裝配式建筑施工中的導(dǎo)架式升降平臺附著技術(shù)研究

劉 鑫

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心 上海 201114

1 背景介紹

隨著國家大力提倡和鼓勵綠色建筑及建材，裝配式建筑在市場中的應(yīng)用也越來越多。所謂裝配式建筑是指在工廠預(yù)制、現(xiàn)場裝配而成的建筑。它在施工過程中具有節(jié)約資源、快速便捷、勞動強度低、建設(shè)質(zhì)量高、受氣候條件制約小等特點，是一種工業(yè)化的施工方法。

而導(dǎo)架升降平臺作為一種附著在建筑物外結(jié)構(gòu)上的高空作業(yè)機械，其高效靈活、安全節(jié)能、經(jīng)濟性好、自動化程度高等特點與裝配式建筑的匹配程度頗高。在裝配式建筑的施工中，它不僅承擔(dān)一部分垂直運輸?shù)淖饔?，同時還可以作為一種工具式防護體系使用，更可以輔助施工人員完成PC構(gòu)件的測量和定位等工序，控制安裝誤差[1-4]。

當(dāng)建筑物及其工作高度不斷升高時，升降平臺的導(dǎo)架懸臂高度會不斷增大。此時受風(fēng)力和自身自重的影響，導(dǎo)架穩(wěn)定性降低，使得設(shè)備發(fā)生搖晃，并且于頂端產(chǎn)生較大的位移，不僅影響設(shè)備正常運行，也容易發(fā)生危險事故。因此搭設(shè)附墻裝置對導(dǎo)架進行支撐，將導(dǎo)架受到的載荷傳遞到建筑物主體上是十分必要的。附墻裝置可以保證設(shè)備的整體穩(wěn)定性，同時也可以調(diào)整導(dǎo)架的垂直度。

2 導(dǎo)架升降平臺附著裝置的設(shè)計方案和力學(xué)分析

附墻裝置的主要力學(xué)作用有兩點：第一，平衡導(dǎo)架所受到的扭轉(zhuǎn)力和彎矩；第二，減少導(dǎo)架細長比，穩(wěn)定主體結(jié)構(gòu)。結(jié)合附墻裝置的實際工況（圖1），當(dāng)有2道以上附墻裝置作用時，需要采用連續(xù)梁力學(xué)模型進行計算。

根據(jù)標(biāo)準GB/T 27547—2011《升降工作平臺 導(dǎo)架爬升式工作平臺》，當(dāng)平臺工作且位于導(dǎo)架頂端時，受力情況較為惡劣，此時受到的力有設(shè)備載荷、人員和物料載荷、人員水平操作力、動力工具產(chǎn)生的力、工作狀態(tài)下的風(fēng)載荷等。對上述載荷進行簡化和處理（圖2），將垂直力均布到導(dǎo)軌頂端的節(jié)點上；垂直力引起的彎矩轉(zhuǎn)化為4對力偶加載到平臺和導(dǎo)架相作用的位置；水平力和風(fēng)載引起的扭矩簡化為2對力偶加載到平臺和導(dǎo)架相作用處；風(fēng)載根據(jù)風(fēng)向不同分別均布到迎風(fēng)面節(jié)點上。

經(jīng)有限元分析，可以得出導(dǎo)架上部第1組附著點的支承反力最大，故選取該附著平面對附著裝置進行進一步設(shè)計。以常規(guī)的三桿式附墻裝置為例，對該平面進行受力簡化（圖3）。圖3中，N為上部彎矩作用在附著面上的水平力和風(fēng)載產(chǎn)生的水平力的合力；M為風(fēng)載和水平力產(chǎn)生的扭矩；T1、T2、T3為桿件內(nèi)力；θ為受風(fēng)載影響時水平合力N的變化角度。

圖1 應(yīng)用工況示意

圖2 荷載簡化處理示意

圖3 附著裝置內(nèi)力計算簡圖

根據(jù)平面力系的平衡方程ΣFx=0、ΣFy=0、ΣFo=0，分別列式如下：

其中α=arctan [2b/(a－c)]，β=arctan [2b/(a＋c)]。

由以上平衡方程不難看出，附墻桿內(nèi)力T是一個關(guān)于角度α的函數(shù)，經(jīng)計算分析得出，當(dāng)α=45°時，T2=2M/[(2b＋c)(cosβ－sinβ)]，此時T2的內(nèi)力大小與合力N的方向無關(guān)，桿1和桿3即可平衡合力N，T2則起到平衡扭矩M和保持平面體系穩(wěn)定的作用。當(dāng)40°＜α＜55°時，各附著桿內(nèi)力變化趨向平穩(wěn)，且附著桿件內(nèi)力和支座反力較小，對附著點建筑結(jié)構(gòu)的承載能力要求也較小。

