爬模体系模块化设计方法研究及应用
0 引言
模块化理论的研究及应用一直备受各专业领域学者的重视, 并得以不断开拓。建筑机械行业的模块化产品 (尤其是塔机产品和吊车产品) 自20世纪70年代以来得到迅速发展, 同时显著提高了建筑施工效率和社会效益。当今, 随着不规则建筑结构日趋常态化及施工速度的不断刷新, 市场对爬模体系的设计、加工、安装、拆除等阶段工期的要求极高。此时, 将模块化理论拓展至爬模产品意义重大, 也是施工技术发展的必然趋势。
1 模块化理论在爬模产品中的研究应用现状
近年来, 已有少数学者将模块化思想引入到爬模产品中, 文献[1]针对原有的爬模爬架、爬升钢平台技术设计和施工中存在的不足, 进行技术升级和完善, 最终设计出模块化装配式新型爬模体系, 并详细描述了各构件组成、功能及特点;文献[2]对架体标准节、平台、护栏网等构件进行了模块化设计, 并通过ANSYS有限元软件分析了上述结构件的受力;文献[3]针对爬模体系拆装量大、工具化程度不高的缺点, 通过网络划分将构件标准化和模块化, 以此优化桁架钢平台、挂架系统、防护系统、模板系统等。
综上所述, 模块化理论在液压爬模产品中的研究应用现状偏重于结构件的模块化设计、计算及构件改进等方面。本文将根据模块化理论, 提出一种爬模体系模块化设计方法。
2 爬模体系模块化设计方法研究
本文提出的爬模体系模块化设计方法是对结构特点、客户要求、产品使用等需求进行分析, 基于功能结构启发式方法将爬模体系划分为多个独立功能单元, 并设计独立功能单元实体 (模块) 及接口, 最终形成爬模产品的一套模块化设计方法。
2.1 爬模体系模块化设计流程
爬模体系模块化设计遵循自上而下、动态循环的原则, 主要包括需求分析、模块划分、模块设计、接口设计、组合模块等步骤。具体流程如图1所示。
图1 爬模体系模块化设计流程Fig.1 Flow of modular design of the climbing formwork
2.2 需求分析
设计需求是模块化设计的切入点, 爬模体系模块化设计需求主要来自于客户意愿、建筑结构特点、人体工程学要求、工程机具配合、爬模体系功能实现等因素。客户意愿包括:爬模体系配置的范围、施工流水段、施工工艺、文明施工设施等;建筑结构特点包括:楼层高度变化、楼板厚度变化、墙体厚度变化、结构临洞布置情况、钢结构预埋板、钢柱、钢梁、牛腿、伸臂桁架等变化;人体工程学要求包括:操作平台设计、防护体系设计、施工通道设计等;工程机具配合包括:与塔式起重机的配合、与施工电梯的配合、与布料机的配合、与卸料平台的配合等;爬模体系功能实现包括:施工功能、爬升功能、安全功能、拓展功能等。
2.3 模块划分
爬模体系的构件规格及种类繁多, 为改善设计、加工、安装、拆除等工作周期及产品拥有更佳的适应性, 根据适当的功能耦合程度划分模块是爬模体系模块化设计的关键。而划分模块的关键在于:实现模块的功能及互换性;确保模块在功能及结构方面的独立性和完整性;模块之间的接口便于安装和拆除。依据功能结构启发式方法, 将爬模体系划分模块如图2所示。
图2 爬模体系功能结构Fig.2 Function structure of the climbing formwork
2.4 模块设计
基于功能结构启发式方法, 爬模体系可划分为5大模块:下架体模块、上架体模块、挂架模块、护网模块、接口模块。
下架体模块耦合了爬升功能和架体防护功能, 通过结构设计完成防倾功能和爬升操作功能的一体化, 爬升导轨功能、爬升架体功能及防坠功能三者耦合成爬升防坠装置集成于下架体模块中。挂架模块能够满足维护操作功能。下架体模块和挂架模块组合如图3所示。
图3 下架体模块和挂架模块组合示意Fig.3 Combination of lower frame module and pylon module
上架体模块能够实现钢筋施工功能和模板施工功能, 设计各施工操作平台的同时考虑物料堆放, 而模板的调节及开合可根据结构空间或客户意愿采用悬挂式 (与上架体一体式设计) 或滑车式 (与上架体分离式设计) 。上架体模块由滑车式模板操作装置和上架体组成, 如图4所示。
护网模块设计成立面护网和拐角护网进行完全封闭, 为施工人员提供防护功能, 护网模块如图5, 6所示。
图4 上架体模块示意Fig.4 Schematic of upper frame module
图5 立面护网示意Fig.5 Schematic of elevation protecting mesh
图6 拐角护网示意Fig.6 Schematic of corner protecting mesh
接口模块考虑到安装、拆除、通用等因素, 设计为螺栓连接、销轴连接、箱形连接等常用的机械连接方式, 拓展新系列产品时采用螺栓连接, 同系列产品衔接时采用箱形连接, 如图7所示。
2.5 组合模块
下架体模块是爬模体系的核心和载体, 采用螺栓连接紧固于墙体上, 挂架模块采用螺栓连接置于下架体模块下方, 上架体模块采用螺栓连接安装于下架体模块上方, 护网模块采用螺栓连接安装于上述3大模块的外立面及拐角部分, 架体组之间的衔接采用箱形连接, 组合模块如图8所示。
图7 箱形连接示意Fig.7 Schematic of box-type connection
图8 组合模块示意Fig.8 Schematic of composite module
3 工程应用
根据提出的爬模体系模块化设计方法, 设计了上海前滩企业天地二期工程爬模体系。综合分析需求后, 选用JFYM100型爬模产品, 在核心筒外侧墙体设计液压爬模体系。每个塔楼布置34个机位, 共8组架体, 爬模架体高16m, 宽2.3m, 共分为6个操作平台。机位最大间距为3.6m, 最小间距为1.9m, 最大水平悬挑距离为2m, 液压爬模架平面布置如图9所示。本工程爬模体系以上述5大模块为单元进行安装和拆除, 在同等条件下, 安装工期从15d缩短至8d, 而拆除工期从10d缩短至6d, 该方法显著提升了爬模体系的施工效率。
4 结语
如今, 爬模体系已广泛应用于各领域施工中, 其施工速度备受褒奖, 而设计、生产、安装、拆除工期仍存在争议。本文提出的模块化设计方法可以为完善爬模体系施工技术提供一种新的思想和方案。将来, 随着模块化理论在爬模体系中的深入研究, 爬模体系终将成为一种快速标准化工具。
图9 液压爬模架平面布置Fig.9 Plan layout of climbing formwork
参考文献
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