預制構件高效自平衡智能吊裝裝置研究與實踐

潘 峰 沈淺灝 王太源

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

近年來，建筑業向工業化轉型，產業整體優勢增強，裝配式混凝土結構的預制率逐步提升，采用工廠化預制的構件種類顯著增多。在裝配式混凝土結構的施工過程中，依賴起重機械設備進行預制構件吊運的作業量增多，采用傳統的吊裝作業方法，吊裝風險增大，安全隱患突出。

在建設過程中，深化設計階段由設計單位確認預制構件吊點位置；在生產階段，埋設吊環、螺栓等預埋件；在施工階段，匹配吊索具進行預制構件吊裝作業。

在施工實踐中，為了保障預制構件穩定起吊，多個工程項目為裝配式混凝土預制構件設計了專用起吊工具。為平板類豎向預制構件吊裝配置了專用的起吊工具扁擔式橫吊梁[1]。

在此基礎上，將其進一步優化為吊點可調式橫吊梁，該起吊工具可以根據不同的起吊構件對吊點位置進行調整，使得塔吊吊鉤和預制構件重心豎向一致。

對于預制樓梯、預制疊合板等構件，工程實踐中針對4～6個吊點的需求，采用專用鋼扁擔吊裝架[2]。

對于異形構件，施工作業人員在操作過程中應用手拉葫蘆作為調整吊裝平衡的工具，裝置在花鍵孔齒輪上的起重鏈輪帶動起重鏈條，從而平穩地提升構件。

對于高預制率和非模塊化背景下的構件形式，常規的兩點吊或多點吊以及現有的吊裝工具已不能適應構件吊裝和作業環境需要。預制凸窗、豎向L形預制墻板等異形預制構件仍存在起吊過程中斜吊的現象，給施工安全、構件成品保護和構件安裝質量帶來影響。究其原因，一方面是構件板塊拆分的客觀因素致使吊點無法合理設置，另一方面是吊裝作業中存在工人操作不規范問題。

為解決預制構件起吊時的吊點合力與構件重心不重合的難題，研究制備適應預制構件起吊的高效自平衡吊裝裝置。該裝置在起吊過程中實時測量預制構件在三維空間內的位置數據信息，主動伸縮機械臂使構件起吊姿態平衡，完成自識別、自調整的“智能化”起吊。通過改進機具以提高施工現場預制構件起吊作業的規范性和安全性，實現吊裝裝置的智能化轉型升級。

1 高效自平衡智能吊裝裝置工作原理

高效自平衡智能吊裝裝置分為空間姿態感應系統、動力輸出及遙控系統、平衡調節機械臂裝置和配套設備四大部分。

起吊過程中采用機械臂裝置控制預制構件起吊姿態，通過空間姿態感應系統實時測量預制構件相對于三維點位坐標的偏離角度，并將測量數據反饋至動力輸出系統，動力輸出系統根據偏離角度驅動油缸調整機械臂長度，引導預制構件調整至平衡姿態，在預制構件起吊平衡之后，動力系統停止驅動油缸，達到智能化高精度自動調節的應用效果。

配套設備由高效自平衡智能吊裝裝置的擱置支座等輔助裝置組成（圖1）。

圖1 高效自平衡智能吊裝裝置的組成及工作原理示意

1.1 空間姿態感應系統

空間姿態感應系統的主要功能是由搭載在預制構件上的角度傳感器測量并反饋數據至動力控制箱完成。

角度傳感器靠在預制構件面上，實時測量預制構件與空間三維坐標中X軸、Y軸的相對偏角關系，并將數據信息反饋至動力控制箱，動力控制箱根據該數據信息輸出動力（圖2）。

圖2 空間姿態感應系統工作原理示意

平衡支腿組件一端裝載角度傳感器，保障其在吊裝過程中緊貼預制構件表面，并保持與安裝面平行，保證實時測量數據準確。平衡支腿組件另一端設有吊耳，該吊耳與機械臂Y通過起吊鋼絲繩連接，使空間坐標中Y軸偏角可調。通過預制構件內置預埋件及高強螺栓將平衡支腿組件安裝在預制構件上（圖3）。

圖3 平衡支腿組件示意

1.2 動力輸出及遙控系統

動力輸出及遙控系統是高效自平衡智能吊裝裝置的核心組件，包含油泵電機、蓄電池、遙控系統等，其接收空間姿態感應系統反饋的測量數據，并控制平衡調節機械臂組件。

動力輸出選用0.75 kW直流電機，24V DC、1 500 r/min、額定電流34 A的油泵電機。測量數據反饋系統利用蓄電池供電，采用2只12 V、200 Ah蓄電池串聯。

