防護與作業(yè)一體化升降平臺與結(jié)構(gòu)外附施工設(shè)備的協(xié)同建造

潘 曦

1. 上海建工集團股份有限公司 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

防護與作業(yè)一體化升降平臺是一種具備外圍全封閉防護與提供作業(yè)空間雙重作用的新型施工裝備，采用由電機驅(qū)動的自動升降雙層操作平臺，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圍護腳手架和吊籃，用于主體結(jié)構(gòu)和裝飾裝修一體化施工[1-6]。當其應用于建筑工程施工時，需通過導軌架附著在結(jié)構(gòu)外立面上，并對整個建筑結(jié)構(gòu)外圍進行環(huán)繞布置，從而最大化發(fā)揮防護作用。但在高層以及超高層建筑施工時，建筑結(jié)構(gòu)的外立面通常還布設(shè)有施工升降機和外附式塔吊[7-8]，因此，存在防護與作業(yè)一體化升降平臺與施工升降機、塔吊等結(jié)構(gòu)外附施工設(shè)備共同運行的工況。多種施工機械設(shè)備的運行環(huán)境相互制約、相互影響，需要在前期方案制定階段進行精細化規(guī)劃設(shè)計，以實現(xiàn)多設(shè)備高效協(xié)同作業(yè)。

防護與作業(yè)一體化升降平臺與施工升降機協(xié)同作業(yè)的難點，在于傳統(tǒng)施工升降機由于齒條設(shè)置方位的原因無法同防護與作業(yè)一體化升降平臺的操作平臺共軌升降。在采用防護與作業(yè)一體化升降平臺進行主體結(jié)構(gòu)施工的建筑結(jié)構(gòu)工程中，如果獨立安裝施工升降機，則會產(chǎn)生材料浪費、重復作業(yè)以及多種形式導架相互干擾的問題，無法發(fā)揮各類垂直運輸設(shè)備的綜合協(xié)同優(yōu)勢。

防護與作業(yè)一體化升降平臺與塔吊協(xié)同作業(yè)的難點，在于塔吊附墻桿對操作平臺的升降運行路徑形成阻礙。塔吊與墻面距離較大，防護與作業(yè)一體化升降平臺可設(shè)置于塔吊與墻面之間的位置，如采用傳統(tǒng)的施工方法，即在塔吊附墻桿范圍的整個垂直區(qū)域，不布置防護與作業(yè)一體化升降平臺，則會留下較大范圍的建筑外立面結(jié)構(gòu)施工缺口，使后期采用搭設(shè)懸挑腳手架施工時增加額外的人力成本，降低施工效率，并產(chǎn)生較大的安全風險。

1 防護與作業(yè)一體化升降平臺布置方案

以某裝配式建筑工程項目為例，布設(shè)的防護與作業(yè)一體化升降平臺施工方案如圖1所示。建筑物總高48.9 m，地下1層，地上14層，總建筑面積約6 000 m2，標準層高3 m。共設(shè)置了6組12個機位的防護與作業(yè)一體化升降平臺用于外立面施工，建筑物南側(cè)中部位置設(shè)置QTZ200自升式塔吊，為提升塔身工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性，設(shè)置1道附墻桿與建筑結(jié)構(gòu)連接。在主體結(jié)構(gòu)施工階段，由于防護與作業(yè)一體化升降平臺跟隨結(jié)構(gòu)作業(yè)面向上爬升，故無法進行垂直運輸，為提高該階段的人員和物料垂直運輸效率，還需要設(shè)置1部施工升降機。在該項目方案中，防護與作業(yè)一體化升降平臺與施工升降機、塔吊的協(xié)同配合是結(jié)構(gòu)外立面施工需要解決的重點問題。

圖1 防護與作業(yè)一體化升降平臺施工方案

2 升降平臺與施工升降機協(xié)同作業(yè)

2.1 新型施工升降機設(shè)計

施工升降機是建筑工程中常用的載人載貨施工機械，主要由轎廂、驅(qū)動系統(tǒng)、導軌架、附墻架、底盤、電氣系統(tǒng)等部分組成，通過電機驅(qū)動轎廂沿導軌架進行垂直升降，驅(qū)動系統(tǒng)置于轎廂頂上方，轎廂頂部還設(shè)置有吊桿，用來安裝導軌架標準節(jié)，四周設(shè)置欄桿，以便于驅(qū)動系統(tǒng)檢修保養(yǎng)。施工電梯一般采用雙籠體形式，即每個導軌架的兩側(cè)分別設(shè)置轎廂與驅(qū)動系統(tǒng)，共有2套可以各自獨立沿導軌架升降的轎廂，這種施工升降機也經(jīng)常與塔吊、爬升模架等機械設(shè)備配合施工。

