可供個人獨立操作的新型石材幕墻面板裝拆工具研制與應用

高來先 鐘應杰 賴婕妤

廣東創成建設監理咨詢有限公司 廣東 廣州 510000

1 幕墻安裝施工概述

第四次全國經濟普查數據顯示，2013年到2018年期間，全國建筑業企業生產能力顯著提升，生產規模快速增長，承接工作量穩步提高，行業實力明顯提升，全國建筑業總產值邁上20萬億元大關[1]。伴隨著建筑業的快速發展，建造技術與大眾審美也不斷提升，同時具備完善建筑功能與外部裝飾美化兩大作用的幕墻，在當前諸多超高層建筑中被廣泛應用

1.1 幕墻材質的分類及特征

幕墻材質大致分為三類[2]：第一類是玻璃幕墻；第二類是金屬板幕墻；第三類是非金屬幕墻，這類幕墻大多采用石材、水泥、陶瓷等作為材質，其劣勢在于重量大，其優點在于在防雷、防火、防風、防雨、隔音、節能等方面都有著不錯的表現，尤其是在裝飾效果上表現突出，優于其他材質的幕墻材料，因此石材幕墻仍是現今市場的主流幕墻材質。石材幕墻由石板和支承結構（鋁橫梁立柱、鋼結構、玻璃肋等等）組成。其中干掛式石材幕墻安全可靠度較高，現階段幕墻多采用干掛式安裝。

1.2 石材幕墻安裝施工現狀

目前，建筑石材幕墻安裝施工還主要依靠工人徒手完成，而且大多數建筑幕墻的安裝都屬于高空作業，需要搭設腳手架或借助高空吊籃完成安裝，這不僅加大了施工難度與施工人員勞動強度，并且容易發生傷亡事故[3]。利用傳統的作業方式在安裝質量較大的石材幕墻面板時，需要多名工人合作搬運板材到龍骨上，再合力完成幕墻的定位安裝，效率較低。幕墻安裝高度的提高以及更為大型復雜的幕墻系統設計導致施工安裝難度加大，對施工人員的技術水平要求更高，對施工安全風險的把控也提出了挑戰。

近年來，隨著施工機械化的迅猛發展，基于建筑工程的施工需求，施工機具在建筑裝飾業中被廣泛使用，不僅提高裝飾施工的整體質量水平，對于提升我國工業化發展也頗有助益。施工機械化必將在促進復雜的建筑施工自動化過程中發揮重要作用。

1.3 傳統石材幕墻安裝施工難點

通過對施工現場幕墻作業人員的調研及對幕墻工程施工經驗的分析總結，在排除前期作業影響及保證面板安裝的精確度的前提下，傳統的人工徒手安裝施工工藝存在如下技術難點：一是石材自重大，單人或雙人難以操作，不便于安裝與拆除；二是石材間縫隙小，不滿足人工手動安裝與拆除時手部伸入操作，阻礙石材幕墻安裝、返修進度；三是安裝過程中穩定性、安全性不足；四是安裝的精確度、水平度垂直度平整度控制難度大。

2 石材幕墻面板裝拆工具的研制

為了解決傳統石材幕墻面板安裝作業所面臨問題進而實現石材面板裝拆的高效率安全操作，結合當前研制思路，破解得出的研發難點，滿足工具的技術要點需求，提出利用計算機建模軟件先進行工具模型的設想，后通過工具受力分析軟件進行靜應力、安全系數分析、選材，接著制作成品試用，出檢查結果（詳見圖1）。

圖1 研制流程圖

2.1 研制思路

傳統的玻璃幕墻安裝過程中使用的吸盤式手持安裝工具能夠有效提升幕墻安裝的便利性，節省人力，便于操作。由于大部分石材幕墻的面板材料為有紋理的、經過處理的粗糙表面，僅利用吸盤式安裝工具顯然是不可行的。通過借鑒日常生活中常見的卡扣式手機支架設計原理，兩者加以結合研制出一種石材幕墻面板裝拆工具，可以很好地對石材面板進行固定，提高施工人員安裝的穩定性、安全性。

