超高層混凝土核心筒結構施工智能頂升筒架模板技術研究

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

超高層混凝土核心筒結構的內筒施工常采用液壓爬模、電動提升平臺等自帶動力系統的模架裝備進行層間自動爬升作業。而在混凝土核心筒內部樓梯間、電梯間等狹小筒體施工中，考慮經濟性，也常采用落地式腳手架、懸挑式腳手架、塔吊提升筒架或電動提升筒架等傳統措施。

落地式腳手架、懸挑式腳手架需要大量依靠人工進行自下而上的搭設或翻轉，耗費大量的鋼管、扣件、走道板、木模板等零散腳手架材料，施工效率低。塔吊提升筒架是根據核心筒的筒體結構尺寸定型加工制作的鋼框架，自身無爬升動力系統，主要依靠塔吊向上提升，其提升速度較快，但由于現澆混凝土核心筒結構施工工況復雜，提升時可能會遇到各種堆積材料、預留鋼筋或型鋼外伸接口、水平支模鋼管或方木等物體的阻礙，此外這種采用鋼絲繩進行柔性提升的方式缺乏水平支撐，架體穩定性較差，提升過程中架體易與筒壁發生碰撞、鉤掛，從而引發事故，另外，提升過程中有時需要施工人員滯留架體進行障礙排查、就位固定等操作，安全風險較大。電動提升筒架采用電機驅動鋼絲繩滑輪組進行筒架爬升，一定程度上提高了筒架爬升自動化水平，但在提升過程中仍需要人工干涉，安全防線單一，智能化程度低，且鋼絲繩長時間使用存在磨損情況，當筒架爬升過程遇阻時，可能會造成鋼絲繩斷裂，存在一定的安全風險。液壓爬升平臺采用液壓油缸連接上、下爬升器，依附在固定于主體結構的導軌上，通過交替伸縮缸驅動上、下爬升器沿導軌交替上升，從而帶動整體平臺爬升，爬升機械結構較為復雜，一般需要2個及以上的爬升機位系統才能形成平穩上升的平臺，對狹小筒體的適應性較差，并且爬升模架上的大模板開合操作均由人工完成，需耗費較多人力成本。

智能頂升筒架模板系統可為超高層核心筒結構復雜內部筒體施工難題提供有效的解決方案[1-9]。系統采用可組合式伸縮套筒頂升動力系統，配備爬升遇阻動態預警系統與可自動開合模板裝置，能獨立進行模架系統頂升作業，可根據各類筒體施工需要進行多模塊組合頂升，實現高適應性立體作業、無人化自動爬升及自動開合模，實現簡化工序、提升效率、節約成本、智能操控、保障安全的目的。

1 智能頂升筒架模板系統組成

智能頂升筒架模板系統由鋼筋操作架、模板操作架、伸縮套筒頂升裝置、智能控制系統組成（圖1）。

圖1 智能頂升筒架模板系統示意

1.1 鋼筋操作架

鋼筋操作架是由型鋼桿件與底部連梁連接而成的鋼框架結構，可根據工程需要設置鋼框架結構的層數，為模架頂部堆載及施工人員綁扎核心筒墻體鋼筋提供作業空間。每個底部連梁的下方設置連接板，與操作架立柱相連接。

1.2 模板操作架

模板操作架包含立柱、模板開合裝置、定型模板，其主要作用是進行模板的自動開合，并為施工人員提供模板操作空間。模板開合裝置由箱梁、箱梁銷軸、限位板、模板油缸、模板推拉桿等組成，可兩端雙向開合，也可根據實際需要進行單向開合。定型模板可采用鋼大模板或鋁合金模板，為實現筒體內墻模板自動開合，可采用折疊式模板（見第5部分）。

1.3 伸縮套筒頂升裝置

伸縮套筒頂升裝置由頂升油缸、伸縮套架、水平頂升框架、上支撐框架、下支撐框架、傾斜控制裝置、傳感監測元件等組成（圖2）。

圖2 伸縮套筒頂升裝置示意

頂升油缸設置在伸縮套架的中心位置，上端與水平頂升框架相連接，下端與下支撐框架相連接，均采用球鉸支座連接，頂升油缸不與上支撐框架連接。

伸縮套架包括套桿、伸縮套架連桿、伸縮桿限位裝置、伸縮桿。伸縮桿上端嵌入套桿內部，可沿套桿內壁進行往復滑動，伸縮桿下端與下支撐框架固定連接。伸縮桿限位裝置用來切換伸縮套架的伸縮狀態，同時內部自帶開關傳感器，可發出開啟與閉合2種狀態信號。伸縮套架有2種狀態：在頂升油缸縮缸時，伸縮桿限位裝置為開啟狀態，伸縮套架可以自由伸縮，在頂升油缸伸缸時，伸縮桿限位裝置為閉合狀態，伸縮套架只能伸長，不能收縮，從而保證架體在頂升過程中的安全性與穩定性。

