大型結(jié)構(gòu)整體安裝計算機控制技術(shù)

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一、 概述 
    鋼結(jié)構(gòu)安裝是公司的主要業(yè)務之一。針對近年來高、重、大、特殊鋼結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安裝施工工藝與設(shè)備往往難以勝任，公司通過反復研究與實踐，采用計算機、信息處理、自動控制、液壓控制等高新技術(shù)與結(jié)構(gòu)吊裝技術(shù)相結(jié)合，自行開發(fā)了大型結(jié)構(gòu)整體安裝計算機控制技術(shù)，自行研制了大型結(jié)構(gòu)整體安裝計算機控制系統(tǒng)，完成了一系列重大工程，取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。同時也發(fā)展了我國鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，并使企業(yè)在國內(nèi)大型、特殊鋼結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域保持了領(lǐng)先地位。 
    二、 技術(shù)原理 
    大型結(jié)構(gòu)整體安裝計算機控制技術(shù)的原理是“鋼鉸線承載、計算機控制、液壓千斤頂集群作業(yè)”。 
    1、液壓千斤頂集群作業(yè) 
    以液壓千斤頂作為施工作業(yè)的動力設(shè)備。由于液壓千斤頂可以靈活布置與組合，可以根據(jù)大型結(jié)構(gòu)的特點和施工現(xiàn)場的條件，構(gòu)成受力合理、動力足夠的施工作業(yè)系統(tǒng)，因此可以用于各種大型、特殊、復雜的結(jié)構(gòu)安裝工程。 
    根據(jù)各作業(yè)點提升力的要求，將若干液壓千斤頂與液壓閥組、泵站等組合成液壓千斤頂集群，大型結(jié)構(gòu)整體提升時稱為液壓提升器，大型結(jié)構(gòu)整體移位時稱為液壓牽引器。一般是1個作業(yè)點配置1套液壓提升器或牽引器。液壓千斤頂集群在計算機控制下同步作業(yè)，使提升或移位過程中大型結(jié)構(gòu)的姿態(tài)平穩(wěn)、負荷均衡，從而順利安裝到位。 
    2、鋼絞線承載 
    液壓千斤頂通過集束的鋼絞線提升或牽引大型結(jié)構(gòu)。 
    3、計算機控制 
    施工作業(yè)由計算機通過傳感器和信息傳輸電路進行智能化的閉環(huán)控制。 
    計算機控制主要是3項作用，首先是控制液壓千斤頂集群的同步作業(yè)，其次是控制施工偏差，再次是對整個作業(yè)進行監(jiān)控，實現(xiàn)信息化施工。計算機控制具有智能化功能，可以在施工過程中自動對施工系統(tǒng)進行自適應調(diào)整，進行故障的自動檢測與診斷，并能模仿與代替操作人員的部分工作，提高施工的安全性和自動化程度。 
    三、 控制系統(tǒng) 
    1、系統(tǒng)功能 
    系統(tǒng)的主要作用是以液壓作業(yè)方式進行大型結(jié)構(gòu)的整體提升、整體移位等，并始終保持大型結(jié)構(gòu)的合理姿態(tài)，使施工負載、穩(wěn)定性、各項參數(shù)和偏差均符合設(shè)計要求。 
    控制系統(tǒng)的主要功能有千斤頂集群控制、作業(yè)流程控制、施工偏差控制、負載均衡控制、操作臺實時監(jiān)控，以及單點微調(diào)控制等。 
    2、系統(tǒng)構(gòu)成 
    大型結(jié)構(gòu)整體安裝計算機控制系統(tǒng)由控制和執(zhí)行兩部分組成。 
