上海大中里高層住宅建造模架裝備整體同步頂升技術研究*

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 上海大中里項目工程概況

上海靜安大中里綜合發(fā)展項目地處上海市靜安區(qū)南京西路、石門一路，包括1 座54 層高249.8 m的T2塔樓。地上標準層層高為4.2 m，非標準層層高有4.3 m、2.4 m 、5.18 m、6.18 m等多種。辦公樓核心筒平面呈長方形，筒體軸線尺寸約為30 m×18 m，共設置3 道內笁隔墻。平面內主要包含電梯井、衛(wèi)生間、消防樓梯和管道井等。

辦公樓采用框架-核心筒結構體系。其核心筒結構由核心筒筒壁、核心筒內墻（包括暗柱）、梁和板組成。核心筒筒壁為鋼筋混凝土結構。核心筒墻體平面有一次變化，15 個典型平面（外墻收分）。核心筒分別在21夾F、38F設置2 道伸臂桁架層，桁架沿外墻面貫通。核心筒筒壁厚度地上部分最厚為1 500 mm，內墻厚度為400 mm 。隨著高度變化，墻體厚度逐步減少。核心筒墻體的施工采用鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺模架裝備。

2 同步頂升系統(tǒng)設計[1-6]

2.1 液壓頂升系統(tǒng)

液壓同步頂升技術采用計算機控制，全自動完成同步頂升、負載均衡、姿態(tài)校正、應力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報警燈多種功能，是集機、電、液、傳感器、計算機和控制理論于一體的現(xiàn)代化先進設備。

液壓頂升系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)負責整個液壓系統(tǒng)同步工作，保證頂升作業(yè)的順利完成。液壓系統(tǒng)由承重設備、液壓油缸、液壓閥組、泵站和管路等構成。其中，液壓泵站是頂升的動力，它的性能和可靠性對整個頂升工作至關重要。在液壓系統(tǒng)中，采用比例同步技術，可以有效提高整個系統(tǒng)的同步調節(jié)功能。

整個頂升系統(tǒng)由計算機來控制，系統(tǒng)作業(yè)過程中的測定數(shù)據(jù)通過傳感器采集并傳送到計算機上。通過數(shù)據(jù)分析，并進行系統(tǒng)調節(jié)，可以控制液壓油缸工作的同步性，及時進行偏差處理，提高了施工的安全性和自動化水平。

通過對本項目的具體分析，工程采用液壓頂升油缸和牛腿頂推油缸2 種規(guī)格。液壓頂升油缸（圖1）是整個模架裝備頂升的動力設備，設計中采用雙耳環(huán)連接，油缸兩端安裝有安全閥，為了增加油缸承受側向力能力，在油缸內部均安裝有支撐環(huán)，并且在油缸兩端的連接處，安裝關節(jié)軸承，可以允許連接有一定角度的擺動。當油缸行程小于其最大行程的90%時，油缸可以承受其承載力10%的側向力。共需油缸48 只（含備件4 只），具體參數(shù)為：額定工作負載200 kN，工作行程600 mm，缸筒外徑600 mm，最大工作壓力32 MPa，安裝間矩1 100 mm。

牛腿頂推油缸是用來自動控制牛腿的伸縮，當整個模架裝備工作時，牛腿擱置在核心筒墻體上，模架裝備上的荷載通過牛腿傳遞到核心筒墻體上；當模架裝置處于爬升狀態(tài)時，通過牛腿頂推油缸的回縮控制牛腿收縮，牛腿處于架空狀態(tài)。牛腿頂推油缸共需32 只（含備件4 只），參數(shù)為：額定工作荷載20 kN，工作行程430 mm，缸筒外徑65 mm，最大工作壓力12 MPa，油缸本體高度668 mm。

圖1 頂升油缸加工示意

2.2 同步控制系統(tǒng)

模架裝備的同步控制系統(tǒng)可以調節(jié)不同油缸的同步協(xié)同工作，并能控制油缸頂升過程中的偏差在允許范圍內；當頂升點的頂升力相差較大時，通過調節(jié)油缸的頂升速度使頂升力趨于均衡，對在操作過程中產生的大量數(shù)據(jù)，可以進行有效采集、儲存和分析。

