智能建造机关键系统设计研究

引言：寻求写作上的突破？我们特意为您精选了1篇智能建造机关键系统设计研究范文，希望这些范文能够成为您写作时的参考，帮助您的文章更加丰富和深入。

随着国家经济蓬勃发展，国内各地竞相建设有地标性的超高层建筑[1]。为了提升超高层建筑的施工效率、降低高空作业时的危险性，将智能建造机施工技术引入超高层施工中，集安装和拆除模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土以及全方位监测于一体，形似建筑施工车间一样流程化、标准化建造超高层。钢桁架平台作为智能建造机中最为关键的组成部分，具有安全可靠、易于加工和安装拆除便捷等特点，不仅是模板、挂架的主要承载结构而且是绑扎钢筋和浇筑混凝土的临时施工物料堆放平台[2]。

传统的施工技术不仅效率低而且受建筑高度的制约，而智能建造机施工技术的目标定位就是高层与超高层建筑，在确保安全施工的前提下提升施工效率、缩短建造周期。国内学者在超高层的建造方面研究成果众多，文献[3]主要介绍了作者在长沙某超高层项目中设计的拥有智能化结构的液压顶升自爬模架体系，阐述了其各个系统的组成与工艺原理，但其缺少保证顶升自爬模架体系安全运行的量化指标。文献[4]中介绍了超高层建筑低位顶升模架体系的工艺原理与技术安全措施，主要从施工管理方面加强顶模各个系统的安全运行，然而其未从数值分析的角度对顶模进行安全评价。文献[5]主要对华西超高层模架体系的技术特点和施工工艺进行介绍，但其未对顶模的关键系统进行受力分析，明确顶模各个构件的受力情况。文献[6]将智能超高层建筑集成施工平台引入中信大厦的建造过程中，利用施工模拟、数字处理和三维激光扫描等先进的BIM技术，解决了工期紧张、施工场地狭小、垂直运输压力大等施工难点。然而其未从结构受力方面对顶模体系开展安全性能评价，缺少模架体系的受力性能分析。文献[7]以福州宇洋中央金座项目中应用的顶升钢平台模板系统为例，介绍了其组成的关键部分，对顶升钢平台模板系统开展了现场监测，由监测结果对顶升钢平台模板系统的安全性能进行评价。然而施工工艺流程的确定，也是影响顶升钢平台模板系统安全运行的重要因素，需结合其受力特点确定施工工艺。文中根据超高层建筑核心筒结构的特点，对智能建造机的关键系统进行了设计，开展了仿真分析以探究其结构受力性能，进而在受力特点的基础上给出了施工工艺流程，从受力分析与施工工艺两方面来确保智能建造机安全运行。

1工程概况

某超高层建筑的主要结构体系为“巨型框架--核心筒结构体系”，核心筒主要由劲性混凝土浇筑而成，平面上呈现出的形状为八角形，筒内分为8个小筒和1个中庭，共9个筒组成，如图1所示。核心筒分为地下6层和地上104层两个部分，标准层层高为4.35m和4.5m，共63层，占总层数的60%，非标层从4m到6.5m之间，占总楼层40%，核心筒的建筑总高度为499.15m，总建筑面积为51.3万m2。地上结构主要用于建造高层观光楼、星级酒店、云端公寓、超级展厅和超甲级写字楼；地下以商业、餐饮、后勤、设备用房和停车库为主。核心筒的平面结构随着楼层的升高，水平及竖向构件不断发生变化，核心筒结构的变化情况如图2所示。核心筒墙体在1～79层的分布情况如图2(a)所示，80～104层的墙体截面形式发生较大变化，内墙局部取消，保留外框及角部四个筒体部分，如图2(b)所示。

2智能建造机关键系统的设计

2.1钢桁架平台系统的设计

为了保证智能建造机的整体强度、刚度、空间稳定性以及满足现场施工要求，钢桁架主体采用各种型钢组成的空间桁架支撑体系。钢桁架主要由4榀2.2m高的一级桁架、24榀2.2m高的二级桁架(不等长)、若干榀三级桁架组成钢桁架平台，各级桁架的截面尺寸见表1。一级桁架作为钢桁架平台的主要承力骨架，二级桁架作为挂架、模板荷载的主承力构件，三级桁架主要用于平台走道板的铺设，三种桁架共同组成一个平面刚度较大的钢桁架平台，红色区域是一级桁架所处的位置，绿色区域是二级桁架，蓝色区域是三级桁架，如图5所示。同时满足能承受上部整层的施工材料堆载、施工机具堆载和下部的挂架荷载、模板荷载以及所有的施工活荷载。

