共用導(dǎo)架升降的多級施工平臺及其定位與防碰撞技術(shù)研究

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

導(dǎo)架升降式雙層施工平臺是用于建筑工程豎向結(jié)構(gòu)施工的新型施工裝備，可起到外圍防護(hù)與提供作業(yè)空間的雙重作用，從而實(shí)現(xiàn)直接在平臺上進(jìn)行建筑主體結(jié)構(gòu)施工以及外墻裝飾裝修作業(yè)的目的[1]。

該裝備的作業(yè)平臺為雙層結(jié)構(gòu)，可隨建筑物主體結(jié)構(gòu)的每一結(jié)構(gòu)段的施工進(jìn)度同步上升，發(fā)揮提供作業(yè)空間與充當(dāng)防護(hù)圍擋的雙重作用。在主體結(jié)構(gòu)封頂進(jìn)入裝飾裝修階段后，還可以通過操作平臺的反復(fù)升降進(jìn)行材料運(yùn)輸及墻面涂刷等施工。

該裝備在上海地區(qū)裝配式建筑工程實(shí)踐中得到了成功應(yīng)用，取得了良好的實(shí)施效果。但該類平臺由于只有單個作業(yè)平臺，需待主體結(jié)構(gòu)封頂后，才能進(jìn)行外立面的裝飾裝修以及維護(hù)作業(yè)，而無法實(shí)現(xiàn)全立面范圍的結(jié)構(gòu)施工與裝飾裝修同步作業(yè)的需求，在一定程度上存在施工流水搭接慢、導(dǎo)架系統(tǒng)利用率低等問題，未發(fā)揮最大化的高效施工作用。

此外，在用于高層乃至超高層建筑施工時，由于該裝備的導(dǎo)軌為落地式，只有一層頂部平臺可用于施工，導(dǎo)架的利用率較低。

采用共用導(dǎo)架升降的多級施工平臺可有效解決以上問題。通過多級作業(yè)平臺共用導(dǎo)架系統(tǒng)進(jìn)行自動升降，上級操作平臺采用雙層結(jié)構(gòu)，使得覆蓋高度增大。進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工與防護(hù)時，可隨主體結(jié)構(gòu)向上爬升直至結(jié)構(gòu)封頂。下級操作平臺可采用單層平臺，相對獨(dú)立地升降運(yùn)行。開展人員、物料的輸送以及外墻面裝飾裝修作業(yè)，從而充分發(fā)揮導(dǎo)架系統(tǒng)的利用率，達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)外立面高效施工的目的。

1 多級串聯(lián)作業(yè)平臺系統(tǒng)構(gòu)成

共用導(dǎo)架升降的多級施工平臺主要由作業(yè)平臺、導(dǎo)架、底座、附墻裝置組成[2-5]。其中，導(dǎo)架、底座、附墻裝置等的結(jié)構(gòu)形式與導(dǎo)架升降式雙層施工平臺的結(jié)構(gòu)形式相同，如圖1所示。

圖1 多級施工平臺系統(tǒng)構(gòu)成示意

作業(yè)平臺可分為雙層作業(yè)平臺和單層作業(yè)平臺這2種 類型。

雙層作業(yè)平臺安裝于導(dǎo)架頂部位置，用于建筑物主體結(jié)構(gòu)施工，為豎向結(jié)構(gòu)施工提供作業(yè)空間與安全防護(hù)，隨結(jié)構(gòu)外墻的建造而向上爬升，覆蓋高度大于5 000 mm。雙層作業(yè)平臺由雙層機(jī)位架、電動機(jī)、防墜器、欄桿、吊桿、雙層桁架等組成。雙層桁架可采用若干雙層桁架標(biāo)準(zhǔn)模塊首尾依次連接而成，雙層機(jī)位架上安裝有電動機(jī)和防墜器，兩側(cè)可分別與雙層桁架連接，并附著在導(dǎo)架上，可沿導(dǎo)架在電動機(jī)的驅(qū)動下，帶動雙層桁架進(jìn)行垂直升降運(yùn)動。吊桿設(shè)置在雙層桁架的上層，用來吊運(yùn)導(dǎo)架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和零星物料。