2.2 研制技術要點

在符合規范要求的條件下，為滿足“保證石材面板安裝質量，提升石材幕墻面板裝拆效率”的需求，同時考慮設備實用性、市場推廣等因素，裝拆工具需滿足以下要點：第一是方便攜帶，操作簡易，以垂直運輸裝置結合使用為主，手持使用為輔，能夠滿足個人獨立操作；第二是工具所用材料剛性強，承受50kg重量的石材時安全系數達1.5以上；第三是滿足不同尺寸的石材面板；第四是能夠有效固定石材面板；第五是抓臂卡扣能有效伸入石材間縫隙進行石材面板拆裝作業。

2.3 研制方案分析對比

通過借鑒思路中玻璃幕墻吸盤式手持安裝工具和卡扣式手機支架的技術特點，利用有限元分析軟件進行工具模型設想，相對于分體式設計，整體式工具為一個單體，對于卡扣石材面板具有很好的穩固作用，而且可以安裝水平儀等附件，可行性更高。整體式工具主要由主體連接板、抓臂、把手組成。

由于石材幕墻面板自身質量較大，為了滿足現場大部分施工人員的安裝需求，通過對作業人員舉重量的調查分析，工具質量宜≤5kg。

石材幕墻面板裝拆工具抓臂分為橫臂和豎臂，而抓臂又可以使用旋轉式或固定式。由于此兩部分受力情況不一樣，豎臂幾乎受到來自石材的全部重量，而橫臂在安裝過程中受到石材的重量相對極小，經過對比分析，發現固定裝置部分采用“橫臂+旋轉式擋條、豎臂+固定式”擋條的方案更優（詳見表1）。

表1 石材幕墻面板裝拆工具固定裝置分析對比

工具的伸縮方式存在嵌入式與穿入式兩種。經過對比分析，發現抓臂伸縮方式部分采用“橫臂+嵌入式、豎臂+穿入式”的方案更優（詳見表2）。

表2 石材幕墻面板裝拆工具伸縮方式分析對比

通過用作工具設備的常用材料金屬、塑料、橡膠、石材、木材、陶瓷各種材料的對比分析，金屬大部分為塑性材料，耐久性好，不易老化，彈性模量較大，滿足石材幕墻面板裝拆工具的材質要求。利用有限元分析軟件對不同材質的工具模型（包括固定裝置和伸縮方式）進行受力分析計算。為了滿足承受50kg重量的石材時，最小安全系數達1.5以上的材質要求，最終選取4032鋁合金作為工具制作的原材料。

在確定了4032鋁合金作為選材后，根據選材與正常人托舉重量，對4032鋁合金整體式石材幕墻面板裝拆工具進行模型測算。通過分析最終得到工具可伸縮范圍：長0.25～1.00m，寬0.30～0.90m。

2.4 工具使用方法

依據3.3節方案比選后最終確定工具研制方案，制作出石材幕墻面板裝拆工具模型及樣機。該工具可結合垂直運輸裝置如電葫蘆進行使用，通過工具主體連接板上的固定環與垂直運輸裝置進行連接，利用工具可伸縮抓臂來對石材面板進行卡扣固定，然后借助垂直運輸機對石材面板進行提升安裝到幕墻龍骨上，最后通過工具把手及水平儀對石材面板進行調整、緊固。若在無垂直運輸機或者無法使用垂直運輸機的極端條件下，施工人員也可以通過工具把手進行手持操作，有效解決搬動石材面板時無處借力的情況。

3 應用及展望

整體式手持石材幕墻面板裝拆工具研制后即投入到公司所參與建設的幕墻工程中進行使用，使用發現操作性強、穩定性高、安裝精確度提高。通過現場反饋，工具適用范圍內的石材面板，基本可以實現個人獨立操作。同時，在整體式手持石材幕墻面板裝拆工具投入使用過程中，返工率較同項目其他施工方案降低了41%，且提高了整改效率，未出現質量安全事故，整體施工過程安全可控。

2021年，石材幕墻面板裝拆工具共制作樣機10臺，在公司參與建設的幕墻工程中進行試驗驗證，效果良好。石材幕墻面板裝拆工具的研制應用，有效滿足現階段工程高質量高效率的要求，且安全系數提高，加快了總體工程進展和提升客戶滿意度，具有廣闊的推廣前景。