    a) 控制部分 
    控制部分包括計算機子系統(tǒng)和電氣控制子系統(tǒng)。控制部分的核心是計算機控制，外層是電氣控制。計算機子系統(tǒng)通過電氣子系統(tǒng)驅(qū)動液壓執(zhí)行系統(tǒng)，并通過電氣子系統(tǒng)采集液壓系統(tǒng)狀態(tài)和作業(yè)點工作數(shù)據(jù)，作為控制調(diào)節(jié)的依據(jù)。電氣子系統(tǒng)還要負責整個施工作業(yè)系統(tǒng)的啟動、停車、安全聯(lián)鎖，以及供配電管理。 
    計算機子系統(tǒng)由下列模塊組成： 
    ⑴ 順序控制：進行千斤頂集群動作控制和施工作業(yè)流程控制。 
    ⑵ 偏差控制：進行結(jié)構(gòu)姿態(tài)(高度、水平度、垂直度)偏差控制和施工負載均衡控制。 
    ⑶ 操作臺控制：對施工作業(yè)進行操作和監(jiān)控，并完成工作數(shù)據(jù)的采集、存儲、打印輸出等。 
    ⑷ 自適應控制：對施工作業(yè)系統(tǒng)進行自適應控制、故障診斷與檢測等。 
    電氣控制子系統(tǒng)由總控臺、電液控制臺、總電氣柜、作業(yè)點控制柜、泵站控制箱，以及傳感檢測電路、液壓驅(qū)動電路等組成。 
    b) 執(zhí)行部分 
    執(zhí)行部分包括液壓子系統(tǒng)和支承導向子系統(tǒng)。 
    液壓子系統(tǒng)由下列部分組成： 
    ⑴ 液壓千斤頂集群：布置在各作業(yè)點，根據(jù)作業(yè)點要求，由若干臺液壓千斤頂、液壓控制閥組構(gòu)成。 
    ⑵ 液壓泵站：為液壓千斤頂提供動力，一般1個或幾個作業(yè)點配置1臺液壓泵站。 
    ⑶ 鋼鉸線：采用高強度低松馳鋼鉸線。 
    支承導向子系統(tǒng)用于大型結(jié)構(gòu)整體安裝過程中的支承、導向或加固、穩(wěn)定作用，例如整體提升中的提升柱、整體移位中的滑道、導軌，以及結(jié)構(gòu)的臨時加固設(shè)施等。 
    3、系統(tǒng)的性能 
    a) 作業(yè)能力：施工作業(yè)系統(tǒng)的規(guī)模根據(jù)工程需要確定，通過組合液壓千斤頂集群，作業(yè)能力可滿足超大型工程的需要。已應用的工程中最大起重荷載3200噸，最大起重力6600噸，共使用86個液壓千斤頂。 
    b) 作業(yè)點數(shù)：標準配置的系統(tǒng)最多可控制30個作業(yè)點(一般工程作業(yè)點為4～8個，迄今為止最大的工程中作業(yè)點為26個)。超過30個作業(yè)點時可以增設(shè)額外的控制模塊來擴容。 
    c) 作業(yè)對象規(guī)模：原則上只受工程結(jié)構(gòu)和施工現(xiàn)場條件限制。已應用的工程中，最大結(jié)構(gòu)尺寸為150×90×20米，提升高度29米。 
    d) 控制策略：可同時控制作業(yè)對象的姿態(tài)偏差、速度偏差、壓力(提升力或牽引力)偏差，并可根據(jù)各個工程的不同特點和要求，確定不同的多因素控制策略。 
    e) 控制精度：各作業(yè)點與基準點的高度或位移偏差可控制在2～3毫米以內(nèi)。 
    f) 液壓系統(tǒng)工作方式：液壓千斤頂間歇伸缸和連續(xù)伸缸兩種方式。前者用于垂直提升；后者用于水平牽引，優(yōu)點是作業(yè)穩(wěn)定性好、作業(yè)速度快，但是液壓千斤頂?shù)呐渲脭?shù)量較大。 
    g) 操作方式：具有自動作業(yè)、半自動作業(yè)、單點調(diào)整、手動作業(yè)等多種操作方式。 
    h) 可靠性、適應性：可以承受一般建筑施工現(xiàn)場的露天日曬、小雨、5級風、連續(xù)作業(yè)、電磁干擾、電網(wǎng)波動等工況。
