預(yù)制混凝土墻板智能調(diào)垂裝置的研發(fā)與應(yīng)用

張志峰

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

隨著建筑工業(yè)化的興起和發(fā)展，裝配式建筑以其建筑設(shè)計(jì)一體化、部件生產(chǎn)工廠化、建造過程信息化等特點(diǎn)在建筑施工中逐漸占據(jù)重要地位。住建部也相繼出臺(tái)了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)步、規(guī)范地推廣裝配式建筑技術(shù)的發(fā)展。預(yù)制混凝土墻板施工在住宅工程中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，然而在施工過程中的調(diào)垂工藝卻較落后[1-5]。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的調(diào)垂工藝主要有3個(gè)方面的缺點(diǎn)：

1）通過激光水平儀和直尺配合測(cè)量，需邊調(diào)邊測(cè)，導(dǎo)致最后墻板的垂直度精度不高。

2）人工調(diào)節(jié)可調(diào)桿件需要重復(fù)測(cè)量、重復(fù)調(diào)節(jié)，依賴于施工人員的經(jīng)驗(yàn)與操作熟練度，費(fèi)時(shí)耗力，且墻板垂直度誤差難以有效控制，效率不高。

3）這種工藝的調(diào)垂，每個(gè)班組需要3個(gè)人配合，人工成本比較高。

同時(shí)，有的單位通過液壓裝置和智能靠尺相聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)垂，但液壓裝置因需要泵站，裝置體積比較大，而每次調(diào)垂前需要接通液壓管，操作比較煩瑣，并沒有實(shí)現(xiàn)提高效率的目的。

針對(duì)上述問題，我們對(duì)傳統(tǒng)調(diào)垂工藝及裝備進(jìn)行技術(shù)革新，研發(fā)了預(yù)制墻板工具式智能調(diào)垂系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)調(diào)垂工作自動(dòng)化、信息化、智能化及調(diào)垂工具小型化，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的墻板垂直度偏差要求的條件下，有效控制調(diào)垂精度，提高工作效率，降低人力成本，并通過APP將調(diào)垂數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)調(diào)垂信息的記錄和保存。

1 智能調(diào)垂裝置的組成與特點(diǎn)分析

本產(chǎn)品為一套應(yīng)用于裝配式建筑中的預(yù)制墻板調(diào)垂作業(yè)的工具式智能調(diào)垂系統(tǒng)，由4個(gè)部分組成，包括測(cè)垂儀、手持控制器、調(diào)垂扳手和智能調(diào)垂APP，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品組成

1）測(cè)垂儀。自動(dòng)測(cè)量PC墻板的姿態(tài)，并發(fā)出控制信號(hào)對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。在研發(fā)過程中主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)需要考慮解決：測(cè)垂原理的選擇和精度要求；要適應(yīng)戶外露天作業(yè)，主要考慮溫度、光照、防水等環(huán)境因素；要便于攜帶和操作，盡可能輕巧。

2）手持控制器。實(shí)時(shí)接收測(cè)垂儀發(fā)送的墻板垂直度信息，根據(jù)D1、D2相對(duì)關(guān)系，通過控制器內(nèi)算法推算墻板姿態(tài)，進(jìn)而控制調(diào)垂扳手電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)撐桿，直至墻板垂直。動(dòng)力源的選擇，目前主要有液壓和電機(jī)。控制系統(tǒng)的選擇，主要有PLC控制和單片機(jī)控制。

3）調(diào)垂扳手。機(jī)械調(diào)垂裝置應(yīng)該具備操作方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠等特性。該設(shè)備摒棄調(diào)節(jié)墻板撐桿的傳統(tǒng)管鉗扳手，設(shè)計(jì)一套電動(dòng)扳手。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由提拉把手、抱爪、扳手中心摩擦輪構(gòu)成，替代手動(dòng)調(diào)節(jié)撐桿的方式。調(diào)垂作業(yè)時(shí)，電動(dòng)調(diào)垂扳手只需人手輕扶即可。扳手上配置控制盒通過無線信號(hào)接收手持控制器發(fā)送的指令，對(duì)調(diào)垂桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)整墻板姿態(tài)的目的（圖2）。

圖2 調(diào)垂扳手

4）智能調(diào)垂APP。結(jié)合信息技術(shù)，開發(fā)與調(diào)垂設(shè)備關(guān)聯(lián)的智能調(diào)垂APP。調(diào)垂APP在有網(wǎng)和無網(wǎng)狀態(tài)下均可使用，有網(wǎng)狀態(tài)下需要輸入準(zhǔn)確的登錄賬號(hào)和密碼，無網(wǎng)狀態(tài)下任意輸入賬號(hào)和密碼即可登錄。調(diào)垂APP連接手持控制器藍(lán)牙，接收控制器發(fā)送的調(diào)垂數(shù)據(jù)并在手機(jī)上顯示，同時(shí)在有網(wǎng)狀態(tài)時(shí)自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)至平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)垂信息。