單層作業(yè)平臺安裝于雙層作業(yè)平臺下方，主要用于外立面裝飾裝修施工以及人員、物料輸送，可沿導(dǎo)架進(jìn)行爬升和下降雙向施工作業(yè)。單層作業(yè)平臺由單層機(jī)位架、電動機(jī)、防墜器、單層桁架、圍欄、防護(hù)棚等組成。單層桁架的上方設(shè)有鋪板和挑板，用于人員行走和材料堆放，圍欄高度大于2 000 mm，單層作業(yè)平臺頂部須設(shè)置防護(hù)棚，以防止上方墜物，保障人員安全。

單層作業(yè)平臺與雙層作業(yè)平臺的電動機(jī)、防墜器、結(jié)構(gòu)件等應(yīng)盡量采用通用構(gòu)件，從而提高架體構(gòu)件、驅(qū)動系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的通用性和可互換性，便于現(xiàn)場高效拼裝。

導(dǎo)架和底座是主要的承重系統(tǒng)。導(dǎo)架是作業(yè)平臺的導(dǎo)向和支撐裝置，由焊接制成的若干型鋼框架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)通過螺栓上下依次連接而成，導(dǎo)架通過若干個附墻裝置與建筑主體結(jié)構(gòu)牢固連接，附墻裝置安裝間距為6～9 m。導(dǎo)架底部通過螺栓設(shè)置在底座上，底座承擔(dān)全部豎向荷載，采用固定式底座，即通過預(yù)埋地腳螺栓等方式將底座直接固定在預(yù)先設(shè)置的混凝土基礎(chǔ)上，與底座撐腿進(jìn)行連接。

2 多級平臺組合形式

通過若干雙層作業(yè)平臺、單層作業(yè)平臺、導(dǎo)架以及底座可組合形成多導(dǎo)架多級作業(yè)平臺，如雙導(dǎo)架兩級作業(yè)平臺、雙導(dǎo)架三級作業(yè)平臺、單導(dǎo)架兩級作業(yè)平臺等（圖2）。雙層作業(yè)平臺布設(shè)在頂層，可以進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工，下方作業(yè)平臺一般采用單層作業(yè)平臺，導(dǎo)架也可以采用單導(dǎo)架或多導(dǎo)架組合形式[6-10]。

圖2 多級作業(yè)平臺組合形式

3 多級作業(yè)平臺運(yùn)行定位與防碰撞控制

傳統(tǒng)的導(dǎo)架升降平臺只有一個作業(yè)平臺，無作業(yè)平臺相互碰撞問題，在作業(yè)平臺進(jìn)行升降運(yùn)行時，只是簡單發(fā)出聲光報(bào)警功能，無自動防碰撞系統(tǒng)，而操控人員在作業(yè)平臺上的視野范圍有限，僅僅依靠人工操作，極有可能引發(fā)設(shè)備相互碰撞而造成安全事故。

多級作業(yè)平臺共同升降運(yùn)行時，運(yùn)行定位與防碰撞控制系統(tǒng)非常關(guān)鍵，通過在運(yùn)行過程中識別共用導(dǎo)軌架串聯(lián)升降的多個作業(yè)平臺的運(yùn)行高度與其相互之間的位置距離，并自動根據(jù)相鄰作業(yè)平臺的運(yùn)動方向、速度和位置間距進(jìn)行分級報(bào)警、減速和制動，可達(dá)到簡化人工操作流程、確保設(shè)備運(yùn)行安全、提高智能化操控水平等效果，從而保證各級作業(yè)平臺相互之間的安全性和協(xié)同性。

