建筑施工过程中, 塔式起重机是重要的垂直运输工具, 钢筋、模板、钢管等材料的运输, 钢构件的吊装都需要用到^[1]。施工中塔式起重机租赁 (购买) 和使用费用高达数百万甚至千万, 占据设备费用的比例极高。有研究表明, 塔式起重机的管理对工程进度、质量、安全及成本影响很大, 科学合理地配置及使用建筑机械设备, 能够加快施工进度, 给企业带来可观的经济效益^[2,3]。目前, 施工过程中塔式起重机的使用管理, 多凭借既往工程经验, 但近几年随着施工技术发展, 原有经验已不能满足要求, 特别是大型群体和超高层建筑的施工, 对起重运输设备管理提出了更高要求, 现场塔式起重机管理粗放混乱, 管理协调难度大, 导致设备使用效率低下, 在这种情况下, 只有利用科学的计算和管理手段, 对施工塔式起重机进行精细化管理, 准确把控设备工效, 才能给企业带来效益。

目前, 项目前期策划过程中, 塔式起重机的选型会考虑工期、构件分布、吊重、吊次、安拆等多方面因素的影响^[4], 一般情况是首先考虑施工最大起重量要求, 在基本确定塔式起重机型号的基础上, 根据施工方已确定的工期、每天排班数及施工现场所需吊运的钢筋、模板以及其他构件的总量, 计算工期内总吊次。参照《建筑施工手册 (缩印本) 》塔式起重机需用量计算公式, 确定塔式起重机数量。

${\rm N}=\frac{1}{{\rm T}m{\rm K}}{\displaystyle \sum \frac{Q{}_i}{{\rm P}{}_i}}(1)$

式中:N为塔式起重机需用台数;T为工期;m为每天工作吊次;K为时间利用系数, 取0.8～0.9;Q_i为各类构件的工程总量 (件或t) ;P_i为塔式起重机相应的每次吊运量 (件/吊次或t/吊次) 。

上述计算中, 塔式起重机的规划取决于其吊运能力, 包括每天吊次m及每次吊运量P_i, 这些参数又与物料种类、吊运高度及调度安排等多方因素有关, 目前多以经验为依据。此外, 施工过程中塔式起重机是主要的起重运输设备, 不仅要完成半成品以及周转材料的吊装, 还需要吊装大型钢构件, 钢构件的定位和校正也占用了塔式起重机大量工作时间。实际工程中, 通常由总包协调各分包单位对塔式起重机的使用, 经常发生在紧张时段各分包抢占塔式起重机、非紧张时段塔式起重机闲置的现象, 导致设备浪费。大量经验表明, 塔式起重机的日常调度管理直接影响其利用率, 为保证施工进度要求, 施工过程中, 需要合理分配塔式起重机各个作业时段, 如白天吊装钢构件, 晚上吊装钢筋、模板等土建材料, 才能提高塔式起重机利用率, 然而施工中塔式起重机的调度管理缺乏实际工程数据支撑, 缺乏精细化管理手段。

塔式起重机工作循环是指塔式起重机从一个载荷准备起升时开始, 到下一个载荷准备起升时为止的一段时间的工作。塔式起重机吊运的工作效率可以用载荷谱系数K_f及有效工作时间比T_f表示。载荷谱系数K_f由式 (2) 计算。

${\rm K}{}_{\text{f}}={\displaystyle \sum \left[\frac{{\rm N}{}_i}{{\rm N}{}_{\text{t}}}\left(\frac{F{}_i}{F{}_{\max }}\right){}^m\right]}；(2)$

式中:N_i为载荷F_i作用下的工作循环次数;N_t为总工作循环次数, N_t=∑N_i;F_i为第i个起升载荷;F_max为塔式起重机最大起升载荷;m为指数, 取m=3。因此, 载荷谱系数K_f和每次起吊载荷与额定起吊载荷之比及各起吊载荷作用下的工作循环次数与总工作循环数之比有关, 表明了塔式起重机承受载荷大小的能力。

