近日，上海天演建筑物移位工程股份有限公司申报的“建筑物移位机器人在上海喇格纳小学平移工程中的应用”入选住建部第一批智能建造新技术新产品创新服务典型案例。喇格纳小学为上世纪三十年代保护建筑，结构相对较弱且尺寸大，荷载、主体结构钢刚柔分布不均匀。针对此项特殊工程，本案例打造了新一代移位设备——建筑物移位交替步履走行机器人，在PLC（可编程逻辑控制器）的操控下，实现对物体顶推过程中的连续悬浮精准行走、任意旋转，不仅解决了本工程旋转筏板顶面平整度施工技术标准要求高、偌大物体旋转平移角度偏差很难掌控的技术难题，提高了旋转平移过程中的安全性与精准度，加快了工程进度，而且还大大减轻了操作工人的数量和劳动强度，节省了大量周转用料投入。
左边：旋转平移前右边：旋转平移后
建筑物整体移位是在保证建筑物主体结构安全性和整体性的前提下，将建筑物从原位置移动到新位置，包括平移、升降、旋转等。
建筑物移位很长时间以来，建筑物的平移或旋转采用千斤顶顶推或者牵拉的方式，不管顶推还是牵拉，均需要在建筑物上做牵引点，并且需要对千斤顶设置反力支撑点。如果涉及到旋转施工的场合，则反力支撑点在设计和施工中均存在较大的难点，平移或旋转过程中则存在崩顶的现象，安全和施工效率均较低。另外，还要解决越来越大规模的建筑物移位项目，移位过程的转向问题等等。以上情况在施工过程中存在较多的安全隐患，施工效率低，并且施工成本高。
在此背景下，进行建筑物移位交替步履走行机器人的研发，利用PLC整体同步移位控制技术和移位装置的升级换代解决移位（含建筑物平移及旋转）过程中大面积房屋的整体同步顶升托换、不均匀沉降、精准就位、无轨道方向调整问题，同时提高施工效率、降低施工成本。
技术要点
建筑物移位交替步履走行机器人由PLC同步顶升悬浮系统、同步顶推控制系统、移位装置相结合组成，两个系统必须通过同一个控制台完成统一的控制作业。移位装置采用交替步履行走器，如图1、图2所示。
图1步履行走器
图2步履行走器
交替顶推器由顶升油缸、顶推油缸、滑移板、底部安装板等几部分组成，主要满足竖向顶升悬浮和水平顶推两个功能。顶升油缸放置于滑移板上，和滑移板底部采用螺钉连接。滑移板底部安装有MGE滑移板，其置于滑移板底部。在下层底板上放置镜面不锈钢板，工作的摩擦副为MGE滑移板和镜面不锈钢板，其动静摩擦系数均为0.05，在实际工作中，考虑到安全系数，按照摩擦系数0.1来设计顶推油缸。顶推油缸一端通过销轴固定于滑移板上，另外一端通过铰接方式和底部安装板连接。当顶推油缸伸出时，会通过销轴带动滑移板和顶升油缸一起运动。从而实现顶推滑移的目的。
技术参数：顶升力T、顶升行程mm、顶推力20T、顶推行程mm、外形尺寸**mm（长*宽*高）。
图3步履行走器侧立面图
1.技术指标。一是平移、顶升的建筑面积提升至00m2以上；二是控制点个数提升至个以上；三是顶推速度提升至1-2m/h；四是无轨道方向调整。
2.系统的优点。一是精确实现曲线顶推，变频控制多点顶推，实现整体设备的曲线顶推，每个顶推轨道速度可控，位置可控。二是顶推位置灵活。该步履行走器方式，可以实现顶推设备在任意位置的停留和顶推，不受油缸行程影响。顶推过程中也不再需要制作反力后背，顶推效率高，过程可精确控制。顶推过程不需要轨道。三是顶推过程轨道不需要导运，节约施工人员和相关的管理。AB两组顶升，使顶升悬浮更安全。
创新点
1.技术创新点。发明交替步履行走器及其施工工艺、大面积建筑物顶升悬浮系统，同时结合了BIM技术、互联网+以及监测系统对整个移位过程进行了实时监测及数据的同步收集及展示。
2.模式创新点。在城市更新中，不可避免的存在拆除重建的项目，由于本项目与建设用地规划冲突，经多方比选，选择整体平移旋转施工工艺，既将原结构重新利用，又节省造价缩短工期，并创造了保护建筑旋转平移的记录。
项目情况
喇格纳小学呈T型平面的建筑为年建，于8年9月23日公布为区级登记不可移动文物，现为区文物保护点。建筑总面宽约42m，总进深约62m。西段为东西向布置，南侧教室三间，北侧为办公，进深约7m，外廊宽2.7m，东段为南北向布置，教室三间，进深约7m，外廊宽约2.8m，总体呈T字型平面格局。根据规划将喇格纳小学向西北方向旋转平移61m。
图4喇格纳小学正面图
图5喇格纳小学新、旧位置关系平面图
图6旋转平移前
图7旋转平移即将到位
喇格纳小学柱下基础为独立承台，承台间纵向设基础梁；实测承台平面尺寸为mm×1mm及mm×mm，基础厚mm，埋深-1.2m或-1.16m。承台纵向设置基础梁，实测梁截面为mm×mm及mm×mm。地基基础采用木桩加固，实测木桩直径mm～mm。
工艺流程
本工程总体施工工艺：平移基础采用整体筏板形式，上托盘布置在±0.以上，平移设备采用步履行走器，原址实施提升，平移路径一次旋转到位。
具体施工工艺流程如下：
第一步：拆除室内外非保护的墙体，开挖建筑室内外土方，浇筑C15垫层；并在房屋周围设置排水沟，集水井等措施。如图8：