3.1 多級作業(yè)平臺運(yùn)行定位與防碰撞控制系統(tǒng)構(gòu)成

多級串聯(lián)升降作業(yè)平臺的運(yùn)行定位與防碰撞控制系統(tǒng)主要包括測距基站、定位標(biāo)簽、距離感應(yīng)裝置、報(bào)警裝置、分控機(jī)、總控機(jī)等。以相鄰的兩級串聯(lián)升降作業(yè)平臺為例，其運(yùn)行定位與防碰撞控制系統(tǒng)功能構(gòu)架如圖3所示。

測距基站按照一定的標(biāo)高和垂直間隔距離設(shè)置在升降設(shè)備的導(dǎo)軌架上，其測距接收模塊的信號覆蓋整個導(dǎo)軌架垂直區(qū)域，可通過無線方式識別與各個定位標(biāo)簽的相對距離，并將距離數(shù)據(jù)信息通過無線傳輸模塊實(shí)時發(fā)送至總控機(jī)，從而識別各個作業(yè)平臺在導(dǎo)軌架上的位置以及其垂直高度。

定位標(biāo)簽固定安裝在每個作業(yè)平臺貼近導(dǎo)軌架的部位，隨作業(yè)平臺運(yùn)行，在測距基站的信號覆蓋區(qū)域內(nèi)，定位標(biāo)簽可被觸發(fā)并將其與測距基站的相對距離發(fā)送至相應(yīng)的測距基站。

圖3 運(yùn)行定位與防碰撞控制系統(tǒng)功能構(gòu)架（兩級）

距離感應(yīng)裝置設(shè)置在每個作業(yè)平臺的上、下邊緣位置，通過超聲波或激光紅外測距等技術(shù)手段，實(shí)時高精度感知自身的作業(yè)平臺與相鄰上、下2個作業(yè)平臺之間的垂直距離，并將距離信息通過有線方式發(fā)送至分控機(jī)。

報(bào)警裝置由信號接收器和警報(bào)器組成，每一級升降平臺均應(yīng)設(shè)置一套報(bào)警裝置，與分控機(jī)連接。報(bào)警裝置可接收分控機(jī)發(fā)出的信號指令，根據(jù)信號內(nèi)容發(fā)出相應(yīng)的聲、光警報(bào)。報(bào)警裝置有兩級報(bào)警模式，一級報(bào)警模式為聲音＋閃爍警報(bào)，二級報(bào)警模式為閃爍警報(bào)。

分控機(jī)包括信息收發(fā)模塊、運(yùn)行狀態(tài)模塊、信息處理模塊、變頻調(diào)速模塊和啟?？刂颇K。每個作業(yè)平臺均設(shè)置一個獨(dú)立的分控機(jī)，用來控制自身作業(yè)平臺的運(yùn)行。信息收發(fā)模塊用來接收總控機(jī)和距離感應(yīng)裝置的數(shù)據(jù)信號，包括相鄰作業(yè)平臺的運(yùn)行狀態(tài)、自身與相鄰作業(yè)平臺的間距等信息，并將信息內(nèi)容發(fā)送至信息處理模塊，并向變頻調(diào)速模塊、啟停控制模塊、報(bào)警裝置發(fā)送相應(yīng)的動作指令；運(yùn)行狀態(tài)模塊，實(shí)時采集自身作業(yè)平臺的電動機(jī)及減速器轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向，并將其轉(zhuǎn)化為自身作業(yè)平臺的運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，并發(fā)送至信息處理模塊。作業(yè)平臺的運(yùn)行狀態(tài)信息包括上升、下降和停止這3種；變頻調(diào)速模塊、啟?？刂颇K可根據(jù)動作指令，控制作業(yè)平臺的升降速度、啟動與制動。