上、下支撐框架由支撐橫梁、支撐牛腿、滾輪、銷軸式壓力傳感器、配重塊、反力板、觸碰開關傳感器等組成。支撐橫梁的兩端固定設置銷軸式壓力傳感器，兩端均設置支撐牛腿，支撐牛腿通過銷軸式壓力傳感器與支撐橫梁連接，支撐牛腿以銷軸式壓力傳感器為軸心進行轉動，由支撐橫梁的反力板進行限位，支撐牛腿的前端伸入核心筒的墻體預留凹槽，后端設置配重塊，配重塊下方與反力板接觸，使得支撐牛腿在重力作用下可以自動翻轉恢復水平支撐狀態，支撐橫梁上還設置觸碰開關傳感器，位于配重塊后端，對支撐牛腿的水平支撐狀態進行判讀和信號傳遞，有接觸與分離2種狀態。

上、下支撐框架除了采用帶可翻轉式支撐牛腿的支撐橫梁外，還可采用頂推式支撐橫梁（圖3）。頂推式支撐橫梁兩端均內嵌設置牛腿油缸、滑動牛腿?；瑒优Ｍ仍谂Ｍ扔透椎尿寗酉?，可沿支撐橫梁的內壁進行水平滑動。

圖3 支撐橫梁示意

傾角傳感器安裝在水平頂升框架上表面的中心位置，實時測量水平頂升框架的橫、縱2個方向的水平傾角。傾斜控制裝置設置在水平頂升框架下表面的四角，根據傾角傳感器的數據，動態調整水平頂升框架的水平度（圖4）。應力應變傳感器布設于頂升橫梁，上、下支撐橫梁的上表面等位置，用來實時感知頂升油缸在縮缸和伸缸過程中各個梁端的受力情況。

圖4 水平頂升框架示意

1.4 智能控制系統

智能控制系統由工控機、信息采集系統、模板油缸控制器、水平油缸控制器、伸縮桿控制器、頂升油缸控制器、遠程監控平臺等組成。信息采集系統將傾角傳感器、應力應變傳感器、觸碰開關傳感器、銷軸式壓力傳感器、伸縮桿限位裝置傳感器、攝像機等各類傳感元件信號數據進行收集轉化，并傳輸至工控機；工控機對信息采集系統傳輸信號進行讀取、運算和判斷，并向各個控制器發送相應的動作指令，同時將數據信息傳輸至遠程監控平臺；控制器的作用是根據工控機的指令來操控模板油缸、水平油缸、頂升油缸的伸缸與縮缸，以及操控伸縮桿限位裝置開合；遠程監控平臺設置在地面指揮辦公室，通過有線或無線方式與工控機進行數據通信，實現模架運行狀態遠端實時監控和數據備份。

單個伸縮套筒頂升裝置可作為獨立動力模塊，根據現場需求組合使用，通過不同形式的鋼筋操作架將模板操作架、伸縮套筒頂升裝置連接起來，形成滿足各種體型的核心筒內筒施工的組合式頂升筒架模板系統。圖5為6個伸縮套筒頂升模塊組合形成1個整體頂升框架結構，圖6為多個小筒體組合及大空間單筒體的內部組合2種形式。

圖5 伸縮套筒頂升裝置組合結構

圖6 組合式頂升筒架模板系統示意

2 智能頂升筒架模板系統施工工藝流程

智能頂升筒架模板系統開合模與爬升全自動連續施工工藝流程如下（圖7）：

圖7 組合式頂升筒架模板系統示意

1）初始狀態：模板油缸處于伸缸狀態，定型模板與墻體貼合，頂升油缸處于伸缸狀態，上支撐框架、下支撐框架的支撐牛腿均伸入墻體預留凹槽，觸碰開關傳感器處于接觸狀態，支撐牛腿穩固支撐于墻體上，伸縮桿限位裝置處于打開狀態，伸縮套架可以自由伸縮。

2）通過模板油缸拉動定型模板向遠離墻面的方向水平移動，油缸行程傳感器實時讀取模板油缸的行程數據并傳輸至信息采集系統，待模板油缸縮缸行程到達預定值，模板油缸停止縮缸，發出反饋信號；收到模板油缸縮缸到位的反饋信號后，頂升油缸開始縮缸，從而提升下支撐框架。下支撐框架向上移動過程中，支撐牛腿在鋼筋混凝土墻體抵觸作用下發生轉動，其尾部的觸碰開關傳感器由接觸狀態變為分離狀態，并發送狀態信號。