塔式起重机有效工作时间比T_f由式 (3) 计算。

${\rm T}{}_{\text{f}}=\frac{{\displaystyle \sum t}{}_i}{{\rm T}}(3)$

式中:t_i为塔式起重机第i个工作循环的吊装时间;∑t_i为统计时间内塔式起重机的总吊装时间;T为统计时间内塔式起重机的工作时间。

塔式起重机黑匣子是近年广泛推广应用的监控设备, 黑匣子实现了对塔式起重机运行状态 (包括起重量、小车幅度、吊钩高度以及回转角度) 的实时监控、记录以及安全控制。黑匣子技术为塔式起重机吊运能力、吊运效率的判断提供了技术手段。

塔式起重机工作循环包括起吊、变幅、回转、卸载4个过程^[5]。起吊过程可以分3个阶段:①起升机构开始运动, 钢绳从松弛状态开始逐渐收紧, 直至受力;②钢绳开始受力至滑轮组钢绳张力稳定为吊物重力;③吊重离地起升。塔式起重机的起升系统可以简化为等效质量与等效刚度, 利用塔式起重机钢绳的受力状态可以得到塔式起重机工作循环的吊重信息。塔式起重机1个工作循环的钢绳张力-时间历程如图1所示, 对应于塔式起重机的吊装过程, ab段为吊装升起开始, 钢绳由松弛到开始受力;bc段张力逐渐增加, 直至等于吊物重力;cd段吊物已经起升, 做变幅或回转运动;de段为卸载过程。

由于受到动荷载, 钢绳张力总存在一定波动, 同时, 考虑施工过程中吊具的影响, 设计塔式起重机工作循环存储触发机制如下。

1) 起吊点判断 max{吊重>0.05t;吊重>10%额定吊重}视为1次工作循环开始。

2) 落吊点判断 max{吊重<0.05t;吊重<10%额定吊重}视为1次工作循环结束。

通过统计塔式起重机吊装物料的作业时间, 合理分配塔式起重机在各作业段的投入, 提高设备使用效率。考虑施工现场钢构件、钢筋等都有固定料场, 可以基于料场位置进行吊运物料的识别。结合料场位置, 利用塔式起重机黑匣子对塔式起重机工作循环吊装起点及落点进行监控, 如果吊装起点或落点在某个物料的料场, 则认为此次吊装为该物料。

采用多边形边界拟合对施工现场物料区进行定位, 借用塔式起重机黑匣子检测起重臂角度以及变幅小车的幅度, 对吊装物料进行识别。如图2所示, 塔式起重机工作范围内有2个料场, 料场1放置钢构件, 可用线段12拟合边界;料场2放置钢筋, 采用1个四边形3456拟合。借用塔式起重机黑匣子获取多边形的各角点, 实现对这些区域边界的采集、设置。

吊装物料判断流程如下。

1) 将塔式起重机小车运行到1点处, 测出当前转角θ₁以及小车变幅L_p1。

2) 将塔式起重机小车运行到2点处, 测出当前转角θ₂以及小车变幅L_p2;得到线段12两端点的区域, 完成料场1的设置。

3) 将塔式起重机小车依次运行到料场2的4个角点, 获取4个点的角度以及幅度, 完成料场2的设置。

4) 利用吊运区的多边形角点, 通过直线插补, 计算料场2边界点 (θ_i, R_i) 。

5) 吊运过程中, 根据当前起吊点或落吊点塔式起重机小车的角度θ以及幅度R, 可以判断当前位置是否处于相应的吊装区域。如果在某吊装区, 可以判定为此次吊装的物料。

施工现场利用塔式起重机黑匣子采集的塔式起重机吊装统计信息, 包括塔式起重机1个工作循环的起始时间、落钩时间、吊重、物料信息、起吊角度、卸载角度、起吊幅度、卸载幅度、起吊钩高度以及卸载高度等信息, 在此基础上, 可以统计塔式起重机每天的吊运次数, 有效工作时间以及吊装物料, 从而可以计算塔式起重机工作的载荷谱系数K_f及有效工作时间比T_f, 为塔式起重机的精细化管理提供数据依据。

通过塔式起重机黑匣子采集塔式起重机运行的大数据, 利用工作循环判断及吊装区的物料识别方法, 准确把控施工过程中塔式起重机吊运信息以及调度安排, 为施工现场塔式起重机精细化管理提供依据, 有利于提高塔式起重机的工作效率, 为施工企业带来直接的经济效益。