用戶使用時(shí)，將測(cè)垂儀放置于墻板前方，調(diào)垂扳手中心摩擦輪抵住撐桿并抱緊，打開測(cè)垂儀和調(diào)垂扳手上的控制盒開關(guān)后，利用手持控制器控制調(diào)垂扳手進(jìn)行調(diào)垂。同時(shí)，手機(jī)登錄調(diào)垂APP，接收控制器發(fā)送的調(diào)垂數(shù)據(jù)并在手機(jī)上顯示。

2 技術(shù)原理及參數(shù)

2.1測(cè)垂儀

2.1.1 測(cè)垂原理

本產(chǎn)品測(cè)垂部分采用平行線法判斷墻板姿態(tài)，調(diào)垂部分利用摩擦傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)撐桿，控制信號(hào)通過無線模塊傳遞，工作原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作原理

1）測(cè)垂儀上下端布置激光測(cè)距儀，采用平行線法測(cè)墻板垂直度。利用重力垂直原理，將測(cè)垂桿安放在支架上，保持垂直狀態(tài)。

2）開啟上下激光器，向墻板射出2道平行光，收集上下測(cè)量數(shù)據(jù)D1、D2，傳輸至控制裝置。

3）設(shè)置無線發(fā)射模塊，將數(shù)據(jù)D1、D2發(fā)送至動(dòng)力控制裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)D1、D2相對(duì)關(guān)系，通過控制器內(nèi)算法推算墻板姿態(tài)，進(jìn)而控制調(diào)垂扳手電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

4）通過摩擦傳動(dòng)，控制扳手將轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速傳遞給撐桿，撐桿伸縮調(diào)整墻體垂直度，當(dāng)D1＝D2時(shí)，調(diào)垂工作自動(dòng)結(jié)束。

2.1.2 激光器的選擇

對(duì)比了紅光和綠光的性能，如圖4所示，紅光在陽光下可見效果差，綠光由于其小波長(zhǎng)、高頻率的特點(diǎn)，更適用于戶外陽光下。本次設(shè)計(jì)研究選取室外型綠光激光器，基于平行線法完成智能測(cè)垂工具的研發(fā)。激光器的精度一般均在±1.5 mm之內(nèi)，能夠滿足PC墻板的垂直度質(zhì)量要求。

圖4 紅綠光波頻

2.1.3 攜帶與操作便捷

測(cè)垂桿和支架分體設(shè)計(jì)，便于攜帶，測(cè)垂桿質(zhì)量為2 kg、長(zhǎng)度為1.5 m，支架質(zhì)量為1.5 kg，長(zhǎng)度為0.5 m，可伸縮，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)攜帶便捷、移位方便的要求。由于依靠重力對(duì)測(cè)垂桿進(jìn)行垂直度調(diào)整，一般情況下安放在支架上，測(cè)垂桿自動(dòng)保持垂直，無需人為操作。在激光器位置設(shè)置了開關(guān)按鈕，需要工作時(shí)直接按下開關(guān)即可，使用非常方便。

2.2動(dòng)力執(zhí)行裝置

對(duì)于調(diào)垂扳手的設(shè)計(jì)，因液壓系統(tǒng)由油缸、油管、泵站、控制閥等組成，比較復(fù)雜，考慮到手持工具的輕便要求，且本裝置對(duì)動(dòng)力要求不高、輸出的動(dòng)力不大，通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)用一個(gè)小電機(jī)就能解決問題，計(jì)算方法及結(jié)果如下：

墻板撐桿受力如圖5所示，先計(jì)算AB的軸向支撐力，再計(jì)算撐桿螺紋摩擦力矩，通過撐桿擬定轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動(dòng)功率，計(jì)算圓柱摩擦輪傳動(dòng)壓緊力，最后得出撐桿軸向力為1.214 6 kN，撐桿摩擦力矩為4.732 9 N·m，傳動(dòng)功率為46.92 W，摩擦輪壓緊力為1.632 6 kN，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為27.59 N·m。

圖5 墻板撐桿受力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)速為18 r/min，此時(shí)驗(yàn)算撐桿轉(zhuǎn)速為26.25 r/min，撐桿伸出速度為5.25 mm/s，在起始偏差5°的情況下，調(diào)節(jié)時(shí)間27.05 s，能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3控制系統(tǒng)的選擇

