智能建造工程装备与机器人 课件 第五章-其他专用工程装备

第五章—其他专用工程装备管东芝靳慧智能建造工程装备与机器人目录一、智能施工装备集成平台二、电液控制特种装备目录一、智能施工装备集成平台二、电液控制特种装备1.1智能施工装备集成平台的概念智能施工装备集成平台是建筑行业数字化转型的重要产物，它融合了物联网、大数据、云计算、人工智能等前沿技术，旨在实现施工现场的智能化管理与运营“造楼机”是一种高度集成化的高层建筑智能化施工装备集成平台，其模拟一座移动式造楼工厂，将工厂搬到施工现场，采用机械操作、智能控制等手段与现有施工技术相配合，进行全天候自动化或机械化作业实现高层建筑结构的快速建造，不受天气变化的影响，极大地提高了生产效率和施工质量，有着广泛的应用前景1.2智能施工装备集成平台的组成一般而言，智能施工装备集成平台通常包括：支承系统、框架系统、动力系统、挂架系统、监测系统和集成装备及集成设施，集成装备及集成设施包括吊机、布料机等等实现特定施工工序的设备及操作机房、水箱、配电柜等附属设施轻量化智能施工装备集成平台示意图1.2智能施工装备集成平台的组成——支承系统微凸支点指利用承力件、固定件作为模板，在浇筑混凝土时自动形成位于混凝土表面的带状微凸结构，荷载主要通过微凸结构传递给剪力墙。微凸支点一般为20mm-30mm厚，浇筑时由承力件和固定件作为模板，其中，承力件由爪靴、面板和纵横肋板组成。预埋螺杆式附墙支座设置时，需要安装混凝土预埋件，包括预埋螺杆、定位板、锁紧螺母等，可以进行附墙支座的固定，支座上往往设置钩抓，用以与支承架进行连接支承架是实现支承系统能够沿剪力墙像上爬升的关键部件，往往包括上支架和下支架，上、下支架通过液压千斤顶连接。根据结构形式不同，可形成分体式或套架式附墙支座（a)微凸支点式（b)预埋螺栓式（a)分体式（b)套架式支承架1.2智能施工装备集成平台的组成——框架系统框架系统为各类设备设施的载体，在整个集成平台体系种起到中枢和纽带的作用，是一种用以承载模板、挂架及集成装备的空间框架结构，具体构成包括钢平台、支承立柱等集成平台的框架系统一般由支承立柱和桁架梁构成为空间框架结构，桁架梁与支承立柱共同作用抵抗模架承受的水平荷载及竖向荷载。桁架梁与支承立柱柱均匀布置在剪力墙上，相互之间采用刚性连接，形成一个强度、刚度大，跨越整个覆盖结构的巨型“钢罩”。桁架梁系统亦可采用标准化通用型工业构件，如高抗剪型贝雷片，具有可替代性好、周转使用率高的优点框架系统1.2智能施工装备集成平台的组成——动力系统动力系统是为集成平台沿主体结构整体顶升或提升提供动力的装置，并且能够对顶升过程中的误差、异常进行监测和调控，具体组成包括顶升油缸、传动与控制组件、液压泵站等动力系统顶升油缸1.2智能施工装备集成平台的组成——挂架系统挂架系统附着在框架系统上，平行布置于施工墙体的两侧，是主体结构施工的操作架和防护架，为施工作业人员提供操作面、交通通道和安全防护，具体构成包括滑梁、滑轮、吊杆、立面防护网、翻板、楼梯、走道板、兜底防护等1.2智能施工装备集成平台的组成——监控系统监控系统是通过多种传感器对集成平台的运行状态进行监测的装置，一般由传感器、数据解调设备、数据处理终端三部分组成，传感器采集测点信息，该信息通过导线传输至数据解调设备，数据解调设备将信息转变为工程量数据，最终由数据处理终端的服务器、工控机及软件平台进行数据储存、分析及展示（a)视频监控（a)水平度监控（c)机器视觉1.2智能施工装备集成平台的组成——集成装备及集成设施装配于集成平台上的施工设备主要包括塔机、施工电梯、混凝土布料机、操作机房、水箱、配电柜、材料堆场、施工机具堆场和库房、可开合雨棚、自动喷淋等施工生产设备设施，以及卫生间、休息室等生活设施（a)吊机（a)布料机（c)开合雨棚1.3智能施工装备集成平台的结构设计智能施工装备集成平台结构和主体结构有着作业、顶升、提升、停工四种工况，而在进行集成平台及主体结构的设计时，应按这四种工况进行结构强度、刚度及稳定性计算。