3 裝配式建筑中附著裝置的工藝流程和應(yīng)用要點

附著裝置的工藝流程如下：附著點的定位→附著裝置的設(shè)計制作→兩端附著支座安裝→附著桿件安裝→附著裝置拆除。

根據(jù)施工平面圖對附著裝置的附著點進行定位，確定附著桿件的安裝角度和理論長度，附著桿與建筑物墻面之間的角度應(yīng)在40°～55°之間。并且在附著點定位時，應(yīng)盡量遵循以下原則：附著點應(yīng)布設(shè)于靠近樓板處，以利于傳力和安裝；對于框架結(jié)構(gòu)裝配式建筑，附著點應(yīng)布于靠近柱根部；附著點設(shè)置于外墻墻面時，應(yīng)選擇靠近丁字墻和外墻轉(zhuǎn)角處，避免設(shè)置于輕質(zhì)墻與預(yù)制外墻交匯節(jié)點處；當(dāng)外墻無法滿足設(shè)置要求時，可通過窗洞口將附著點設(shè)置于承重內(nèi)墻或柱上。

為了適應(yīng)裝配式建筑的快速便利等特點，應(yīng)對附著裝置進行模塊化設(shè)計和制作，便于組裝、調(diào)節(jié)和更換。結(jié)合其功能和應(yīng)用要求，將附著裝置分為以下部分（圖4）：

圖4 附著裝置結(jié)構(gòu)

1）滑動框架：用于連接導(dǎo)軌架立柱。

2）調(diào)節(jié)桿a：用于調(diào)節(jié)長度和平衡扭矩。

3）調(diào)節(jié)桿b：用于調(diào)節(jié)長度和調(diào)整導(dǎo)架垂直度。

4）附著連接座：用于連接附著桿和建筑結(jié)構(gòu)。

在裝配式建筑的施工過程中，通常將建筑物端的附墻點設(shè)置于每層的樓板上（圖5）。預(yù)制樓板內(nèi)設(shè)有預(yù)埋螺栓，通過附著裝置將導(dǎo)軌架與建筑物主體連接，錨固能力較強，導(dǎo)軌架穩(wěn)定性能夠得到較好的保障。

但當(dāng)建筑端和導(dǎo)架端附著點有落差時，基于附著桿件在受力時應(yīng)只承受水平方向上的拉壓力，不應(yīng)受彎的要求，需要對兩端附著點的位置和結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，以力求將附著平面保持水平，滿足受力要求。導(dǎo)架端可以通過滑動框架對其安裝位置進行調(diào)整，但應(yīng)注意間隔距離。

圖5 樓板處附著連接

對于建筑結(jié)構(gòu)端，當(dāng)附著點無法設(shè)置于每層樓板處時，為了避免在預(yù)制外墻板上開孔，則需要使用其他位置和方法進行附著?？梢詫⒏街b置安裝于預(yù)制梁或者陽臺板上，也可以安裝于窗口處或者通過外墻上的洞、窗將附著裝置安裝于內(nèi)部預(yù)制剪力墻和預(yù)制柱上。

當(dāng)附著裝置安裝于陽臺板上時（圖6），為了保證附著裝置的水平，在附著裝置連接時增加了輔助支架，通過對穿螺桿將支架固定在陽臺板上。同時也避免了破壞陽臺板反梁的結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖6 陽臺板上的附著連接

在附著裝置安裝于預(yù)制梁上時（圖7），需要在預(yù)制梁結(jié)構(gòu)中埋設(shè)預(yù)留套管，預(yù)留套管與梁表面需相互垂直，不能有傾斜夾角。考慮到預(yù)留套管在制作中的精確定位較為困難，制作時可以將幾個預(yù)留套管焊接成框架形式，并綁扎在鋼筋上，以達到定位的要求。

圖7 預(yù)制梁上的附著連接

在窗口處進行附著連接時（圖8），將輔助附著框架安置在墻體的窗口處，根據(jù)窗口的實際厚度通過調(diào)節(jié)桿的粗調(diào)和精調(diào)使支撐鋼板和橡膠板夾緊內(nèi)外表面。在固定附著裝置的同時，保護了外墻結(jié)構(gòu)，避免外墻的損壞。