在本次研發(fā)的設(shè)備中，控制系統(tǒng)集中在手持控制器和調(diào)垂扳手中。基于單片機(jī)原理，設(shè)計(jì)功能電路板，實(shí)現(xiàn)手持控制器的設(shè)計(jì)，控制器帶有語音播報(bào)功能，功能按鍵配合顯示屏確保操作清晰，配備藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信號(hào)無線通信。調(diào)垂扳手配有控制盒，用于接收手持控制器發(fā)出的指令。

2.4性能參數(shù)

1）最大支撐墻板質(zhì)量為3.5 t。

2）測(cè)垂儀室外使用放置距離在3 m以內(nèi)。

3）調(diào)垂精度≤3 mm（低于GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求）。

4）無需使用經(jīng)緯儀，不需吊線、尺量。

5）環(huán)境溫度在45 ℃以下。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果及迭代方向

3.1現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

本次研發(fā)的預(yù)制墻板工具式智能調(diào)垂系統(tǒng)應(yīng)用于住建部智能建造試點(diǎn)項(xiàng)目——金地集團(tuán)上海嘉定新城菊?qǐng)@。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮智能調(diào)垂裝置的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)，確保墻板垂直精度，提高工程質(zhì)量。為了研究實(shí)際效果，該項(xiàng)目同時(shí)采用了傳統(tǒng)方式和智能調(diào)垂方式進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比效果如下：

1）傳統(tǒng)墻板調(diào)垂方式一個(gè)班組安排3人，平均調(diào)垂時(shí)間5～10 min；使用智能調(diào)垂系統(tǒng)完成調(diào)垂作業(yè)需要2人，墻板垂直度初始偏差22 mm，調(diào)垂時(shí)間39 s，效率明顯提升，降低成本。

2）相較于傳統(tǒng)水平儀、卷尺、鉛垂配合的測(cè)量方法，智能調(diào)垂系統(tǒng)能夠快速判斷墻板垂直度，操作簡(jiǎn)單方便、精度高，智能工具式調(diào)節(jié)更高效，實(shí)現(xiàn)調(diào)垂工作自動(dòng)化、信息化、智能化及調(diào)垂工具小型化。

3）智能調(diào)垂APP實(shí)時(shí)查看墻板調(diào)垂信息，使設(shè)備具備互聯(lián)網(wǎng)信息化，順應(yīng)智能建造發(fā)展理念。

本工程采用智能調(diào)垂裝置后吸引了區(qū)、市各級(jí)安質(zhì)監(jiān)、施工單位、監(jiān)理單位等前來參觀，都給予了高度的評(píng)價(jià)，大家均表示該方法實(shí)現(xiàn)了PC墻板施工智能化、信息化，相比傳統(tǒng)工藝效率更高、調(diào)垂精度更準(zhǔn)，相比液壓調(diào)垂裝置更加輕便，易于作業(yè)，具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.2迭代方向

本著精益求精的態(tài)度，針對(duì)本套智能調(diào)垂工具在工程實(shí)際場(chǎng)景中的使用效果，認(rèn)為當(dāng)前產(chǎn)品仍有改進(jìn)空間。產(chǎn)品優(yōu)化迭代方向主要有以下內(nèi)容：

1）測(cè)垂儀。目前的測(cè)垂儀依靠自身重力保持豎直，測(cè)垂桿下方配重塊供操作人員微調(diào)，由于測(cè)垂儀直接放置于三腳架楔形槽中，y方向自由度大，易受環(huán)境風(fēng)載影響而發(fā)生擺動(dòng)。后續(xù)對(duì)測(cè)垂儀研發(fā)改進(jìn)，采用角度法測(cè)垂原理，測(cè)垂儀改進(jìn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 測(cè)垂儀改進(jìn)示意

2）調(diào)垂扳手。針對(duì)當(dāng)前存在的摩擦輪使用壽命較短、惡劣條件下轉(zhuǎn)動(dòng)撐桿困難等問題，對(duì)調(diào)垂扳手的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，包括摩擦輪材料研究以及根據(jù)傳統(tǒng)管鉗工具優(yōu)勢(shì)對(duì)扳手機(jī)械結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行演變。

4 結(jié)語

相信通過不斷地改進(jìn)和完善，可以將該產(chǎn)品做到接近完美，降低研發(fā)及生產(chǎn)成本，移動(dòng)操作更加輕便，從而提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)墻板調(diào)垂工作的智能化。希望通過本文的論述，有更多的專家和單位能夠共同深入研究，一起推動(dòng)裝配式建筑技術(shù)的發(fā)展。