智能施工装备集成平台结构设计包括了整体设计和部件设计，具体包含：平面布置和立面布置；结构方案设计，包括结构选型；构件布置、材料选用及截面选择；作用及作用效应分析；结构的极限状态验算；支承系统设计、框架系统设计、动力系统设计、挂架系统设计、监测系统设计和集成装备设计；构件连接构造设计和制作、运输、安装、防腐、防火和防雷等要求（1）整体设计1.3智能施工装备集成平台的结构设计项次荷载类型符号荷载取值类型1支承系统、框架系统自重Gk1按实际情况取值永久荷载2模板自重Gk2按实际情况取值3挂架系统自重Gk3按实际情况取值4材料堆积荷载Lk按实际情况取值5钢平台施工荷载Ck作业和提升阶段：1.5kN/m^2；顶升和停工阶段：0.75kN/m^2可变荷载6挂架施工荷载Fk作业和提升阶段：1kN/m^2；顶升和停工阶段：：0.5kN/m^2；应仅考虑三层挂架施工荷载7风荷载Wk8不同步项升的附加荷载Uk任意两个支承点见最大高差为30mm（2）整体设计智能施工装备集成平台的主体结构验算包括建筑施工期整体结构安全性分析和支承点附近局部结构安全性验算，除此之外，抗震能力、消防水平、防雷设计均需要符合国家相关标准的规定。整体设计需要考虑支承点位置设计、平面布置、立面布置、结构设计、消防设计、防雷设计。其中，集成平台支承点位置设计根据所有楼层结构平面布置图综合确定，需要根据结构形状、尺寸及变化方式合理布置支承点。在支承点布置基础上，进一步确定支承立柱和钢平台主架布置形式。确定钢平台次架或次梁的布置形式时，需要根据考虑竖向墙体的两侧布置的挂架和模板1.3智能施工装备集成平台的结构设计一般而言，可采用有限元模型进行分析计算，有限元模型应包括钢框架、支承架及顶升油缸等；挂架、模板、集成装备、集成设施等可以通过荷载的形式作用于钢框架上，附墙支座以边界条件的形式作用于有限元模型中。有限元模型的荷载类型、大小位置、边界条件需与实际情况相符，各件间的连接形式应与实际节点相符智能施工装备集成平台有限元模型1.3智能施工装备集成平台的结构设计（3）部件设计——框架系统框架系统中的钢平台宜采用空间架结构，而支承立柱一般采用格构柱。同时，钢平台临边应设置不应低于2000mm封闭式防护围挡，并在钢平台洞口周边设置不低于1200mm的防护栏杆和不应低于300mm的踢脚板，为提高钢平台部件的通用型和周转次数，可采用高抗剪型贝雷片组成主桁架与次桁架，通过十字连接件、一字连接件及柱头等连接构件连接成一个整体平台1.3智能施工装备集成平台的结构设计高周转钢平台系统（3）部件设计——挂架系统挂架系统具备一定滑动能力，能沿垂直于主体结构墙体的方向运动，同时在墙体立面布置出现发生内收、外扩或倾斜等变化时，挂架与墙体之间需要有足够的距离1.3智能施工装备集成平台的结构设计挂架系统局部（3）部件设计——监测系统监测系统的设计应符合现行行业标准《建筑工程施工过程结构分析与监测技术规范》JGJ/T302及现行协会标准《结构健康监测系统设计标准》CECS333的有关规定；监测系统应覆盖表5.5中的监测内容，收集足够的信息和数据，形成信息