zhuǎn)模面板伸出轉(zhuǎn)模側(cè)板一，伸出部分可在合模時貼緊平模面板，并壓緊橡膠條。轉(zhuǎn)模側(cè)板二為L形截面的條形板，一面固定在轉(zhuǎn)模面板上，合模時，角模貼緊轉(zhuǎn)模面板邊緣，防止?jié)仓^程中發(fā)生漏漿；另一面間隔設(shè)置若干鉸鏈，與角模對應(yīng)的鉸鏈連板鉸接。轉(zhuǎn)模圍檁通過轉(zhuǎn)軸與平模圍檁鉸接。

圖12給出了可折疊模板的合模與開模2種狀態(tài)，模板推拉桿進(jìn)行收縮動作，帶動平模遠(yuǎn)離墻面平移，在此過程中，轉(zhuǎn)軸在平模圍檁彈簧的頂推作用下，沿弧形孔滑移，使轉(zhuǎn)模向離開墻面方向轉(zhuǎn)動，角模則在兩側(cè)轉(zhuǎn)模的帶動下，向筒體中心收縮，遠(yuǎn)離墻面直至達(dá)到預(yù)定位置。

圖12 可折疊模板開合狀態(tài)示意

6 結(jié)語

智能頂升筒架模板系統(tǒng)可解決超高層建筑混凝土筒體傳統(tǒng)模板腳手架施工措施存在的人員干預(yù)多、爬升效率低、材料消耗大等問題，提供安全、可靠、穩(wěn)固的空間作業(yè)平臺。其中，提出的伸縮套筒頂升裝置，可獨立進(jìn)行模架系統(tǒng)頂升作業(yè)，也可根據(jù)大空間筒體施工需要進(jìn)行多模塊組合頂升，實現(xiàn)大載重作業(yè)；可折疊模板裝置在退模、合模過程中互不干涉，能夠?qū)崿F(xiàn)墻體模板的自動開合模，有效降低人工操作勞動量；形成的模架爬升過程機器視覺預(yù)警技術(shù)與受阻的動態(tài)判別方法，避免傳統(tǒng)人工巡查方法所存在的識別率低、信息傳遞效率低、控制響應(yīng)滯后等問題，實時監(jiān)控模架關(guān)鍵部位部件狀態(tài)，保障爬升模架裝備的運行安全。

該系統(tǒng)的應(yīng)用有助于進(jìn)一步提升混凝土核心筒結(jié)構(gòu)施工工效與模架裝備智能化水平，促進(jìn)超高層建筑工程工業(yè)化數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

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