采用齒輪齒條傳動的施工電梯導軌架同防護與作業(yè)一體化升降平臺的導軌架結(jié)構(gòu)形式相似，均由型鋼框架標準節(jié)首尾連接而成，其標準節(jié)高度根據(jù)齒條模數(shù)一般為1 508 mm，但兩者的布置方向和齒條設(shè)置有所區(qū)別。從平面上看（圖2），施工升降機導軌架的立柱連桿垂直于墻面，每個導軌架標準節(jié)有2個齒條，而防護與作業(yè)一體化升降平臺的導軌架標準節(jié)的水平截面則旋轉(zhuǎn)90°，其立柱連桿平行于墻面，并且每個導軌架標準節(jié)上只在遠離墻面的外側(cè)設(shè)置了1個齒條，因此防護與作業(yè)一體化升降平臺的導軌架無法安裝傳統(tǒng)的施工升降機。

圖2 升降平臺與施工升降機的導軌架橫截面對比

基于對傳統(tǒng)施工升降機驅(qū)動系統(tǒng)和轎廂結(jié)構(gòu)形式的改進，設(shè)計了一種機位內(nèi)置的凹形截面單廂施工升降機（圖3），可實現(xiàn)同防護與作業(yè)一體化升降平臺共軌升降，充分發(fā)揮綜合協(xié)同高效作業(yè)優(yōu)勢，增加導軌架的利用率，進一步提高施工效率。

圖3 傳統(tǒng)施工升降機與凹形截面單廂施工升降機對比

該新型施工升降機主要由驅(qū)動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、轎廂、水平加強連桿等組成（圖4）。

圖4 凹形截面單廂施工升降機構(gòu)成

驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動框架、電動機、防墜器、電機安裝板、防墜器安裝板、滾輪。驅(qū)動框架為型鋼焊接制成的帶有多根橫桿的矩形框架結(jié)構(gòu)，驅(qū)動框架中部設(shè)置有電機安裝板，其上通過螺栓法蘭安裝2～3個電動機，驅(qū)動框架下部設(shè)置防墜器安裝板，通過螺栓法蘭安裝1個防墜器。驅(qū)動框架設(shè)置在凹形轎廂的中部位置，驅(qū)動框架四周與轎廂架體桿件以焊接或螺栓連接的方式固定連接，電動機、防墜器均位于轎廂內(nèi)部，驅(qū)動框架上安裝有若干滾輪，滾輪可緊扣導軌架立柱進行上下滾動，從而使驅(qū)動框架沿導軌架垂直升降。電氣控制系統(tǒng)包含變頻裝置和PLC控制模塊，用于控制施工升降機的自動運行。轎廂是由型鋼桿件、鋼板及沖孔鋼板焊接或螺栓連接而成的箱形結(jié)構(gòu)體，用于提供人員及物料輸送空間，其水平截面為凹形結(jié)構(gòu)，單個轎廂包含2個后廂門和1個前廂門，后廂門靠近建筑結(jié)構(gòu)墻面，前廂門位于導軌架外側(cè)。為了加強驅(qū)動框架與轎廂的連接整體性，在驅(qū)動框架兩側(cè)分別間隔設(shè)置了若干道水平加強連桿。水平加強連桿為型鋼管件，分別與驅(qū)動框架架體和轎廂架體牢固焊接。

該新型施工升降機的主要優(yōu)勢在于驅(qū)動系統(tǒng)的安裝方向和方式均同防護與作業(yè)一體化升降平臺相同，因此，2種設(shè)備可以共用導軌架進行自動升降。此外，驅(qū)動系統(tǒng)置于轎廂內(nèi)部，便于檢修保養(yǎng)，并降低施工升降機整體高度，減小了對上方操作平臺的影響。

2.2 施工升降機布置方案與防護措施

凹形截面單廂施工升降機可安裝在防護與作業(yè)一體化升降平臺的操作平臺下方導軌架上，與操作平臺進行共軌升降協(xié)同施工，每個導軌架可安裝1個單廂施工升降機，可根據(jù)施工現(xiàn)場實際需求設(shè)置單廂施工升降機的安裝數(shù)量與位置（圖5）。

圖5 凹形截面單廂施工升降機布設(shè)