圖8 窗口處附著連接

當(dāng)導(dǎo)軌架距離建筑外墻較近時，如果與外墻進行附著連接則較難滿足附著桿件所需的角度。此時可以通過外墻上的孔洞將附著裝置附著在內(nèi)部的剪力墻和柱上（圖9）。附著在內(nèi)剪力墻上的連接方式與附著于預(yù)制梁上的連接方式相同；附著在內(nèi)部柱體時，可以采取環(huán)抱柱體的方式安裝附著連接座。充分利用預(yù)制外墻體窗框洞口，避免在預(yù)制外墻體上開設(shè)孔洞，保護了墻體的整體性和質(zhì)量。需要注意的是，當(dāng)附著點與導(dǎo)軌架距離較大時，需要對桿件截面進行重新設(shè)計，以保證桿件的穩(wěn)定性。

圖9 內(nèi)墻、柱處附著連接

當(dāng)兩端附著支座安裝完畢，在安裝附著桿件之前，需要對導(dǎo)軌架進行垂直度的校核和矯正。滿足垂直度要求后，再對附著桿件進行吊裝，首先將調(diào)節(jié)桿b與兩端的附著支座連接，再將調(diào)節(jié)桿a安裝于2根調(diào)節(jié)桿b的中間。待全部就位后，利用調(diào)節(jié)桿a和b對導(dǎo)軌架進行垂直度調(diào)整，滿足垂直度要求后，將鎖緊螺母鎖緊。拆除過程則是安裝過程的逆向?qū)嵤?/p>

4 附著技術(shù)在裝配式建筑中拓展應(yīng)用的探討

裝配式建筑在工程中的應(yīng)用越來越多，其多樣性和復(fù)雜程度也在悄然變化著。附著技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用除了要滿足基本的工藝要求外，還有著很多發(fā)展空間。

1）在高層建筑施工中，導(dǎo)架升降平臺不再單單滿足于外墻裝飾的應(yīng)用，而是在主體施工中就參與使用。在施工層預(yù)制件安裝過程中，受其工況限制，在施工層安裝的附著裝置與墻體連接的穩(wěn)定性不足以滿足導(dǎo)架升降平臺運行時對強度的需求，會對建筑構(gòu)件造成破壞。因此在建筑主體施工過程中，附著裝置應(yīng)設(shè)置在已安裝完成的樓層處，這就造成了導(dǎo)架升降平臺至少需要懸挑5 m的高度。對于最上部一道附著裝置而言，所要承受的力無形中增大了許多。為了解決上述問題，可以對最上層附著裝置采用桁架結(jié)構(gòu)的雙層附著，來保證附著裝置和導(dǎo)軌架的穩(wěn)定性與安全性。

2）對于導(dǎo)架和建筑兩端附著點高度不一致的情況，本文采用的是對導(dǎo)架的附著點采取上下滑動的方式來調(diào)平兩端附著點高度。而在一些工程中，則在每根附著桿件兩端各增設(shè)一個與原有銷軸成90°的水平銷軸，使得附著桿件兩端都具有“萬向節(jié)”的功能，以增加對位置偏差的適應(yīng)性。但每根附著桿件的鉸接點太多，桿件在受壓時，很難保證桿件中心線的直線性，銷軸會產(chǎn)生額外彎矩，對銷軸受力很不利。因此不建議用此方法。

3）在使用過程中，現(xiàn)有的附著支座和附著桿件裝配完成后，有時存在兩者相對轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。為了避免附著桿件的角度超出合理范圍，影響附著裝置的穩(wěn)定性，可以考慮在兩者之間設(shè)置防轉(zhuǎn)板，使其只可以在40°～55°之間轉(zhuǎn)動。在控制角度的同時，也可增強連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

4）隨著建筑物高度增加和造型變化，附著裝置的道數(shù)和長度也存在著較大的變化，附著桿件過長會對導(dǎo)軌架的穩(wěn)定性有著較大影響。因此，對關(guān)鍵位置附著桿件的應(yīng)力和撓度進行監(jiān)測顯得較為必要。監(jiān)測結(jié)果可以直觀地反映導(dǎo)軌架的狀況，以便于及時做好維護和加固措施。

5 結(jié)語

基于導(dǎo)架升降平臺在裝配式建筑施工中的廣泛運用，其附著裝置的正確應(yīng)用對設(shè)備的整體穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。本文通過受力分析和工藝特點的闡述，很好地解決了附著裝置在復(fù)雜的施工現(xiàn)場環(huán)境中的應(yīng)用問題，對提升其在設(shè)計和使用中的經(jīng)濟性有著較為合理的參考意義。但隨著裝配式建筑的形式和要求的不斷更新，仍然有很多的問題需要完善和解決。而通過附著技術(shù)在裝配式建筑中拓展應(yīng)用的探討，提出了一些現(xiàn)有問題和改進方向，值得工程技術(shù)人員進一步深入研究和探索。