共用導架升降的多級施工平臺及其定位與防碰撞技術研究

潘 曦

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程工業化建造工程技術研究中心 上海 201114

導架升降式雙層施工平臺是用于建筑工程豎向結構施工的新型施工裝備，可起到外圍防護與提供作業空間的雙重作用，從而實現直接在平臺上進行建筑主體結構施工以及外墻裝飾裝修作業的目的[1]。

該裝備的作業平臺為雙層結構，可隨建筑物主體結構的每一結構段的施工進度同步上升，發揮提供作業空間與充當防護圍擋的雙重作用。在主體結構封頂進入裝飾裝修階段后，還可以通過操作平臺的反復升降進行材料運輸及墻面涂刷等施工。

該裝備在上海地區裝配式建筑工程實踐中得到了成功應用，取得了良好的實施效果。但該類平臺由于只有單個作業平臺，需待主體結構封頂后，才能進行外立面的裝飾裝修以及維護作業，而無法實現全立面范圍的結構施工與裝飾裝修同步作業的需求，在一定程度上存在施工流水搭接慢、導架系統利用率低等問題，未發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，由于該裝備的導軌為落地式，只有一層頂部平臺可用于施工，導架的利用率較低。

采用共用導架升降的多級施工平臺可有效解決以上問題。通過多級作業平臺共用導架系統進行自動升降，上級操作平臺采用雙層結構，使得覆蓋高度增大。進行主體結構施工與防護時，可隨主體結構向上爬升直至結構封頂。下級操作平臺可采用單層平臺，相對獨立地升降運行。開展人員、物料的輸送以及外墻面裝飾裝修作業，從而充分發揮導架系統的利用率，達到建筑結構外立面高效施工的目的。

1 多級串聯作業平臺系統構成

共用導架升降的多級施工平臺主要由作業平臺、導架、底座、附墻裝置組成[2-5]。其中，導架、底座、附墻裝置等的結構形式與導架升降式雙層施工平臺的結構形式相同，如圖1所示。

圖1 多級施工平臺系統構成示意

作業平臺可分為雙層作業平臺和單層作業平臺這2種 類型。

雙層作業平臺安裝于導架頂部位置，用于建筑物主體結構施工，為豎向結構施工提供作業空間與安全防護，隨結構外墻的建造而向上爬升，覆蓋高度大于5 000 mm。雙層作業平臺由雙層機位架、電動機、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準模塊首尾依次連接而成，雙層機位架上安裝有電動機和防墜器，兩側可分別與雙層桁架連接，并附著在導架上，可沿導架在電動機的驅動下，帶動雙層桁架進行垂直升降運動。吊桿設置在雙層桁架的上層，用來吊運導架標準節和零星物料。

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

單層作業平臺與雙層作業平臺的電動機、防墜器、結構件等應盡量采用通用構件，從而提高架體構件、驅動系統和安全系統的通用性和可互換性，便于現場高效拼裝。

導架和底座是主要的承重系統。導架是作業平臺的導向和支撐裝置，由焊接制成的若干型鋼框架標準節通過螺栓上下依次連接而成，導架通過若干個附墻裝置與建筑主體結構牢固連接，附墻裝置安裝間距為6～9 m。導架底部通過螺栓設置在底座上，底座承擔全部豎向荷載，采用固定式底座，即通過預埋地腳螺栓等方式將底座直接固定在預先設置的混凝土基礎上，與底座撐腿進行連接。

2 多級平臺組合形式

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

圖2 多級作業平臺組合形式

3 多級作業平臺運行定位與防碰撞控制

傳統的導架升降平臺只有一個作業平臺，無作業平臺相互碰撞問題，在作業平臺進行升降運行時，只是簡單發出聲光報警功能，無自動防碰撞系統，而操控人員在作業平臺上的視野范圍有限，僅僅依靠人工操作，極有可能引發設備相互碰撞而造成安全事故。

多級作業平臺共同升降運行時，運行定位與防碰撞控制系統非常關鍵，通過在運行過程中識別共用導軌架串聯升降的多個作業平臺的運行高度與其相互之間的位置距離，并自動根據相鄰作業平臺的運動方向、速度和位置間距進行分級報警、減速和制動，可達到簡化人工操作流程、確保設備運行安全、提高智能化操控水平等效果，從而保證各級作業平臺相互之間的安全性和協同性。

3.1 多級作業平臺運行定位與防碰撞控制系統構成

多級串聯升降作業平臺的運行定位與防碰撞控制系統主要包括測距基站、定位標簽、距離感應裝置、報警裝置、分控機、總控機等。以相鄰的兩級串聯升降作業平臺為例，其運行定位與防碰撞控制系統功能構架如圖3所示。

測距基站按照一定的標高和垂直間隔距離設置在升降設備的導軌架上，其測距接收模塊的信號覆蓋整個導軌架垂直區域，可通過無線方式識別與各個定位標簽的相對距離，并將距離數據信息通過無線傳輸模塊實時發送至總控機，從而識別各個作業平臺在導軌架上的位置以及其垂直高度。

定位標簽固定安裝在每個作業平臺貼近導軌架的部位，隨作業平臺運行，在測距基站的信號覆蓋區域內，定位標簽可被觸發并將其與測距基站的相對距離發送至相應的測距基站。

圖3 運行定位與防碰撞控制系統功能構架（兩級）

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

報警裝置由信號接收器和警報器組成，每一級升降平臺均應設置一套報警裝置，與分控機連接。報警裝置可接收分控機發出的信號指令，根據信號內容發出相應的聲、光警報。報警裝置有兩級報警模式，一級報警模式為聲音＋閃爍警報，二級報警模式為閃爍警報。