為了避免施工升降機與上方的操作平臺發(fā)生碰撞，可設(shè)置必要的防碰撞裝置和采取相應的安全防護措施。在單廂施工升降機上方、操作平臺的下方分別設(shè)置位移傳感裝置，實時監(jiān)測2個設(shè)備的間距，在距離較近時發(fā)出聲光報警。施工升降機的驅(qū)動框架頂部設(shè)置行程開關(guān)，同時，在距操作平臺底部一定范圍的導軌架上，設(shè)置可跟隨操作平臺升降的移動式限位裝置，當單廂施工升降機上升至該限位裝置處時會觸發(fā)行程開關(guān)而自動停機，從而保證施工升降機與升降平臺之間的安全距離。

3 操作平臺避讓塔機附墻桿的施工方法

在主體結(jié)構(gòu)施工階段，防護與作業(yè)一體化升降平臺的操作平臺位于主體結(jié)構(gòu)頂部施工區(qū)域，塔吊附墻桿的安裝一直在操作平臺下方進行，不存在相互碰撞問題。但在裝飾裝修階段，操作平臺需通過往復升降進行墻體結(jié)構(gòu)施工，塔吊附墻桿的存在會對其運行路徑造成阻礙。雖然在一些工程中采用特定的施工程序可以避免此種工況，比如在塔吊拆卸后再由操作平臺邊下降邊自拆收尾。但為徹底解決這一技術(shù)難題，提出了借助可開合操作平臺標準節(jié)模塊避讓塔機附墻桿的施工方法。

3.1 可開合操作平臺標準節(jié)模塊

防護與作業(yè)一體化升降平臺的操作平臺穿越塔吊附墻桿升降的總體思路：在方案設(shè)計階段，將防護與作業(yè)一體化升降平臺的2個導軌架分別布置在塔吊的兩側(cè)，在2個導軌架上分別安裝各自的驅(qū)動系統(tǒng)和操作平臺標準節(jié)，當操作平臺下降或上升至接近塔吊附墻桿時，控制操作平臺的運行速度，在升降過程中使操作平臺各層的橫桿、走道翻板、圍護網(wǎng)板依次伸縮或開合，逐步穿越塔吊附墻桿。

為此，塔機附墻桿位置處的操作平臺標準節(jié)需要采用專項設(shè)計（圖6）。操作平臺標準節(jié)的頂層、中層和底層的水平鋼梁下方，分別固定3層套管，每層設(shè)置2個套管，伸縮桿穿入套管內(nèi)部，并可在套管內(nèi)部滑動，每層的2個伸縮桿穿出套管的端頭通過連桿連接，連桿中部設(shè)置絲套，絲桿從絲套中穿過，并由電機驅(qū)動，電機通過固定桿與套管連接，當電機驅(qū)動絲桿進行正反轉(zhuǎn)時，可帶動伸縮桿在套管內(nèi)進行往復水平移動。伸縮桿的另一端設(shè)置有銷軸連接頭，可通過銷軸與對向的伸縮桿端部連接形成鉸接約束，從而將塔吊兩側(cè)的操作平臺標準節(jié)連接形成一個整體操作平臺。上伸縮桿、下伸縮桿的上方分別鋪設(shè)翻板，翻板靠近套筒的端部設(shè)置鉸鏈，翻板以鉸鏈為軸可向上旋轉(zhuǎn)翻起。在伸縮桿及翻板的外側(cè)安裝2個對開的圍護網(wǎng)板，圍護網(wǎng)板靠近操作平臺標準節(jié)的側(cè)邊通過若干鉸鏈固定在平臺標準節(jié)的立桿上，圍護網(wǎng)板可向外側(cè)翻轉(zhuǎn)與折疊。通過上述附加裝置和措施，在塔吊附墻桿處形成可開合的操作平臺標準節(jié)模塊。

3.2 操作平臺避讓塔吊附墻桿的施工流程

當操作平臺從塔吊附墻桿下方開始向上爬升時，其避讓塔吊附墻桿的流程如下：

1）驅(qū)動操作平臺沿導軌架爬升，操作平臺的頂部運行至塔吊的附墻桿下方一定距離時，暫停爬升，將塔吊附墻桿下方的圍護網(wǎng)板向外翻開，并固定在相鄰的操作平臺標準節(jié)上，將上層走道的上翻板翻轉(zhuǎn)到豎直位置，解除上伸縮桿端部的鉸接約束，再將上伸縮桿分別向兩側(cè)相鄰操作平臺標準節(jié)內(nèi)收回，從而形成能夠容納塔吊附墻桿的空間，之后再緩慢爬升操作平臺。