3）待下支撐框架到達墻體預留凹槽位置，支撐牛腿在配重塊的作用下翻轉恢復水平狀態，其尾部的觸碰開關傳感器由分離狀態變為接觸狀態，并發送狀態信號；工控機在得到下支撐架的支撐牛腿由接觸到分離再到接觸的狀態切換后，做出下支撐框架支撐到位判斷，同時向頂升油缸發出停止縮缸指令，使下支撐框架牢固支撐在墻體預留凹槽中，進入頂升上支撐架狀態；上支撐框架頂升過程中，傾角傳感器實時采集架體水平度數據，工控機根據其各個方向的傾角數據信息，向對應的水平油缸發出指令，通過水平油缸的伸縮缸來推動墻體產生反力，將傾角傳感器各個方向的測量數值控制在特定的范圍內，從而控制整個架體系統的穩定性。

4）工控機在得到上支撐架的支撐牛腿由接觸到分離再到接觸的狀態切換后，做出上支撐框架支撐到位判斷，向頂升油缸控制器發出停止伸缸指令，使上支撐框架牢固支撐在墻體預留凹槽中，再次進入提升下支撐架狀態。

5）循環進行上、下支撐框架交替爬升步驟，直至整個系統完成預定高度的爬升指令流程，然后向模板油缸控制器發出伸缸指令，通過模板油缸推動定型模板向靠近墻面的方向水平移動，油缸行程傳感器實時讀取模板油缸的行程數據，待模板油缸縮缸行程到達預定值，模板油缸停止伸缸，至此自動連續爬升流程結束。

3 基于機器視覺的爬升障礙識別預警方法

由于施工現場各種交叉作業繁多、情況復雜，施工人員作業、物料堆放運輸以及場地變換存在動態時變效應，難免會發生模架裝備的邊緣構件以及關鍵支撐構件在爬升過程中遇阻的情形，如果不能及時預警，會導致構件產生變形、斷裂，情況嚴重時甚至引發整體模架坍塌、墜落，造成傷亡事故。采用機器視覺爬升障礙識別預警技術是應對這一難題的有效手段。

在模架邊緣重點監測部位安裝攝像機，捕捉各類障礙物，如伸出墻面的鋼管、方木、型鋼牛腿等視頻畫面樣本，通過基于卷積神經網絡的深度學習算法對典型障礙物進行圖像特征識別訓練，工控機根據訓練結果實時采集爬升畫面并進行分析，對問題區域發出預警，從而在模架爬升過程中代替人工視覺判斷模架關鍵區域爬升安全狀態。圖8給出了一種針對墻面突出鋼板的訓練與識別案例，結果表明，該方法可有效標記和識別爬升位置處的障礙物特征、數量，并及時預警。需要指出的是，針對不同的障礙物特征，還須通過積累海量樣本數據進行持續訓練更新，進一步提高識別精準度，加強對復雜環境的適應性。

圖8 爬升障礙識別預警

4 模架裝備爬升過程受阻的動態判別方法

模架爬升過程中，可通過傳感元件監測關鍵構件每一時刻的受力情況，并實時傳輸至工控機，當其測量數值大于預警值時，工控機做出遇到障礙物判斷并報警，同時向頂升油缸控制器發出停止指令，可避免障礙物對爬升模架造成損傷，保障爬升模架裝備的運行安全。方法如下：

1）針對模架架體爬升過程中可能遇阻的構件，如模架外邊緣構件、支撐裝置構件等，在其關鍵受力位置，比如懸挑梁的固定端部，或者連梁的跨中位置等，分別設置若干傳感器，其數量為m。

2）將m個傳感器通過信號采集系統與工控機相連接。各個傳感器在架體運行過程中實時讀數，信號采集系統以時間間隔t（t為可設置的常數）讀取各個傳感器的數據，并實時發送給工控機。

頂升油缸驅動模架架體向上運行一小段距離，使模架的支撐裝置解除支撐狀態，即與主體結構完全脫離，各個傳感器進行讀數，定義該時刻每個傳感器的值為ai0（i=1，2，3，…，m）。

頂升油缸驅動架體繼續向上運行，時間間隔t之后，信號采集系統接收此刻各個傳感器數據，并將其值發送至工控機，定義該時刻每個傳感器的值為ai1。分別計算各個傳感器的2次間隔讀數的差值與初始值的比值Δi＝（ai1－ai0）/ai0，比較Δi與預警值Yi的大小，當Δi均小于預警值Yi時，繼續驅動架體向上運行。時間間隔t之后，信號采集系統再次接收各個傳感器數據，并將其值發送至工控機，重新定義ai1的值。爬升過程中，當至少有一個傳感器讀數Δi大于預警值Yi時，工控機做出該傳感器位置遇到阻礙判斷，高亮顯示該位置，并發出聲光報警，同時向動力控制系統發出停止指令，立刻停止爬升。