總控機(jī)用來供操作人員遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)?？偪貦C(jī)接收測距基站和分控機(jī)發(fā)送的各個作業(yè)平臺的運(yùn)行狀態(tài)信息，直觀顯示給操作人員的同時，將相鄰作業(yè)平臺的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至各自作業(yè)平臺的分控機(jī)，使單個作業(yè)平臺可以根據(jù)上下相鄰的作業(yè)平臺的運(yùn)行狀態(tài)自動做出相應(yīng)的動作反饋。操作人員可分別通過總控機(jī)發(fā)送指令信號給各個分控機(jī)，從而遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制各個分控機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

為了防止無線信號受干擾無法實(shí)時傳輸而造成控制指令信號滯后的問題，分控機(jī)上可設(shè)定一個最小相鄰距離，當(dāng)距離感應(yīng)裝置采集的相鄰作業(yè)平臺的間距小于最小相鄰距離時，分控機(jī)可進(jìn)行緊急制動，脫離總控機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，從而形成多道安全防線。

3.2 多級作業(yè)平臺的運(yùn)行定位方法

假設(shè)有n個作業(yè)平臺沿導(dǎo)軌架升降運(yùn)行，導(dǎo)軌架上設(shè)置有測距基站，測距基站與地面的距離為固定值。每個作業(yè)平臺均設(shè)置有獨(dú)立的定位標(biāo)簽、分控機(jī)、距離感應(yīng)裝置、報(bào)警裝置（圖4）。

圖4 2個相鄰作業(yè)平臺的位置距離示意

圖中，H為測距基站距地面的高度；Δhi為第i（i=1，2，…，n）個作業(yè)平臺的定位標(biāo)簽與測距基站之間的距離。當(dāng)該作業(yè)平臺位于測距基站下方時，Δhi為正值，當(dāng)該作業(yè)平臺位于測距基站上方時，Δhi為負(fù)值。

第i個作業(yè)平臺運(yùn)行過程中，相應(yīng)定位標(biāo)簽按照一定頻率發(fā)送信號至測距基站，測距基站實(shí)時接收測量與第i個定位標(biāo)簽的距離Δhi，并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至總控機(jī)，總控機(jī)可通過距離差值計(jì)算出第i個作業(yè)平臺距導(dǎo)軌架底部的高度hi=H－Δhi，并進(jìn)行實(shí)時顯示。

第i個作業(yè)平臺與相鄰第i＋1個作業(yè)平臺的間距Di可由距離感應(yīng)裝置直接測量得出，或由測距基站和定位標(biāo)簽的測量值計(jì)算得出。為了確保運(yùn)行安全，Di取為由距離感應(yīng)裝置直接測量值和由測距基站、定位標(biāo)簽的測量計(jì)算值中的較小值，即Di=min（Di1，Di2）。

Di1距離感應(yīng)裝置測量相鄰第i個作業(yè)平臺與第i＋1個作業(yè)平臺的間距。

Di2為測距基站測量相鄰第i個作業(yè)平臺與第i＋1個作業(yè)平臺的間距，若ha,i為第i個作業(yè)平臺的定位標(biāo)簽距該作業(yè)平臺上邊緣的距離，hb,i為第i個作業(yè)平臺的定位標(biāo)簽距該作業(yè)平臺下邊緣的距離，Di2=hi＋1－h(huán)i－h(huán)b,i＋1－h(huán)a,i。

為了保證相鄰設(shè)備運(yùn)行分級預(yù)警與自動制動，設(shè)定Δd為一個相鄰作業(yè)平臺之間的最小距離、ΔD為相鄰作業(yè)平臺之間的一級報(bào)警距離，ΔD＞Δd。當(dāng)然，各個相鄰作業(yè)平臺之間的最小距離和一級報(bào)警距離，可以根據(jù)不同設(shè)備的間距要求設(shè)置為不同數(shù)值。

3.3 多級串聯(lián)作業(yè)平臺的防碰撞控制方法

多級串聯(lián)作業(yè)平臺防碰撞控制的關(guān)鍵在于可通過相鄰設(shè)備之間的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行兩級預(yù)警、精準(zhǔn)判斷控制對象并及時減速停機(jī)，以達(dá)到相互之間低干擾、低影響運(yùn)行的目的。