2）當塔吊附墻桿位于上伸縮桿與中伸縮桿之間的位置時，暫停爬升，將上伸縮桿伸出并重新將桿端部通過銷軸連接，將上翻板向下翻轉(zhuǎn)，使其重新擱置在上伸縮桿上，解除中伸縮桿端的鉸接約束，再將中伸縮桿分別向兩側(cè)相鄰操作平臺標準節(jié)內(nèi)收回，將下翻板翻轉(zhuǎn)到豎直位置，再啟動操作平臺進行緩慢爬升。

圖6 操作平臺避讓塔機附墻桿升降方法示意

3）當塔吊附墻桿位于中伸縮桿與下伸縮桿之間的位置時，暫停爬升，將中伸縮桿伸出，并重新將桿端部通過銷軸進行連接，解除下伸縮桿端鉸接約束，再將下伸縮桿向相鄰操作平臺內(nèi)側(cè)收回，然后繼續(xù)緩慢爬升，使操作平臺標準節(jié)通過塔吊附墻桿。

4）待塔吊附墻桿位于下伸縮桿下方后，將下伸縮桿伸出并恢復桿端部的鉸接約束，將下翻板向下翻轉(zhuǎn)，使其擱置在下伸縮桿上方，將兩側(cè)的圍護網(wǎng)板翻轉(zhuǎn)閉合，從而完成穿越塔機附墻桿的流程。

當遇到多道塔吊附墻桿時，重復以上步驟，可將操作平臺穿越塔吊附墻桿爬升至既定位置。當操作平臺下降的過程中遇到塔吊附墻桿時，逆向重復上述步驟即可。

3.3 升降過程安全防護措施

采用信息化監(jiān)控技術(shù)是保障操作平臺穿越塔吊附墻桿進行安全升降的有效措施。可在塔吊附墻桿上安裝位移基站，同時在操作平臺與3道伸縮桿等高位置處分別設(shè)置定位標簽，位移基站與定位標簽采用無線方式進行組網(wǎng)，自動感知各道伸縮桿與塔吊附墻桿的垂直距離，從而判斷塔吊附墻桿與各道伸縮桿的相對位置。

在操作平臺上設(shè)置工控機和報警裝置，位移基站與工控機采用無線連接，可將定位標簽與位移基站的垂直距離位置信息發(fā)送至工控機，工控機根據(jù)距離限制控制報警裝置發(fā)出相應的聲光警報和停機信號，保障最小安全距離。

翻板、圍護網(wǎng)板閉合處可安裝行程開關(guān)，當翻板、圍護網(wǎng)板未按照正確流程完全閉合，即行程開關(guān)未完全觸碰到位時，禁止操作平臺升降運行，防止發(fā)生墜落事故。

4 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)建造是多種機械設(shè)備協(xié)同作業(yè)的綜合工程。采用防護與作業(yè)一體化升降平臺施工時，常會遇到與其他施工設(shè)備相互影響、相互協(xié)調(diào)的情況，本文從技術(shù)研究的角度出發(fā)，提出了一種機位內(nèi)置的凹形截面單廂施工升降機，驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)置于轎廂內(nèi)部，便于維修保養(yǎng)，轎廂水平截面為凹形結(jié)構(gòu)，可安裝在防護與作業(yè)一體化升降平臺的下方進行共軌升降，用于垂直運輸物料及人員，充分發(fā)揮高效協(xié)同作業(yè)優(yōu)勢，有效提升了導軌架的利用率和施工效率；提供了防護與作業(yè)一體化升降平臺避讓塔機附墻桿的施工方法，可使操作平臺穿越塔吊附墻桿進行垂直升降，并且在穿越避讓過程中，通過自動化伸縮與開合作業(yè)，操作平臺在垂直方向上始終保持2層伸縮桿的連接，保障了操作平臺整體運行安全，實現(xiàn)防護與作業(yè)一體化升降平臺對建筑結(jié)構(gòu)全圍護布置，避免了防護缺口，可有效解決傳統(tǒng)方法后期施工人力成本高、安全風險大等問題，有效提升建筑結(jié)構(gòu)外立面的施工工效。

當然，實際建筑工程均有著系統(tǒng)上的復雜性，應根據(jù)施工項目具體情況進行分析，因地制宜采用高效的建造機械設(shè)備與協(xié)同作業(yè)模式，從而取得最大化的綜合效益。