裝配式車輛段蓋板架設(shè)裝備方案及關(guān)鍵技術(shù)研究

原貞華

中鐵工程機械研究設(shè)計院有限公司 武漢 430066

0 引言

裝配化建筑因其效率高、綠色節(jié)能以及標準化設(shè)計施工、信息化管理等優(yōu)勢日益成為建筑工業(yè)的發(fā)展趨勢。國外發(fā)達國家建筑工業(yè)體系發(fā)展較為成熟，利用工業(yè)化生產(chǎn)方式建造了大量的預(yù)制型裝配式建筑產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑。我國裝配式建筑起步于20世紀50年代，較長一段時間都處于向前蘇聯(lián)學(xué)習(xí)工業(yè)化的階段，發(fā)展較為滯緩。近年來，隨著裝配式建筑的優(yōu)點得到越來越多人的重視，在國家發(fā)改委、住建部等部門的轉(zhuǎn)型和改革下，加快推動了建筑工業(yè)化，在部分城市積極出臺了推進裝配式建筑的指導(dǎo)性政策和建議。

目前，地鐵車輛段因其施工環(huán)境復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多變，在國內(nèi)外暫無相關(guān)的裝配化完工案例。地鐵車輛段主要結(jié)構(gòu)形式由立柱、蓋板構(gòu)件組成，其中蓋板構(gòu)件又分為縱梁、橫梁及節(jié)點等，如圖1所示。通過分析車輛段的特點，采用立柱現(xiàn)澆，蓋板結(jié)構(gòu)（縱梁及梁片），裝配化施工方式使得現(xiàn)場施工和廠內(nèi)施工能同步推進，極大地縮短了整個車輛段的建設(shè)周期，該施工方式的特點為：1）底板、蓋板上因不同的功能存在各種高低臺階以及鏤空孔洞等；2）縱梁、橫梁規(guī)格多樣，且在局部位置的梁片姿態(tài)各不相同；3）立柱間距不等；4）蓋板構(gòu)件載荷承載能力較小；5）現(xiàn)場施工工序較多，不僅存在裝配工序，還存在現(xiàn)澆、土方開挖以及后續(xù)的鋪軌、電裝等工序；6）現(xiàn)場施工中存在有塔式起重機（以下簡稱塔機）等其他建造設(shè)備。

1 項目技術(shù)難點

針對裝配化車輛段的相關(guān)特點，施工存在的技術(shù)難點包括：

1）裝配施工工法的確定 現(xiàn)場施工存在土方開挖、底板，疊合層現(xiàn)澆以及后期的鋪軌、電裝等多個工序。為了整體的建設(shè)周期得以最大限度地縮短，提高效率，需蓋板裝配施工和上述工序同時展開，施工過程中相互之間不能有較大沖突。故裝配施工工法的確定要綜合考慮上述特點。

2）施工設(shè)備行走靈活性需求 車輛段整體區(qū)域面積橫向600 m、縱向250 m，車輛段底板以及蓋板上存在各種臺階、鏤空等狀況，具體如圖2、圖3所示。因此，需要施工設(shè)備具有較強的靈活性，不僅可以橫向、縱向走行，且需具備過坎、過鏤空的能力。

3）施工載荷的控制 梁片的承載有限，以廣州某車輛段為例，單片梁片的最大承載不得超過50 t，如何使設(shè)備在架梁過程中的載荷不超過梁片的允許承載是關(guān)系到整個施工工法、施工設(shè)備可行性最重要的決定性因素。

4）吊具的適應(yīng)性 每列梁片的長度不一致，長度范圍2.5 ～18 m，共有200多種各種規(guī)格的梁片，且梁片的擺放也不相同，故需要吊具具有很好的適應(yīng)性。

5）施工設(shè)備的配合協(xié)調(diào)性 現(xiàn)場存在塔機等施工設(shè)備，如何盡可能減少與塔機等施工設(shè)備的相互影響是關(guān)系到整個施工效率的關(guān)鍵性因素。

2 總體方案和作業(yè)原理

2.1 裝配化施工工法

不同于以往鐵路橋梁的線性施工，車輛段整個裝配化施工呈現(xiàn)的是面施工的特點，且裝配化施工過程中不會存在場地的完全提供，而是需要與土方開挖、現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)等工序交叉作業(yè)。此外，蓋板結(jié)構(gòu)架設(shè)完成后，縱梁與縱梁之間存在節(jié)點需要澆筑，蓋板上方會有一層約20 cm的疊合層需要澆筑，通過節(jié)點和疊合層的澆筑，使蓋板構(gòu)件連成整體才具有承載能力，進而才有繼續(xù)施工的條件。車輛段底板及上層結(jié)構(gòu)上都存在有臺階、鏤空等環(huán)境，立柱澆筑完成后，立柱上方會有一定高度的預(yù)埋筋。