化平台，便于平台进行维护和管理1.3智能施工装备集成平台的结构设计1.3智能施工装备集成平台的结构设计1.4智能施工装备集成平台的施工工序智能施工装备集成平台施工工序主要包括施工准备、安装、验收、运行、维护、拆除等部分工人在集成平台内部进行作业1.4智能施工装备集成平台的施工工序（1）施工准备1）加工制作在进行集成平台的施工之前，需要完成各个系统在工厂进行加工和制作，该工序完成后，需要对系统部件进行预拼装、调试和质量检验的工作，以下为有关的注意事项：支承系统各构件焊接量均较大，可以通过消除焊接残余应力，以改善构件的力学性能，减少变形量；微凸支点式富强支座承力件上的凹槽与混凝土微凸配合传力，承受较大的剪力，因此应由整体厚钢板加工而成2）安装准备完成构件和材料的加工制作并运至施工现场后，需要做好保养工作，通常按系统对材料和构件进行分类分别堆放，并通过设置支承或枕木防止受损。在堆放挂架系统的框架构件、走道板时，为了后续安装方便起见，应先安装的堆放于上面，并交错堆放防止构件平面外弯曲变形。安装前，在地面便应做好钢爬梯、操作平台等的安装工作，并应该确认有防坠装置且焊缝质量没有问题。为了方便集成平台的吊装，需要清理现场杂物，并拆除建筑物脚手架管1.4智能施工装备集成平台的施工工序（2）安装与验收1）支承系统支承系统安装方式，根据现场塔吊的起重能力来灵活选择。可以先将油缸、撑靴、导轨第一节、导轨第二节、导轨接长段、托梁在堆场内拼装完毕，利用塔吊整体吊装；可以进行支承系统分段吊装，先将油缸、撑靴、导轨第一节在堆场内拼装成整体进行吊装，再将第二节、导轨接长段和托梁拼装成整体进行吊装支承系统地面拼装1.4智能施工装备集成平台的施工工序2）动力系统进行顶升油缸的吊装工作过程中，需要及时观察四周，防止损坏缸体上的阀件和油管，并确认安装后油缸处于竖直状态。安装好动力系统后，应当循环过滤油路，应对滤后油品清洁度进行检查，以保证动力系统正常运行框架系统吊装3）框架系统支承系统验收合格后，才能进行框架系统的安装工作；钢平台安装过程中，依次进行主受力构件安装和次受力构件安装，确认安装无误后，需要及时安装辅助结构，包括走道板、格栅板、围护栏杆等此外还有挂架系统、监测系统、集成装备不逐一进行介绍1.4智能施工装备集成平台的施工工序（3）运行——1）标准层施工工艺流水基于常规混凝土建筑结构的施工流程，结合智能施工装备集成平台的标准层施工工艺流水为：a)n-1层浇筑完毕，b)n-1层墙体拆模、平台顶升，c)n层墙模板合模、n+1层墙钢筋绑扎，d)n层顶板支模架倒运、搭设，e)n层顶板钢筋绑扎，f)n层混凝土浇筑，如下图框架系统吊装，此外之运行还包括作业阶段和顶升及提升阶段起始状态，n-1层浇筑完毕n-1层墙体拆模、平台顶升n层墙模板合模、n+1层墙钢筋绑扎n层顶板支模架倒运、搭设n层顶板钢筋绑扎n层混凝土浇筑1.4智能施工装备集成平台的施工工序（4）维护集成平台的维护应包括日常维护和定期检查，并应建立安全管理制度，配备专职安全管理人员，内容包括安全防护设施、框架系统、挂架系统、动力系统维护。应对集成平台受力构件及其连接节点、液压管路、油缸、阀件、安全防护设施、防雷装置等进行定期检查。当遇恶劣天气、地震等导致集成平台停止使用或其他原因导致集成平台停止使用1个月以上时，恢复施工前应对集成平台进行全面检查（5）拆卸集成平台拆除流程如下：动力系统油路、线路拆卸→→集成装备拆卸→监测系统拆卸→挂架系统、模板拆卸→框架系统拆卸→上支承架拆卸→顶升油缸拆卸→下支承架拆卸→承力件、固定件拆卸另外需要注意的是，液压油管拆卸前，应先释放油管内部压力，再进行拆卸；同时需使用专业设备排净残留液压油并回收处理另外需要注意的是，液压油管拆卸前，应释放油管内部压力后在拆卸液压油管，并使用专业排净并液压油回收；集成塔机施工升降机、布料机应在框架系统拆卸前拆卸或完成受力转换，并根据相关国家和厂家规范进行拆除。