2.2支撑及动力系统的设计

文中核心筒为不规则的八角形筒体，内含8个小筒和一个中庭大筒，为使钢桁架平台支撑稳定，选择正方形小筒两侧的中腹墙作为顶升支点，将立柱布置在正方形小筒内，塔吊布置在核心筒外侧。支撑系统需要与墙体保持一定距离，进而为模板挂架的搭设以及施工预留足够的空间。参考以上最终将钢桁架的支撑系统安置在如图6所示位置。

支撑系统由支撑箱梁和支撑立柱组成，如图7所示，是整个钢桁架平台的支撑点，将钢桁架平台的荷载和整个模架体系的自重有效地传递到核心筒墙体。支撑立柱为格构式钢柱，边长1990mm，由四根H350mm×350mm×16mm×32mm型钢及多种型号型钢的腹杆、弦杆等构件组成。支撑箱梁采取钢板焊接而成，箱梁截面宽1710mm长9800mm，表面及加劲钢板厚度主要为30mm、50mm组成，构件材质除特殊说明外均采用Q355B钢。

动力及控制系统主要包括液压系统和电控系统两个分系统，以实现对支撑系统及附属的联动控制。液压系统主要包括泵站、各种闸阀、顶升油缸、定位油缸和整套液压管路，通过控制各个闸阀来控制整个系统的动作和紧急状态下进行自锁。其中，油缸主要由4个顶升油缸和32个定位油缸组成。顶升油缸的单缸顶升力最大为600t，顶升有效行程6000mm，顶升速度为顶升100mm·min-1，提升速度为260mm·min-1。定位油缸的最大推力为20t，有效行程为300mm，单个定位油缸的伸缩速度为300mm·min-1。电控系统主要包括一个集中控制台、连接各种电磁闸阀与控制台的数据线、主油缸行程传感器、定位油缸行程限位等，实现对整个系统的控制与监控，对主缸顶升压力的监控、对主缸顶升行程的同步控制与监控。

2.3模板系统的设计

为保证墙体混凝土的质量和减少结构体系的自重，核心筒的模板系统采用铝合金模板，铝合金模板刚度较大、重量较轻、沾灰少，成型面好。为了适应结构形式的变化，每块大模板的设计由多块小模板拼接组成。大模板主要由铝合金模板、横向背楞(100mm×50mm×4mm双矩管)、竖向背楞(14a双槽钢)及配件(螺栓、销钉销片、螺母垫片等)组成,如图8所示。

3智能建造机关键系统仿真分析

有限元软件MidasGen常用的单元类型主要是桁架单元、梁单元、板单元等。梁单元主要用于模拟工程中的梁、柱构件，可以承受拉、压、弯、剪、扭，考虑剪切变形。梁单元可施加的荷载种类较多，可施加集中荷载、均布荷载、温度荷载等荷载。本文设计的智能建造机中支撑立柱主要是以受压和受弯为主，钢桁架主要以轴心受力为主，因此选取梁单元来模拟支撑立柱，选取桁架单元来模拟钢桁架。为了方便施加荷载和整体显示模型的受力情况，整个模型的构件均选用梁单元建立，以释放梁端约束的形式模拟桁架单元。三种阶段的模型相似，只是边界条件与荷载有所不同，以施工阶段为例，建立的有限元模型如图10所示，整个模型的节点共计2797个，单元共计7121个，10种不同的截面形状。

3.1模型的基本特征

智能建造机均采用Q355B的H型钢组成，主要由4榀2.2m高的一级桁架、24榀2.2m高的二级桁架(不等长)、若干榀三级桁架组成钢桁架平台，由支撑立柱、支撑箱梁、油缸、伸缩牛腿组成支撑及动力系统。

3.2荷载与边界条件的确定

根据现场实际情况与《建筑结构荷载规范》的规定[8]，智能建造机在进行结构受力分析时主要受恒荷载、活荷载以及风荷载的影响[9]。

1)恒荷载。主要包括结构自重，模板、挂架，还有布料机等重量。根据实际工况考虑节点的重量，对结构自重取1.2倍的放大系数；铝合金模板自重以1.46kN·m-1的线荷载形式加载至钢桁架梁上；挂架的重量以4.0kN·m-1的线荷载形式添加；布料机的重量为22.4t，以点荷载形式添加。

