成都新华之星项目位于成都市锦江区, 幕墙高度176m, 项目占地约26亩 (1亩=666.7m²) , 建筑面积22.6万m², 幕墙面积8.8万m², 分为A, B 2栋塔楼、C区裙楼, A, B塔楼幕墙高度176.6m/41层, C区裙楼幕墙高度22.4m/4层。工程以“书山”为主体, “竹简”点缀其中, 整体上形成“灯塔”的形象。体量变化呼应区域城市设计的要求, 外幕墙工程采用单元板块嵌入楼层内部, 采用下部支撑、上部固定的连接方式, 层间设置防火铝塑板幕墙形式, 增加了幕墙外观层次感, 使整个塔楼的造型比例更为优美。如图1所示。

1) 幕墙为嵌入式单元板块与铝板包檐相结合的设计, 由于单元板块安装于上下层楼板中间, 传统的环形轨道吊、移动式小起重机等垂直吊装工具无法满足安装需求, 安装时需要在室内设置辅助措施, 使单元板块可以在室内移动并安装。

2) 单元板块尺寸规格大、质量大, 板块自重395kg, 最大单元板块质量551kg, 采用全部人工常规安装方式, 板块安装操作面少, 立面垂直度难控制, 需要劳动力大。

3) 人工安装方式安全风险大, 由工人临边操作, 板块高度大, 容易发生倾覆, 现场安全很难得到保证。

4) 伴随着建筑高度的不断攀升, 其外围护幕墙结构的施工难度也越大, 传统的室外安装单元幕墙的施工安全性风险较大, 同时受主体结构施工措施影响, 使得超高层单元式幕墙安装风险大、效率低、制约条件多。

综合考虑项目特点, 项目部提出了2种安装方式: (1) 方案1单元板块垂直吊装优点:可以自下而上逐层施工;充分利用楼层空间进行材料堆放;单元板块可通过垂直索道运输。缺点:临边高空作业高, 受湿度、风力等气候条件影响大;受主体结构施工措施影响;工人劳动强度大;效率低。适用范围:外形变化不大的单元式幕墙。 (2) 方案2直接室内安装 (移动式机械手臂) 优点:室内半自动化直接安装;安全风险低;安装效率高;工人劳动强度低;单元板块可通过垂直索道运输。缺点:机械设备较贵, 每台20万;对工人操控机械设备能力要求高;水平调节范围窄。适用范围:幕墙造型变化大, 单元式幕墙内嵌式。

在综合权衡2种方案后, 项目选择了方案2, 该设备机械手臂外轮廓尺寸为3 045mm×1 699mm×1 320mm, 自重1 750kg;额定荷载600kg, 通过车架底部的前轮驱动, 后轮控制方向, 实现机械臂的灵活移动及行走。通过5组液压油缸实现机械臂的进出位伸缩、高低位伸缩、真空吸盘架的左右180°翻转、真空吸盘架的上下180°翻转及真空吸盘架的左右各50mm水平位移调节, 从而满足单元板块安装时三维调节的需求。如图2所示。

1) 使用安全性分析

通过在设备里面增加600kg的配重及施工过程中通过机械臂侧的侧向平衡杆打开, 起到稳定车身的作用。

考虑到项目可能出现故障、断电风险, 机械手臂前端电动吸盘采用双系统真空系统, 确保吸盘吸附能力满足设计要求, 机械手臂电动吸盘在断电情况吸附力可至少持续15min, 用于采取紧急措施。

吊装过程中, 垂直吊运钢丝绳可兼作防坠绳, 起到了二次保险的作用, 确保施工过程安全可控。

2) 设备负载可行性分析

机械手臂额定荷载600kg, 新华之星幕墙工程常规单元板块自重395kg, 最大单元板块质量551kg, 机械手臂荷载满足单元板块质量要求。

3) 安装简便性分析

机械臂最大伸长距离为1.2m (前轮外侧距吸盘的最大距离) , 机械臂通过液压系统可实现伸缩、俯仰、左右侧移50mm、吸盘架左右翻转、吸盘架上下翻转等动作, 可以满足现场的安装精度要求, 安装方式简单。

4) 设备楼层之间运输可行性

移动式机械手臂外轮廓尺寸为3 045mm×1 699mm×1 320mm, 自重1 750kg, 其中配重600kg可拆卸后单独运输, 施工现场常规外设施工电梯满足其运输要求。

通过车架底部的轮胎实现机械臂的灵活移动及行走, 方便机械臂楼层内转移。如图3所示。

1) 根据幕墙施工图进行精确测量放线, 将幕墙水平分格线、玻璃完成面线、单元板块起底料定位线及单元板块顶部连接件定位线放样标记到主体结构上, 确保幕墙安装过程中所需的各种定位线、控制线均能在室内找到对应关系:安装前需根据幕墙施工图进行精确测量放线, 并将幕墙分格线、完成面线、单元板块起步型材、转接件定位线、机械臂就位线用明显标记放样到主体结构上。