    四、 應用實例與效益 
    1、東方航空公司雙機位機庫3200噸鋼屋蓋整體提升工程 
    鋼屋蓋網(wǎng)架的跨度150米，縱深90米，高18米，重量3200噸。采用“地面拼裝、整體提升”的施工工藝，即在地面上將網(wǎng)架拼裝好，然后整體提升到25高的砼柱頂上。不設(shè)臨時的提升承載柱，利用機庫26根永久結(jié)構(gòu)柱的柱頂，設(shè)置液壓千斤頂集群進行提升。由于機庫東、西、北三面有柱，南面無柱，屋蓋南端總量又占總重量三分之二，因此提升點分布和負載分布極不均勻，對網(wǎng)架變形控制和結(jié)構(gòu)柱承載控制很不利，提升控制難度很大 
    1996年6月下旬，經(jīng)過4天共32小時的提升作業(yè)，將3200噸的鋼屋蓋網(wǎng)架從地面整體提升25米，順利完成安裝工程。 
    在提升過程中做到了：⑴ 各吊點與基準點的高度差不超過5毫米，確保了網(wǎng)架的變形小于設(shè)計限定值；⑵ 各吊點動載始終保持均衡(靜載懸殊達20倍)，確保了被用作提升承載柱的機庫結(jié)構(gòu)柱的荷載安全值；⑶ 屋架定位偏差小于2毫米，施工質(zhì)量優(yōu)良。 
    該工程節(jié)約施工費用710萬元，并且創(chuàng)造了兩項國內(nèi)記錄：⑴ 一次提升跨度最大：150米；⑵ 超大型屋蓋整體提升不設(shè)輔助的提升承載柱。 
    2、浦東國際機場航站樓鋼屋蓋區(qū)段整體移位施工 
    鋼屋蓋為連續(xù)三跨，跨度分別為80、42和48米，長度為412米，高30～39米，總重1.6萬余噸。在鋼屋蓋安裝之前，航站樓的現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)已先期完成，因而起重機無法進入跨內(nèi)施工，難以用常規(guī)方法吊裝，故采用“屋架節(jié)間地面拼裝、柱梁屋蓋跨端組合，區(qū)段整體縱向移位”的施工方案，即在地面拼裝屋架，再將屋架和柱、梁等吊到砼結(jié)構(gòu)樓面的邊端組合成屋蓋區(qū)段，然后應用本系統(tǒng)將區(qū)段向樓面中央水平移位到安裝位置。 
    1998年2-8月鋼屋蓋安裝完成，其中鋼屋蓋區(qū)段移位14次(每次距離50-200m，重量1200-1400噸)，累計移位重量2萬余噸，累計移位距離2200m，累計移位時間400小時。 
    在牽引過程中做到了：⑴ 屋蓋滑移速度控制良好，加速度值小于設(shè)計限定值；⑵ 各牽引點與基準點的位移差不超過10毫米，確保了屋蓋滑移中的正確姿態(tài)，杜絕了“卡軌”可能性。 
    由于采用以屋蓋水平滑移為主要特點的新工藝，鋼屋蓋的安裝工程節(jié)約了建設(shè)投資1000萬元。 
    3、南陽鴨河口電廠干煤棚網(wǎng)架整體展開提升工程 
    網(wǎng)架橫向跨度108米、縱向深度90米，高度約39米，重量505噸，提升高度約29米。該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分為鉸接的5塊，地面拼裝后呈折疊狀，通過整體提升，使它展開為無柱拱形網(wǎng)架。這種結(jié)構(gòu)與施工方法在國內(nèi)尚無先例，是一項重大創(chuàng)新。它首先由設(shè)計單位提出，得到業(yè)主和施工總包單位的支持，并由我公司采用本系統(tǒng)予以實施。2001年5～6月經(jīng)過5天共40小時的提升，順利地將網(wǎng)架提升到位。提升過程中各提升點高度差控制在3毫米以內(nèi)，施工偏差控制和安裝定位質(zhì)量均符合設(shè)計要求，在國內(nèi)空間結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)有效大影響。