基于場地情況以及結(jié)構(gòu)的特點，傳統(tǒng)的施工設(shè)備站位在同一層面施工會存在2個問題：1）設(shè)備支腿站位所處的列，梁片無法架設(shè)，導(dǎo)致梁片裝配不能連續(xù)，影響現(xiàn)澆工作；2）施工設(shè)備不具備過坎、過鏤空等能力。

因此，最終確定采用的邊裝配邊澆筑的施工工法，具體步驟為：單端支腿站位在上方已澆筑梁片上，單端支腿站位在下方，整個設(shè)備跨3列梁片，結(jié)合土方開挖情況，先橫向裝配跨內(nèi)梁片，架設(shè)的過程中，后方已架梁片的澆筑工作隨之展開；待跨內(nèi)梁片架設(shè)完成后，返回最初的架設(shè)位置，此時該處的節(jié)點及疊合層已澆筑完成，并達到了等強要求，設(shè)備在此處縱移至下列，上方支腿站位在上一次架設(shè)并澆筑等強后的梁片上。依次按照上述方式往前推進。直至所有梁片全部架設(shè)完成。梁片的運輸采用運梁車帶梁直接開上首層結(jié)構(gòu)至設(shè)備下方。

2.2 該施工工法的特點及優(yōu)勢

1）整個施工是穩(wěn)步推進的方式，各個施工工序在空間上是相互錯開的，裝配施工能較好地銜接土方開挖、現(xiàn)澆等其他工序的作業(yè)。前方的土方開挖不會影響后方的架梁，且現(xiàn)澆工作是在已架梁片區(qū)域施工，架梁工作不會影響后方的現(xiàn)澆施工。

2）該施工工法不存在傳統(tǒng)門式起重機或其他設(shè)備支腿站位處的梁片無法架設(shè)，導(dǎo)致后續(xù)有大量的梁片需補位的問題。

3）該施工工法對于設(shè)備縱向走行更靈活。站位在下層的支腿縱移時需通過已澆筑的立柱，而立柱的排布不均勻。該施工工法下，設(shè)備能在整列下尋得一處適合通過的區(qū)域。

2.3 施工設(shè)備

2.3.1 整機參數(shù)的確定

結(jié)合架設(shè)梁片的效率、現(xiàn)澆工作面的展開以及現(xiàn)澆的效率，與設(shè)計院、施工單位進行溝通。整個設(shè)備橫跨3列梁片，支腿踩位及運梁通道占據(jù)1列已澆筑梁片，架設(shè)2列梁片，下層支腿站位1列，根據(jù)車輛段結(jié)構(gòu)，整個跨度達到69 m。主梁采用桁架結(jié)構(gòu)，能減少整機質(zhì)量，減小設(shè)備的迎風(fēng)面積，增加整機的穩(wěn)定性。根據(jù)設(shè)計院和施工方提供的數(shù)據(jù)，層高在12 m，梁高2.5 m，塔機最低位高16 m，考慮設(shè)備本身的吊具高度1.35 m及站位高度，整個設(shè)備的起升高度設(shè)計為20 m。根據(jù)設(shè)計院提供的最大梁重117 t，選定額定起重量為120 t。

2.3.2 臺階及鏤空的處理

整機橫向走行及縱向走行過程中，上層支腿和下層支腿都會存在碰到臺階或鏤空的工況。針對這種情況，考慮采用單端設(shè)置4條支腿，共8條支腿的結(jié)構(gòu)形式，支腿的基距錯位設(shè)置，且每條支腿采用伸縮柱形式，設(shè)置有升降液壓缸，當(dāng)設(shè)備走行到臺階位置時，通過依次提升支腿并越過臺階，使支腿站位在臺階上或支撐到鏤空下一層。

2.3.3 過塔機、架設(shè)第2層

采用平頭塔機，整機走行過程中遇到塔機時，將其降低至最低位，并將其大臂方向垂直于設(shè)備主梁方向，同時頂升設(shè)備主梁至最高點，使設(shè)備從塔機上方通過。通過后將塔機升高，設(shè)備開始另外一側(cè)的架設(shè)。整個過程有效地避免了塔機、設(shè)備的拆裝，節(jié)省了施工時間。

針對雙層車輛段，在設(shè)備架設(shè)完一層后，采用兩端支腿頂升的方式將設(shè)備升高開始第2層的施工。因此，考慮將8條支腿做成通長的伸縮柱，便于設(shè)備的支腿在不同層之間的踩位。