控制系統(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。計算機是控制過程的核心，通過計算機發(fā)出指令到電氣系統(tǒng)來控制液壓系統(tǒng)的工作。計算機系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、分析系統(tǒng)；電氣控制系統(tǒng)包括：中央控制系統(tǒng)、總電氣柜、液壓驅動系統(tǒng)、泵站控制箱、供配電線路、自動檢測和信號顯示系統(tǒng)。

本項目中控制系統(tǒng)是采用PLC控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過增加組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)采集卡，以及電腦來實現(xiàn)整個系統(tǒng)上位機的監(jiān)控。系統(tǒng)包含工控機、組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)采集卡、觸摸屏。原理如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)

PC (工控機)具有高抗振性和抗沖擊性，并配有恒溫控制風扇，可使工作溫度處于安全范圍之內，從而大大提高監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。組態(tài)軟件通過數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)PC與工業(yè)總線的連接和采集總線上的數(shù)據(jù)，便于操作人員控制整個系統(tǒng)，并實時記錄系統(tǒng)的運行狀況。觸摸屏用于輸出控制指令給PLC，來控制整個同步頂升系統(tǒng)的指令發(fā)布。并同時具有監(jiān)測功能，實時顯示各點的壓力和位移數(shù)據(jù)。

PC 除了具有觸摸屏所有的顯示功能外，還可以對整個頂升過程進行數(shù)據(jù)記錄，并以曲線顯示整個頂升過程的數(shù)據(jù)變化，最終可以文檔表格形式進行存儲。

2.3 系統(tǒng)同步控制方案

模架裝備通過工控機來實現(xiàn)對發(fā)放指令、信號顯示、運行狀態(tài)和通訊聯(lián)絡的綜合控制。控制過程中既可以根據(jù)事先設定好的參數(shù)進行自動控制，也能實時進行手動控制。控制主要包括位移控制、荷載控制、位移和荷載雙向控制、監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)分析控制。

（a）位移控制：在系統(tǒng)工作之前，先確定一個基準點，其他測點和基準點之間的相對位移作為控制指標，當指標超出特定值時，系統(tǒng)報警，并發(fā)出相應指令來調節(jié)誤差。

（b）荷載控制：頂升點在頂升過程中，受到各種因素的影響，頂升力可能會有偏差，當偏差大于允許范圍時，系統(tǒng)報警。這時，需要啟動液壓裝備來調節(jié)頂升力趨于均衡。

（c）位移和荷載雙向控制：在系統(tǒng)工作中，根據(jù)工程特點和控制目標，對系統(tǒng)進行雙向控制，以位移控制為主，荷載控制為輔。這種控制可以同步控制不同點之間的高差和荷載趨于一致。

（d）監(jiān)測控制：主要包括：系統(tǒng)正常工作狀態(tài)、參數(shù)、數(shù)據(jù)的實時顯示；位移和荷載偏差的監(jiān)測；系統(tǒng)發(fā)布指令和接受信息狀態(tài)等。

（e）數(shù)據(jù)分析控制：通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析，以圖標、曲線等不同的方式顯示出來，供操作人員了解整個頂升過程。還可以設定模型和參數(shù)，對頂升過程進行預演，輔助技術人員制定最佳頂升方案。

2.4 頂升點的布置

在模架裝備同步頂升施工方案中，確定合理的頂升點數(shù)量和位置是非常重要，這將關系到頂升過程中整個模架裝備的安全性、適應性、可靠性和穩(wěn)定性。在確定頂升點位置和數(shù)量前，先要計算裝備在頂升過程中的荷載，確定頂升油缸規(guī)格和型號，計算出所需頂升油缸數(shù)量，然后根據(jù)裝備的特點和荷載分布情況均勻布置頂升點。

根據(jù)本工程的特點和受力情況，共布置22 個頂升點，頂升點位置和分布如下圖3所示。

圖3 頂升點布置

3 同步頂升計算分析

本文通過有限元軟件Midas Gen對模架裝備進行了整體建模數(shù)值模擬，計算項目包括架體的應力、變形以及支座反力。模架裝備頂升過程中荷載主要包括：模架裝備自重、頂升操作人員荷載、 機房自重和8 級風荷載。

依據(jù)模架裝備體系設計思路，在保證模架裝備具有一定的變形協(xié)調能力以及滿足承載力要求的思路上，設計模架裝備受力體系為：由柱子與其間連梁剛接形成類格構柱，柱子兩端與頂層及底層鋼大梁鉸接，組成模架裝備的主要抗側向彎矩構件。