分控機包括信息收發模塊、運行狀態模塊、信息處理模塊、變頻調速模塊和啟停控制模塊。每個作業平臺均設置一個獨立的分控機，用來控制自身作業平臺的運行。信息收發模塊用來接收總控機和距離感應裝置的數據信號，包括相鄰作業平臺的運行狀態、自身與相鄰作業平臺的間距等信息，并將信息內容發送至信息處理模塊，并向變頻調速模塊、啟停控制模塊、報警裝置發送相應的動作指令；運行狀態模塊，實時采集自身作業平臺的電動機及減速器轉速轉向，并將其轉化為自身作業平臺的運行狀態信息數據，并發送至信息處理模塊。作業平臺的運行狀態信息包括上升、下降和停止這3種；變頻調速模塊、啟停控制模塊可根據動作指令，控制作業平臺的升降速度、啟動與制動。

總控機用來供操作人員遠程監視與控制設備的運行狀態。總控機接收測距基站和分控機發送的各個作業平臺的運行狀態信息，直觀顯示給操作人員的同時，將相鄰作業平臺的運行狀態數據發送至各自作業平臺的分控機，使單個作業平臺可以根據上下相鄰的作業平臺的運行狀態自動做出相應的動作反饋。操作人員可分別通過總控機發送指令信號給各個分控機，從而遠程監視和控制各個分控機的運行狀態。

為了防止無線信號受干擾無法實時傳輸而造成控制指令信號滯后的問題，分控機上可設定一個最小相鄰距離，當距離感應裝置采集的相鄰作業平臺的間距小于最小相鄰距離時，分控機可進行緊急制動，脫離總控機獨立運行，從而形成多道安全防線。

3.2 多級作業平臺的運行定位方法

假設有n個作業平臺沿導軌架升降運行，導軌架上設置有測距基站，測距基站與地面的距離為固定值。每個作業平臺均設置有獨立的定位標簽、分控機、距離感應裝置、報警裝置（圖4）。

圖4 2個相鄰作業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）個作業平臺的定位標簽與測距基站之間的距離。當該作業平臺位于測距基站下方時，Δhi為正值，當該作業平臺位于測距基站上方時，Δhi為負值。

第i個作業平臺運行過程中，相應定位標簽按照一定頻率發送信號至測距基站，測距基站實時接收測量與第i個定位標簽的距離Δhi，并將數據信息發送至總控機，總控機可通過距離差值計算出第i個作業平臺距導軌架底部的高度hi=H－Δhi，并進行實時顯示。

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

Di1距離感應裝置測量相鄰第i個作業平臺與第i＋1個作業平臺的間距。

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

為了保證相鄰設備運行分級預警與自動制動，設定Δd為一個相鄰作業平臺之間的最小距離、ΔD為相鄰作業平臺之間的一級報警距離，ΔD＞Δd。當然，各個相鄰作業平臺之間的最小距離和一級報警距離，可以根據不同設備的間距要求設置為不同數值。

3.3 多級串聯作業平臺的防碰撞控制方法

多級串聯作業平臺防碰撞控制的關鍵在于可通過相鄰設備之間的實時運行狀態進行兩級預警、精準判斷控制對象并及時減速停機，以達到相互之間低干擾、低影響運行的目的。

根據上下2個相鄰串聯作業平臺i與設備i＋1的運行狀態，可能發生碰撞的工況如表1所示。

表1 相鄰串聯作業平臺碰撞工況

第i個作業平臺開始運行前，分控機的信息收發模塊自動獲取相鄰作業平臺的距離與狀態信息，并由信息處理模塊進行判斷，若Di大于Δd，則該作業平臺可以向相鄰作業平臺方向運行，否則該作業平臺只能向遠離相鄰作業平臺的方向運行。

當第i個作業平臺與相鄰的第i＋1個作業平臺的距離Di減小時，2個作業平臺的分控機分別向各自的報警裝置發出二級報警指令，報警裝置進行二級報警。

對于工況1和工況2，當一臺設備為停止狀態，另一臺設備向停止設備運行的過程中：當相鄰設備間距Di≤ΔD時，報警裝置進行一級報警，運行中的作業平臺降低自身的運行速度；當Di≤Δd時，該作業平臺停止運行。

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

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

作業平臺停止運行后，通過人工操作重新啟動運行，在作業平臺啟動及運行過程中，實時執行上述防碰撞控制程序，直至達到預定高度位置。

4 結語

本文從研究角度出發，構建了多級串聯運行平臺體系，并提供了一種多級串聯作業平臺的運行定位與防碰撞控制系統及方法。通過設置測距基站和定位標簽等系列感知及控制裝置，精確識別各級作業平臺在導軌架上的位置高度、運行方向、速度、相鄰設備間距等系列狀態信息，并根據相鄰作業平臺的距離和狀態，實時向操作人員及監控人員發出不同級別的預警反饋，并適時有針對性地進行作業平臺自動減速和停機避讓，使多級設備互不干擾進行升降作業，達到簡化人工操作流程、保障設備運行安全、提高智能化操控水平的目的。