結(jié)合前述需求，支腿的伸縮行程達到12 m。其具有2個功能特點：1）當(dāng)過臺階、過鏤空時，主要是支腿單獨提升，此時主梁不動、支腿動作。2）當(dāng)需要支腿主動頂升主梁，抬高主梁高度時，此時為支腿不動、主梁提升。此外，整機還需橫向和縱向移動，通過對工況分析，舍棄卷揚鋼絲繩提拉、齒輪齒條嚙合等形式，采用液壓缸伸縮的方式。由于伸縮行程較大，故整個主梁升降采用轉(zhuǎn)換套步履爬升方式。

2.3.4 載荷的控制

梁片的承載有一定的范圍，為了使載荷滿足要求，利用單端的4條支腿下方輪組的均衡液壓缸進行頂升調(diào)節(jié)，能夠較好地分配各條支腿的載荷，從而達到要求。

同時為了使支腿盡可能地站位在多片梁片上，將支腿下方的輪組以及車架設(shè)置轉(zhuǎn)向功能，當(dāng)下方站位的梁片方向不同時，可以通過輪組或車架的轉(zhuǎn)向?qū)崟r調(diào)整站位姿態(tài)。

2.3.5 不同列寬的考慮

前支腿和中支腿采用托掛輪形式與主梁連接，通過升降液壓缸提升前支腿或后支腿，利用掛輪走行使前支腿或中支腿在主梁的相對位置發(fā)生變化。當(dāng)遇到列寬不同時，通過調(diào)整前、中支腿的位置，避免與立柱發(fā)生干涉。

2.3.6 梁片的架設(shè)

針對梁片的不規(guī)則排列以及規(guī)格不一的情況，將吊具設(shè)計為單點帶回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，同時，吊具上設(shè)置有橫向和縱向調(diào)平液壓缸，吊具下方設(shè)置滑道，2吊點通過在滑道上進行無級調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同梁長的吊裝。同時起重小車具有橫移功能，能實現(xiàn)架設(shè)時對梁片進行微調(diào)，且能在整機不動的情況下實現(xiàn)多片梁片的架設(shè)，提高整機效率。

根據(jù)上述分析，確定了施工設(shè)備的整體框架，主要組成有主梁、起重小車、前輔助支腿、前支腿、中支腿、后支腿、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、走臺欄桿等，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，性能參數(shù)如表1所示。

表1 主要性能參數(shù)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 整機走行同步性控制

整機跨度最大達到69 m，且起升高度達到20 m，8條支腿均為細長桿件，整機在橫向和縱向走行過程中，為防止結(jié)構(gòu)受扭，對同步性的要求非常嚴格。但設(shè)備在基坑內(nèi)的位置以及周邊環(huán)境是變化的，無法在基坑內(nèi)找到固定的參照物作為基準來校驗同步性。為了精準地掌握兩側(cè)支腿走行的同步性。在以往編碼器加變頻控制的方式上，引入了北斗定位糾偏系統(tǒng)。

在設(shè)備橫向運行前，通過北斗導(dǎo)航獲取設(shè)備首尾兩端的坐標值，并根據(jù)這2個坐標值計算出機身的初始斜率。在橫向運行過程中，實時獲取兩端的坐標值，得到機身的實時斜率。將實時斜率與初始斜率進行比較，根據(jù)斜率的變化通過變頻控制走行電動機的速度，直到斜率基本一致。利用北斗導(dǎo)航能將坐標值的精度控制在10 mm以內(nèi)，極大地滿足了設(shè)備同步性的要求。

同時，為了保證支腿長細桿結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，在設(shè)備上安裝有支腿垂直度檢測裝置，當(dāng)支腿垂直度值超過設(shè)計允許值時，能使得設(shè)備立即停止并調(diào)整支腿的姿態(tài)。

3.2 支腿載荷控制

支腿載荷的控制有2種方式：一種為被動溢流方式，通過設(shè)定8條支腿的均衡液壓缸的溢流值，當(dāng)某條支腿的載荷超過設(shè)定的溢流閾值時，液壓缸溢流收縮，從而使此處的支撐點下沉，增加其他支腿承載。該方式存在的問題是：1）4條支腿載荷的分擔(dān)不確定，每條支腿的載荷不夠明確，整個結(jié)構(gòu)是動態(tài)的平衡的過程。2）每次裝配梁片時，8條支腿的液壓缸均會慢慢往下落，直至均衡液壓缸收縮到底。當(dāng)均衡液壓缸收縮到底時，則是液壓缸結(jié)構(gòu)受力，使得檢測的載荷存在錯誤的狀況。故每次都需要對均衡液壓缸進行歸零操作。