爬升過程中，由與模架裝備固定的導軌支撐整個模架裝備，牛腿架空，實現(xiàn)受力體系轉化后完成提升作業(yè)，提升過程完成后，牛腿撐牢，導軌架空。

模架裝備三維有限元模型見圖4、圖5，圖4為屋面層以下整體模型，圖5為屋面層以上拆分后剩余部分模型。

圖4 模架裝備整體結構模型示意

圖5 模架裝備拆分后模型示意

3.1 整體模架裝備頂升受力分析

模架裝備頂升階段共使用22 只油缸，油缸最大載荷為400 kN，總載荷能力為8 800 kN，滿足提升過程中的能力要求。鋼平臺提升過程中要嚴格控制活荷載量值及布置區(qū)域，禁止提升過程中出現(xiàn)活荷載集中布置，以保證鋼平臺提升過程中頂升裝備不超載。

對整體結構進行有限元計算分析，應力計算結果為最大應力142.6 MPa，主要出現(xiàn)在導軌與鋼平臺交接處，因此在做節(jié)點設計時，要對該部分節(jié)點予以加強。結構最大豎向變形發(fā)生在懸挑較大部位，變形最大理論計算值約7.7 mm，位于背風面角部。鋼平臺爬升導軌反力，豎向最大值約327.8 kN；水平向最大值約15.4 kN，發(fā)生在平臺中央位置導軌。

施工過程中當風力達到7 級時將停止提升，而且模架裝備與混凝土核心筒之間設附墻滑輪，滑輪與模架裝備之間通過強力彈簧頂緊，以抵抗水平風載的影響，所以實際變形小于計算值，結構具備足夠的安全儲備。

3.2 拆分后模架裝備頂升受力分析

拆分后共使用13 只油缸，油缸最大載荷為400 kN，總載荷能力為5 200 kN，滿足提升過程中的能力要求。模架裝備提升過程中要嚴格控制活荷載量值及布置區(qū)域，禁止提升過程中出現(xiàn)活荷載集中布置，以保證鋼平臺提升過程中頂升設備不超載。

對拆分后結構進行有限元計算分析，最大應力為141.5 MPa，主要出現(xiàn)在導軌與鋼平臺交接處，因此，要對該部分節(jié)點予以加強。結構最大豎向變形發(fā)生在懸挑較大部位，變形最大理論計算值約7.05 mm，位于背風面角部。8 級風作用下鋼平臺迎風向，最大水平位移反應約為40.4 mm。鋼平臺爬升導軌反力，豎向最大值約282.1 kN，水平向最大值約16.9 kN，發(fā)生在平臺中央位置導軌。

3.3 導軌立柱受力分析

當模架裝備處于頂升階段時，提升導軌立柱最大懸臂長度為8.5 m，立柱約束類似于一端固結、一端自由的情況，所以立柱的計算長度是最大懸臂長度的2 倍為17 m。提升過程中立柱最大支座反力為327.8 kN。

通過手算對導軌立柱的整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性、導軌及下面混凝土的局壓進行驗算，全部滿足規(guī)范要求。

4 同步頂升故障處理措施

模架裝備在同步頂升過程中，可能出現(xiàn)的故障主要有液壓頂升裝備漏油，泵站停止工作、漏油，油管損壞，控制系統(tǒng)故障，傳感器無信號等。當出現(xiàn)故障后，要及時進行檢查，看電源是否正常，閥門開閉情況，智能控制系統(tǒng)是否正常。針對問題，盡快確定故障原因，并進行相關處理。故障排除后，在正常頂升工作前要進行預頂升。

5 結語

鋼柱筒架交替支撐式液壓爬升整體鋼平臺模架裝備在施工中的優(yōu)勢日益凸顯。其中，同步控制技術是關鍵，同步控制系統(tǒng)是模架裝備優(yōu)點能否發(fā)揮的重要前提。以上海大中里項目為背景，系統(tǒng)介紹了模架裝備的同步控制技術。結果表明，通過合理設計，同步控制技術能發(fā)揮很好的作用。同步控制技術在模架裝備上的成功運用，為其他模架施工裝備在這方面的工作提供了寶貴的經驗。