2) 根据机械臂的臂展尺寸和机械臂前端的电动吸盘架的调节能力测量出机械臂安装时的就位控制线, 并放样标记到主体结构上, 确保机械臂方便就位且能顺利安装对应板块。

3) 根据测量放线结果在单元板块上方的主体结构上安装转接件:转接件在主体结构上, 确保幕墙单元板块与主体结构可靠连接, 先安装转接件后安装单元板块, 单元板块通过转接件连接固定在主体结构上, 一般单元板块的转接件均在单元板块的上方。

4) 根据施工图安装每层单元板块起底型材。

5) 安装前需通过轨道吊装系统将单元板块运输至安装部位结构外侧或通过施工电梯将单元板块转运至室内对应安装部位。

6) 安装前需将机械臂移动至对应安装位置, 并根据测量放线时标示的机械臂就位线停放。

7) 通过前端的电动真空翻转吸盘架吸附单元板块上的玻璃面板来实现机械臂对单元板块的抓举, 从而完成单元板块的就位与安装。

8) 单元板块就位是指机械臂伸出室外、将单元板块对应挂接在与主体结构外侧连接的转接件位置处, 此时单元板块为初步固定, 后续须进行螺栓的紧固方为最终固定。

9) 对单元板块进行微调定位, 将单元板块与其顶部的转接件通过螺栓连接紧固, 去掉板块与机械臂之间的机械连接, 即完成单元板块安装。

1) 机械手臂使用前应对最大单元板块进行试举测试, 满足要求后方可进行使用。

2) 操作机械手臂人员应培训并考核合格, 持证上岗。

3) 安装过程中遇到机械故障及断电等情况, 应在吸盘失去吸附力之前采取防止单元板块坠落措施。

4) 机械手臂的运行路线事先定位在楼板上, 可提高现场安装效率。

5) 在施工过程中确保有1名及以上管理人员进行过程监控, 及时排查安全隐患并制止违章作业。

6) 在单元板块初步固定之前, 垂直吊运钢丝绳不得取下。

7) 遇大风等恶劣天气禁止施工。

8) 定期对施工机械手臂进行检查, 做好设备的日常保养维护。

9) 施工前对工人进行安全技术交底, 严格落实安全施工方案防护措施。在结构边缘设置生命绳, 生命绳固定在主体结构柱上;禁止高空抛物, 将使用的手持电动工具及安装作业时使用的小材料栓接牢固 (手持电动工具用绳子系于手上, 材料可拴固在生命绳上等) ;在作业区域下方拉设警戒线, 并悬挂安全警示标语, 严禁工人穿越施工区域。

1) 安全效益高通过机械臂实现板块室内自动化安装, 提高了超高层单元幕墙施工的安全性;整个施工过程简便容易操作, 安全性高。

2) 单元板块安装效率大大提高, 节省劳务费以成都新华之星项目为例, 机械臂安装效率是普通人工安装效率的1.2倍, 机械手臂安装技术对工人的劳动强度低。

3) 安装质量精度高机械手臂通过5组液压油缸实现机械臂的进出位伸缩、高低位伸缩、真空吸盘架的左右180°翻转、真空吸盘架的上下180°翻转及真空吸盘架的左右水平位移调节, 从而满足单元板块安装时三维调节的需求;机械手臂通过车架底部的前轮驱动、后轮控制方向, 实现机械臂的灵活移动及行走;根据机械臂的几何尺寸及其与单元板块的分格关系测量出机械臂安装时的就位线, 用明显标记放样到主体结构上, 提高安装时机械臂的就位效率;通过精确的测量放线确保了整个幕墙的安装精度。

4) 真空吸盘调节灵活性不高机械手臂真空吸盘左右只有50mm水平位移调节, 灵活性不高, 在实际操作过程中需要提前测算好设备的行走及停放位置, 增加了工人工作量, 对安装效率造成影响。

5) 社会效益显著在未来以科技、创新、智能化生产为理念的影响下, 机械手臂在室内安装单元板块是对传统单元板块安装方式的一种创新, 同时也使机械设备自动化技术逐渐渗透到建筑施工现场, 是对打造智慧工地的一种响应。

移动式机械手臂自动化安装方法, 利用机械臂进行幕墙安装, 实现单元板块的灵活安装;提高安装时机械臂的就位效率;通过精确的测量放线确保了整个幕墙的安装精度;提高了超高层单元幕墙施工的安全性;使用时, 机械臂侧的侧向平衡杆打开, 起到稳定车身的作用;成功克服了单元幕墙从室外安装施工难度大、危险性高、效率低、工人劳动强度大的技术问题。本文可以为以后此类超高层单元幕墙安装系统的施工提供一定的参考和借鉴作用。