2)活荷载。钢桁架平台平面功能分区分为主要堆载区和次要堆载区，主要堆放区域一般堆放成规格钢筋或者钢筋构件以及工具箱、电柜箱、乙炔氧气焊接设备和消防箱柜等，次要堆载区主要堆放小规格钢构件或少量钢筋。挂架走道板除人员通行外还要考虑短规格钢筋堆放作用。为方便统计和操作，根据设计资料和《建筑结构荷载规范》的要求[8]，主要、次要堆载区的荷载均以面荷载形式添加，以等效平台上活荷载的不均匀作用。顶升阶段和爬升阶段要求钢桁架平台上钢筋清空，施工人员全部撤离现场，只允许操作人员在平台上检查和操作。钢桁架平台区域活载设计情况见表2。

3.3仿真分析

1)施工阶段。核心筒结构的浇筑作业主要在施工阶段完成，该阶段智能建造机整体结构的承载最多，其构件易发生变形，因而这是智能建造机运行中的关键阶段，需对其整体结构进行全面的安全评价。

如图13所示，结构中应力比较高的杆件主要分布在一级桁架的腹杆上以及一级桁架与支撑立柱的连接处。由图14可知结构中大部分杆件的应力比在0.60以下，少部分构件应力比超过0.70且小于0.9，结构整体安全可靠。由应力云图15可知，其应力最大值为247.78N·mm-2。如图16所示，智能建造机的最大竖向位移为42.81mm，发生在结构的西北和东南的二、三级桁架连接区域。

2)顶升阶段。智能建造机在顶升阶段时一级桁架与支撑立柱连接处、4个下支撑箱梁受力最明显，应力最大值为206.94N·mm-2；变形较大的构件主要集中在西北与东南区域的最外圈三级桁架处，智能建造机的最大竖向位移为37.79mm。如图17所示。

3.4工艺流程

1)智能建造机安装工艺流程：支撑箱梁安装→油缸安装→支撑立柱安装→在地面组装各级桁架→吊升至结构顶部准备安装→一级桁架与支撑立柱进行连接→二级桁架安装→三级桁架安装→平台板安装→安装模板→搭设挂架→控制系统安装→应力、应变系统安装→设置钢桁架平台的操作室。

2)智能建造机施工工艺流程：下一层混凝土浇筑完成，模板退离墙面，刷脱模剂，竖向钢筋接长→钢筋绑扎，埋设预埋件，验收等→挂架翻板翻起，上支撑箱梁两侧牛腿收回，顶升→上支撑箱梁顶升到位(超顶50mm)，两侧牛腿伸出固定(落位)，总顶升高度为一个浇筑高度→上支撑箱梁固定后，将下支撑箱梁的牛腿收回，下支撑箱梁开始爬升→下支撑箱梁爬升到位，两侧牛腿伸出固定→挂架翻板翻下，合模(纠正模板的垂直度)，浇筑混凝土→下一次循环。

3)智能建造机拆除工艺流程：智能建造机的拆除意味着超高层建筑施工进入了最后一个阶段，同时也是核心筒结构施工在高空作业的最后阶段。等到核心筒施工至104层后，智能建造机关键系统开始进入拆除阶段，在拆除前,必须清理影响拆除的各类障碍物，拆除顺序与安装顺序相反，拆除完挂架系统和其他附属设备后，钢桁架的拆除要分段、整体、有序的拆除，用塔吊运送至地面后再进行完全解体操作，其主要目的是保证在高空进行拆除作业时的安全性。

4结论

1)文中在钢结构设计理论及铝合金模板技术发展的基础上，根据超高层建筑核心筒结构的特点设计出了由铝合金模板组成的少支点智能建造机。

2)对智能建造机在施工、顶升和爬升三种阶段下进行了仿真分析，三种阶段下应力较大的构件主要集中在一级桁架与支撑立柱的连接处、一级桁架的斜腹杆和支撑立柱的斜腹杆，应力最大的阶段为施工阶段，最大应力值为247.78N·mm-2(<305N·mm-2)，构件变形最大处位于施工平台西北和东南区域的最外圈三级桁架处，最大竖向位移为42.81mm(<L/400=50.21mm)，依据其受力特点确定了智能建造机的施工工艺流程。

3)文中建立的仿真分析模型是理想状态下的，而智能建造机的构件在运输和安装过程中存在初始缺陷会对分析结果产生影响，后续研究应考虑初始缺陷对结构的影响，探究结构的真实受力特点。

作者：刘新钊 曾凡奎 张健华 单位：西安工业大学建筑工程学院 西安市军民两用土木工程测试技术与毁损分析重点实验室 陕西泰博智能化建筑工程系统有限公司