遙控系統在工作狀態下實時顯示預制構件相對三維坐標的偏離角度，遙控面板設置有機械臂歸零重置、手動/自動調節切換按鈕，便于工作前后對設備進行調試與調整。

1.3 平衡調節機械臂裝置

平衡調節機械臂裝置是高效自平衡智能吊裝裝置的關鍵組件，通過伸長臂長調節預制構件姿態平衡。通過3根機械臂X1、Y、X2完成姿態調節工作，機械臂X1、X2與預制構件吊點連接，調節X軸偏離角度；機械臂Y與平衡支腿組件連接，調節Y軸偏離角度（圖4）。

圖4 平衡調節機械臂組裝示意

平衡調節機械臂主體部分主要由油缸、傳感器、活塞桿組成。傳感器與動力控制箱相連，收到動力控制箱信號后，控制油缸推動或收縮活塞桿。

1.4 擱置支座

擱置支座是高效自平衡智能吊裝裝置的配套輔助裝置，用于在完成吊裝作業后存放吊裝裝置主體設備。存放時平衡調節機械臂保持零位懸垂。

該支座配備有扶梯，便于施工作業人員進行吊裝前的準備工作。

2 高效自平衡智能吊裝裝置工作流程

結合預制構件的吊裝作業工序，規劃并固定高效自平衡智能吊裝裝置的工作流程。

1）在堆場區域，將平衡支腿組裝在即將吊裝的預制構件上，平衡支腿內設的角度傳感器需緊貼預制構件，并與預制構件安裝面垂直和平行。

2）將高效自平衡智能吊裝裝置的Y臂與平衡支腿連接，機械臂X1、X2與預制構件吊點連接。在預制構件吊裝過程中，機械臂X1、X2、Y與平衡支腿固定連接在預制構件上，保障調整程序自動運行。

3）按下遙控設備的“復位準備”按鈕，3根機械臂收縮至零位，點亮控制系統箱上的黃色指示燈。

4）預制構件起吊，按下遙控設備的“自動調整”按鈕，黃色指示燈熄滅，動力輸出系統自動控制機械臂，調整預制構件姿態，X軸及Y軸調整至零偏角后，將綠色指示燈點亮。自動調整過程為：判斷X軸、Y軸偏角。偏角≥±3°時，啟動動力輸出系統，控制機械臂伸出動作，進行快速調整。偏角＜3°時，關閉動力輸出系統，以自重作為動力，進行慢速調整。判斷X軸、Y軸偏角到達零點附近時，機械臂位置鎖定。

5）預制構件安裝就位，臨時支撐系統支設后，松開機械臂與構件吊點的連接，拆下平衡支腿固定在吊具上。吊裝裝置轉運至樓層底層，進行下一輪操作。

6）吊裝作業結束之后，按下“復位準備”按鈕，機械臂X1、X2、Y全部收縮至零位，將吊具吊入專用存放架內，平衡支腿內角度傳感器電池和吊具動力蓄電池充電補充電力。

3 高效自平衡智能吊裝裝置實踐應用

高效自平衡智能吊裝裝置試制完成后，在實驗場地進行試驗應用，起吊約5 t的預制混凝土L形邊緣構件，并在20 s內使得異形預制構件在起吊過程中達到平衡。

在某裝配整體式混凝土剪力墻結構項目中，應用高效自平衡智能吊裝裝置起吊約4 t的異形構件，構件長邊邊長約5 m，短邊邊長約3 m。

在臨時堆場將預制構件和吊裝裝置連接，在吊裝過程中，該裝置能夠在30 s內通過自動調節裝置將斜吊的預制構件調整至平衡狀態，以平衡姿態下落至結構面進行預制構件安裝（圖5）。

圖5 異形預制構件起吊后自動調平示意

4 結語

高效自平衡智能吊裝裝置的應用，解決了裝配式建筑建造過程中，預制構件起吊時的吊點合力與構件重心重合的難題。

該裝置通過可自主調節、主動控制的智能設備，改變原有的吊裝工序，實現預制構件起吊時在空間內的姿態平衡，避免了吊裝安全風險和起吊不當造成的構件變形損傷，為裝配式建筑預制構件吊裝提供了新的施工方法。