图8步骤一示意图
第二步：室内部分地梁位置分块切除，浇筑室内外C30混凝土旋转筏板。如图9：
图9步骤二示意图
第三步：浇筑上托盘梁。如图10：
图10步骤三示意图
第四步：安装步履行走装置，利用PLC同步控制设备整体旋转平移61.m。如图11：
图11步骤四示意图
第五步：新址整体顶升0.7m。如图12：
图12步骤五示意图
第六步：基础连接，拆除设备。如图13：
图13步骤六示意图
土方开挖
由于本工程主要工作为室内土方开挖，上部有原有建筑结构柱、楼梯和墙体，下部有人防地下室顶板，基础为条形基础，基础埋深-1.m。室内拟采用小型反铲式挖土机配合人工进行整体开挖，开挖时由建筑交叉部位开始向北、向南、向东进行施工开挖，室外采用反铲式挖土机进行土方开挖，建筑整体范围内土方均开挖，建筑周边按建筑外墙边线向外3.3m，按坡比为1：1放坡，以便做排水明沟和埋设轴线龙门桩。基坑排水采用明沟排水、集水坑积水、潜水泵抽水，保证基坑底部无明水，以防基坑被水浸泡。
挖土机开挖至桩顶面设计标高，向上mm处后，人工开挖余土，开挖的土方临时堆放于场地内的空地，集中外运。如图14、图15所示：
图14土方开挖剖面图
图15开挖及排水沟平面布置图
托盘及滑道设计
根据原结构荷载及旋转平移时设备的安装位置，按最不利工况进行模拟数值计算，墙体托换采用常规双夹墙梁断面形式，单侧梁截面为mm×mm，托换梁顶面标高定为+4.m。
托盘梁总体施工流程：测量放线→墙体凿毛→绑扎钢筋→模板支设→浇筑砼→养生拆模。
喇格纳小学平移采用整体式筏板，厚度mm。平面布置及截面尺寸如图16、图17所示：
图16托盘梁平面布置图
图17旋转筏板平面布置图
临时加固
上部结构托换到托换底盘后，是一个无根的体系，同时一层墙体基本拆除，仅存混凝土柱结构及小部分墙体，整体结构稳定性较弱，整体抗侧刚度小，抗扰动和变形能力差。因此在建筑一层设置临时加固结构的目的是在意外情况发生或受到不利工况扰动的情况下能够控制整体建筑的变形，保持结构的稳定性。
临时加固保护原则不改变原受力状态，不损伤原构件，为此采用独立的钢架结构对混凝土柱结构进行扶持，以控制其水平位移。在意外情况下混凝土柱产生过大变形时，独立的钢架结构起到对混凝土柱的保护作用，以免原结构发生过大变形或失稳。如图18、图19所示：
图18加固剖面图
图19加固三维示意图
悬浮顶推
本工程共设置55个顶推点，个顶升油缸，个步履行走器。平移采用PLC移位电脑控制技术，精确控制各顶推点的顶推位移，通过反馈的位移信号自动精确调整各点顶推力，保证顶推力与摩擦力阻力的动态平衡，控制精度控制在2mm以内，确保建筑物的线形及空间变形在弹性范围内变化。
根据构件的受力柱分布情况，考虑到受力的均布需求，本项目采用整体式旋转筏板进行旋转平移施工，采用建筑物移位交替步履走行机器人进行移位。
将PLC同步顶升悬浮系统、同步顶推控制系统、移位装置相结合形成建筑物移位交替步履走行机器人。PLC同步顶升悬浮液压系统采用点交替顶升悬浮系统，PLC同步顶推控制系统采用13点交替顶推系统，两个系统必须通过同一个控制台完成统一的控制作业。其工作时的液压原理如图20所示。
图20系统连接液压原理图
每个交替顶推液压系统可以控制2条轨道，每个变频交替容积同步液压系统可以控制10个顶升控制点。图20是两个液压系统连接一个控制点时的连接方式。表1是其工作步骤及示意图：
工作步骤及示意图
应用成效
本工程为大体量建筑物的旋转平移，而且虚拟旋转中心位于建筑物外。对于可能出现的沿旋转中心的径向的偏差，本次步履式平移设备可以通过调整平移顶推方向达到纠偏作用，同时预设两条限位梁，双向保险措施保证平移精确就位。当旋转平移过程中发现建筑最大径向累计偏差大于50mm时通过调整步履行走器的顶力施加角度达到纠偏效果，确保就位连接前纠偏到±5mm以内。
采用PLC同步液压控制系统和交替步履行走器相结合的建筑移位机器人，精确控制各顶推点的顶推位移，通过反馈的位移信号，自动精确调整各点顶推力，保证顶推力与摩擦力阻力的动态平衡，控制精度控制在2mm以内，确保建筑物的线形及空间变形在弹性范围内变化，最终让建筑物在筏板上精确旋转及保持平整达到设计规划位置。同时我公司采取“互联网+”远程移位监测系统，利用现代化的互联网信息传输手段，实时、快捷传递位移过程中各类工程数据，实时了解平移过程中的喇格纳小学各主要受力构件的位移、变形、裂缝等情况。
来源：建筑工程鲁班联盟，执笔人：上海天演建筑物移位工程股份有限公司（束学智），审核专家：宋晓刚（中国机械工业联合会，执行副会长、教授级高级工程师）袁烽（同济大学建筑与城市规划学院副院长、教授），版权归原作者所有，转载请注明出处，如有侵权请联系我们删除。
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