根據(jù)上下2個相鄰串聯(lián)作業(yè)平臺i與設(shè)備i＋1的運(yùn)行狀態(tài)，可能發(fā)生碰撞的工況如表1所示。

表1 相鄰串聯(lián)作業(yè)平臺碰撞工況

第i個作業(yè)平臺開始運(yùn)行前，分控機(jī)的信息收發(fā)模塊自動獲取相鄰作業(yè)平臺的距離與狀態(tài)信息，并由信息處理模塊進(jìn)行判斷，若Di大于Δd，則該作業(yè)平臺可以向相鄰作業(yè)平臺方向運(yùn)行，否則該作業(yè)平臺只能向遠(yuǎn)離相鄰作業(yè)平臺的方向運(yùn)行。

當(dāng)?shù)趇個作業(yè)平臺與相鄰的第i＋1個作業(yè)平臺的距離Di減小時，2個作業(yè)平臺的分控機(jī)分別向各自的報(bào)警裝置發(fā)出二級報(bào)警指令，報(bào)警裝置進(jìn)行二級報(bào)警。

對于工況1和工況2，當(dāng)一臺設(shè)備為停止?fàn)顟B(tài)，另一臺設(shè)備向停止設(shè)備運(yùn)行的過程中：當(dāng)相鄰設(shè)備間距Di≤ΔD時，報(bào)警裝置進(jìn)行一級報(bào)警，運(yùn)行中的作業(yè)平臺降低自身的運(yùn)行速度；當(dāng)Di≤Δd時，該作業(yè)平臺停止運(yùn)行。

對于工況3，第i個作業(yè)平臺與相鄰的第i＋1個作業(yè)平臺相向運(yùn)行的過程中：當(dāng)Di≤ΔD時，2個作業(yè)平臺各自的報(bào)警裝置發(fā)出一級報(bào)警，同時通過變頻調(diào)速模塊降低各自的運(yùn)行速度；當(dāng)Di≤Δd時，2個作業(yè)平臺均停止運(yùn)行。

對于工況4和工況5，1個作業(yè)平臺跟隨在相鄰作業(yè)平臺之后向同一方向運(yùn)行過程中：當(dāng)Di≤ΔD時，2個作業(yè)平臺各自的報(bào)警裝置發(fā)出一級報(bào)警，跟隨在后面的作業(yè)平臺降低自身的運(yùn)行速度；當(dāng)Di≤Δd時，跟隨在后面的作業(yè)平臺停止運(yùn)行，前方作業(yè)平臺可自始至終保持自身運(yùn)行狀態(tài) 不變。

作業(yè)平臺停止運(yùn)行后，通過人工操作重新啟動運(yùn)行，在作業(yè)平臺啟動及運(yùn)行過程中，實(shí)時執(zhí)行上述防碰撞控制程序，直至達(dá)到預(yù)定高度位置。

4 結(jié)語

本文從研究角度出發(fā)，構(gòu)建了多級串聯(lián)運(yùn)行平臺體系，并提供了一種多級串聯(lián)作業(yè)平臺的運(yùn)行定位與防碰撞控制系統(tǒng)及方法。通過設(shè)置測距基站和定位標(biāo)簽等系列感知及控制裝置，精確識別各級作業(yè)平臺在導(dǎo)軌架上的位置高度、運(yùn)行方向、速度、相鄰設(shè)備間距等系列狀態(tài)信息，并根據(jù)相鄰作業(yè)平臺的距離和狀態(tài)，實(shí)時向操作人員及監(jiān)控人員發(fā)出不同級別的預(yù)警反饋，并適時有針對性地進(jìn)行作業(yè)平臺自動減速和停機(jī)避讓，使多級設(shè)備互不干擾進(jìn)行升降作業(yè)，達(dá)到簡化人工操作流程、保障設(shè)備運(yùn)行安全、提高智能化操控水平的目的。