另一種為主動頂升的控制模式，如圖5所示，通過對最外端2套支腿設(shè)定1個初始承載，并通過輪組均衡液壓缸的伸縮以達到該載荷要求。在架梁過程中，當(dāng)該支腿的載荷發(fā)生變化時，通過系統(tǒng)控制均衡液壓缸進行實時調(diào)整。整個控制系統(tǒng)采用閉環(huán)的控制模式，使得該支腿的載荷控制精度更高，從而滿足使用工況的需求。相比被動溢流，主動頂升控制模式下，支腿結(jié)構(gòu)受力更為明確，整機狀態(tài)也相對更清晰。

通過對比分析，設(shè)備采用主動頂升模式。同時，在每個輪組的均衡液壓缸上設(shè)置有行程檢測傳感器。該傳感器的設(shè)置能較好地判斷均衡液壓缸的行程，且能更好、更精準地得到支腿載荷，使誤差更小。

3.3 整機的輕量化設(shè)計

由于梁片的承載能力小，而設(shè)備外形尺寸達到80 m×20 m×24 m（長×高×寬），使得設(shè)備的輕量化設(shè)計尤為關(guān)鍵。同時，整機穩(wěn)定性也需保證，特別是對于支腿這類長細桿壓彎構(gòu)件來說尤為重要。

為了解決該問題，整機設(shè)計上采用了薄壁高強度鋼，通過薄壁大截面維持整體穩(wěn)定性，并利用加筋等方式來處理局部穩(wěn)定性的問題。主梁采用高強度鋼桁架結(jié)構(gòu)，為有效減輕起重小車自重，將起升卷揚布置在兩端。

3.4 智能信息化設(shè)計

針對設(shè)備長細桿件多、周邊施工環(huán)境復(fù)雜等特點，設(shè)備的相關(guān)監(jiān)測裝置顯得尤為關(guān)鍵。整機除配備有常規(guī)的電動機編碼器、起升高度限位等外，還配有TIKS智能輪胎管理系統(tǒng)、支腿載荷智能分配系統(tǒng)、支腿垂直度檢測、主梁水平度檢測等檢測傳感器，如圖6所示。此外配置了多個微型攝像頭用于自動插銷的狀態(tài)監(jiān)控，高像素槍機攝像頭布置于每條支腿及小車上，用于施工作業(yè)區(qū)域的監(jiān)視。

通過傳感器及監(jiān)控裝置實現(xiàn)整機智能糾偏、小車智能糾偏、前/中支腿掛輪智能糾偏、起升自動同步、超載起升自動報警、超高起升自動停機、防施工載荷超限、防整機傾覆、支腿插銷防護、小車防撞保護等功能。同時根據(jù)設(shè)備運作時的各關(guān)鍵部位、各重要階段，設(shè)置了檢測信號優(yōu)先級，信號分為預(yù)警和報警狀態(tài)2種，一旦出現(xiàn)異常，無需人工干預(yù)，設(shè)備立即保護，主動停機，大大提升了安全性，同時減少了施工監(jiān)護人員。

為了實現(xiàn)車輛段施工的信息化管理，根據(jù)車輛段施工特點設(shè)置了遠程集中控制平臺。在現(xiàn)場附近設(shè)置集控中心，利用有線或無線通訊網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場設(shè)備和集控中心連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻、語音信息的互聯(lián)互通。采用和現(xiàn)場司機室內(nèi)一致的操作臺，包括操作手柄、按鈕、設(shè)備狀態(tài)顯示器、視頻顯示器等，實現(xiàn)全過程的數(shù)據(jù)、視頻的可視化，對現(xiàn)場設(shè)備進行遠程集中監(jiān)控和施工信息的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。可實現(xiàn)：1）對設(shè)備的自身運行狀態(tài)實時監(jiān)測，排除各類風(fēng)險點；2）對各類設(shè)備地理位置、工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控；3）建立設(shè)備從入場到出場的全生命周期的電子檔案；4）結(jié)合工程計劃，根據(jù)設(shè)備的工作狀態(tài)，合理調(diào)配工作任務(wù)，協(xié)同高效作業(yè)。

4 結(jié)語

裝配式建筑作為國家今后發(fā)展方向，目前由于缺少相關(guān)的經(jīng)驗、案例，使得裝配化車輛段的設(shè)計、施工、管理等等暫無相關(guān)的執(zhí)行標準。本文提出了一套完整的裝配化車輛段的施工設(shè)備及施工工法，成功應(yīng)用于廣州某地鐵車輛段的裝配化施工。填補了該領(lǐng)域的一項空白，對于后續(xù)車輛段的裝配化設(shè)計標準的定制具有重要的意義，同時也為后續(xù)的裝配化車輛段的施工提供了可靠的施工經(jīng)驗和方法。