当遇到大雨或平台所在位置的风速超过12m/s等恶劣天气时，应当停止拆卸作业目录一、智能施工装备集成平台二、电液控制特种装备2.1工程机械电液控制概述1、电液控制的定义机电一体化，（又称为机械电子）：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程的基础上有机地加以综合，实现整个机械系统最佳化的而建立起来的一个新的概念2.1工程机械电液控制概述2、电液系统基本要素工程机械电液控制系统的基本要素主要包括机械本体、控制系统、检测系统、动力系统和执行系统2.2电液控制的组成（1）智能控制单元控制器：作为装备的“大脑”，采用高性能芯片（如ARM架构处理器），集成智能算法与控制软件，可接收传感器信号、执行预设程序或远程指令，对电液系统进行实时调控。例如液压支架电液控制系统中的支架控制器，能根据工艺要求对电液阀发出控制信号，实现邻架/隔架控制、成组自动控制等功能，还可诊断电磁阀、硬件及通讯故障。液压传动的基本组成2.2电液控制的组成（2）动力执行单元电液阀组：包括电液控换向阀、电磁先导驱动器、比例阀、伺服阀等。例如电液控换向阀通过电磁力控制阀芯位置，切换液压油流向，实现执行元件的动作换向；电磁先导驱动器作为执行机构，连接控制器和主阀，将电信号转换为液压动作。液压执行元件：如液压缸、液压马达，将液压能转化为机械能，实现直线或旋转运动。在智能建造中，通过电液精确控制，可完成构件的精准定位与安装，如架桥机中液压缸对桥梁的顶推、提升动作2.2电液控制的组成（3）传感检测单元各类传感器：实时感知装备状态与作业环境信息。压力传感器：监测液压系统压力，反馈给控制器调整输出，确保支护强度或避免过载。行程/位移传感器：测量液压缸活塞杆行程、构件移动位置等，实现推溜、拉架等动作的精确控制。倾角传感器：检测装备倾斜角度，用于调整平衡或监测姿态，如液压支架立柱倾斜角度检测，保障支护稳定性。红外传感器：如安装在采煤机和支架上的红外发射/接收器，用于定位采煤机位置与运行方向，引导跟机自动化作业2.2电液控制的组成（4）辅助单元电源装置：为控制系统提供稳定电力，如矿用隔爆兼本质安全型电源，确保在特殊环境下可靠供电，并集成信号耦合等功能。连接与防护部件：包括电缆、连接器、管路等，实现信号与液压油传输；同时采用防护结构（如IP68防护等级外壳），保障装备在复杂环境（如粉尘、潮湿）下稳定运行。显示与操作部件：如OLED显示器、操作按键，便于操作人员监控装备状态、输入指令，部分装备还支持远程监控与操作，提升智能化交互水平（5）通信与集成单元通信模块：支持总线通讯（如CAN总线）、网络传输（TCP/IP协议）等，实现装备内部各单元及与外部系统（如顺槽集控中心、地面监控系统）的数据交互，例如液压支架电液控制系统通过CAN总线实现工作面与集控中心的实时通信，延时≤20ms，保障远控实时性。系统集成平台：部分装备具备数字孪生系统接口、多通讯接口的系统控制器，可集成第三方软件或平台，实现数据共享与协同控制，进一步提升智能建造中的信息化管理水平2.3电液控制系统工作原理电液控制系统融合电子控制技术与液压驱动技术，通过“感知-决策-执行-反馈”的智能控制循环