障礙排除后，信號采集系統重新讀取各傳感器數值，重新定義ai0，動力設備驅動架體繼續向上運行；重復以上步驟，直至系統爬升運行完指定的目標距離。

為了提高系統判斷的準確性，可將r個傳感器設置于同一個構件上的相近位置處（圖9），以多個傳感器的狀態指標來判讀該構件是否遇阻，即在這r個傳感器中，當有s個傳感器（s為一個可設定的自然數，s＜r）的讀數Δi大于預警值Yi時，工控機做出該構件遇到阻礙判斷，從而避免因傳感器個體數據漂移、失靈等產生的誤判。當有傳感器的讀數Δi大于預警值Yi時，但傳感器數量小于s時，工控機只進行聲光報警，不向動力系統發送停機指令。

圖9 傳感器設置位置示意

5 用于核心筒內筒體自動開合模的可折疊模板

對于核心筒內筒體的墻體模板，由于有陰角的存在，墻體模板均向內收縮時，會發生碰撞、阻礙，尤其是角部模板，無法同時向筒體中心退模，即便采用先后分塊退模的措施，也難以達到較大的離墻間距，因此設計一種用于核心筒內筒體自動開合模的可折疊模板（圖10、圖11）。

圖10 可折疊式模板系統示意

圖11 可折疊模板連接節點示意

可折疊模板由平模、轉模、角模組成。平模與模板推拉桿相連接，模板推拉桿帶動平模相對墻面進行水平往復移動，在開合模過程中，平模與墻面始終平行，平模側邊與轉模側邊鉸接，退模時，轉模在平模帶動下旋轉離開墻面，合模時，轉模在墻面的抵觸作用下，發生回轉而貼合墻面。在筒體陰角位置處，可設置角模，角模兩邊分別與相鄰轉模的側邊鉸接，轉模帶動角模移動。

平模由平模端板、平模面板、平模加勁肋、平模側板、橡膠條、平模圍檁等組成。平模側板為多階折板，平模側板的一面與平模面板緊貼，內部留設凹槽，橡膠條嵌入此凹槽中，起密封作用。平模圍檁的兩端分別設置2個帶有弧形孔的鋼板，弧形孔的圓心位于平模面板與轉模面板靠近墻體一側的交會點，弧形孔中設置轉軸。平模圍檁端頭內嵌彈簧固定板，彈簧固定板連接彈簧和彈簧套筒，彈簧套筒可在平模圍檁內部水平滑移運動，彈簧套筒端部連接在轉軸上，彈簧套筒可在彈簧的彈性力作用下推拉轉軸，合模時，彈簧為壓緊狀態，通過合理設置弧形孔的長度，即可控制轉模的旋轉角度，平模圍檁的外側間隔設置連接板，用來連接模板推拉桿。多個平模之間可相互通過螺栓連接成整體。

轉模由轉模端板、轉模面板、轉模圍檁、轉模側板一（用于連接平模）、鉸鏈、轉模側板二（用于連接角模）等組成。轉模側板一垂直固定在轉模面板上，長邊緊貼轉模面板，轉模面板伸出轉模側板一，伸出部分可在合模時貼緊平模面板，并壓緊橡膠條。轉模側板二為L形截面的條形板，一面固定在轉模面板上，合模時，角模貼緊轉模面板邊緣，防止澆筑過程中發生漏漿；另一面間隔設置若干鉸鏈，與角模對應的鉸鏈連板鉸接。轉模圍檁通過轉軸與平模圍檁鉸接。

圖12給出了可折疊模板的合模與開模2種狀態，模板推拉桿進行收縮動作，帶動平模遠離墻面平移，在此過程中，轉軸在平模圍檁彈簧的頂推作用下，沿弧形孔滑移，使轉模向離開墻面方向轉動，角模則在兩側轉模的帶動下，向筒體中心收縮，遠離墻面直至達到預定位置。

圖12 可折疊模板開合狀態示意

6 結語

智能頂升筒架模板系統可解決超高層建筑混凝土筒體傳統模板腳手架施工措施存在的人員干預多、爬升效率低、材料消耗大等問題，提供安全、可靠、穩固的空間作業平臺。其中，提出的伸縮套筒頂升裝置，可獨立進行模架系統頂升作業，也可根據大空間筒體施工需要進行多模塊組合頂升，實現大載重作業；可折疊模板裝置在退模、合模過程中互不干涉，能夠實現墻體模板的自動開合模，有效降低人工操作勞動量；形成的模架爬升過程機器視覺預警技術與受阻的動態判別方法，避免傳統人工巡查方法所存在的識別率低、信息傳遞效率低、控制響應滯后等問題，實時監控模架關鍵部位部件狀態，保障爬升模架裝備的運行安全。

該系統的應用有助于進一步提升混凝土核心筒結構施工工效與模架裝備智能化水平，促進超高層建筑工程工業化數字化轉型發展。

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