近日，上海天演建築物移位工程股份有限公司申報的
“建築物移位機器人在上海喇格納小學平移工程中的應用”
入選
住建部第一批智慧建造新技術新產品創新服務典型案例。
喇格納小學為上世紀三十年代保護建築，結構相對較弱且尺寸大，荷載、主體結構鋼剛柔分佈不均勻。針對此項特殊工程，本案例打造了新一代移位裝置——建築物移位交替步履走行機器人，在PLC（可程式設計邏輯控制器）的操控下，實現對物體頂推過程中的連續懸浮精準行走、任意旋轉，不僅解決了本工程旋轉筏板頂面平整度施工技術標準要求高、偌大物體旋轉平移角度偏差很難掌控的技術難題，提高了旋轉平移過程中的安全性與精準度，加快了工程進度，而且還大大減輕了操作工人的數量和勞動強度，節省了大量週轉用料投入。
左邊：旋轉平移前 右邊：旋轉平移後
建築物整體移位是在保證建築物主體結構安全性和整體性的前提下，將建築物從原位置移動到新位置，包括平移、升降、旋轉等。
建築物移位很長時間以來，建築物的平移或旋轉採用千斤頂頂推或者牽拉的方式，不管頂推還是牽拉，均需要在建築物上做牽引點，並且需要對千斤頂設定反力支撐點。如果涉及到旋轉施工的場合，則反力支撐點在設計和施工中均存在較大的難點，平移或旋轉過程中則存在崩頂的現象，安全和施工效率均較低。另外，還要解決越來越大規模的建築物移位專案，移位過程的轉向問題等等。以上情況在施工過程中存在較多的安全隱患，施工效率低，並且施工成本高。
在此背景下，進行建築物移位交替步履走行機器人的研發，利用PLC整體同步移位控制技術和移位裝置的升級換代解決移位（含建築物平移及旋轉）過程中大面積房屋的整體同步頂升託換、不均勻沉降、精準就位、無軌道方向調整問題，同時提高施工效率、降低施工成本。
技術要點
建築物移位交替步履走行機器人由PLC同步頂升懸浮系統、同步頂推控制系統、移位裝置相結合組成，兩個系統必須透過同一個控制檯完成統一的控制作業。移位裝置採用交替步履行走器，如圖1、圖2所示。
圖1 步履行走器
圖2 步履行走器
交替頂推器由頂升油缸、頂推油缸、滑移板、底部安裝板等幾部分組成，主要滿足豎向頂升懸浮和水平頂推兩個功能。頂升油缸放置於滑移板上，和滑移板底部採用螺釘連線。滑移板底部安裝有MGE滑移板，其置於滑移板底部。在下層底板上放置鏡面不鏽鋼板，工作的摩擦副為MGE滑移板和鏡面不鏽鋼板，其動靜摩擦係數均為0。05，在實際工作中，考慮到安全係數，按照摩擦係數0。1來設計頂推油缸。頂推油缸一端透過銷軸固定於滑移板上，另外一端透過鉸接方式和底部安裝板連線。當頂推油缸伸出時，會透過銷軸帶動滑移板和頂升油缸一起運動。從而實現頂推滑移的目的。
技術引數：頂升力200T、頂升行程140mm、頂推力20T、頂推行程150mm、外形尺寸600*460*470mm（長*寬*高）。
圖3 步履行走器側立面圖
1。技術指標。一是平移、頂升的建築面積提升至20000m2以上；二是控制點個數提升至150個以上；三是頂推速度提升至1-2m/h；四是無軌道方向調整。
2。系統的優點。一是精確實現曲線頂推，變頻控制多點頂推，實現整體裝置的曲線頂推，每個頂推軌道速度可控，位置可控。二是頂推位置靈活。該步履行走器方式，可以實現頂推裝置在任意位置的停留和頂推，不受油缸行程影響。頂推過程中也不再需要製作反力後背，頂推效率高，過程可精確控制。頂推過程不需要軌道。三是頂推過程軌道不需要導運，節約施工人員和相關的管理。AB兩組頂升，使頂升懸浮更安全。
創新點
1。技術創新點。發明交替步履行走器及其施工工藝、大面積建築物頂升懸浮系統，同時結合了BIM技術、網際網路+以及監測系統對整個移位過程進行了實時監測及資料的同步收集及展示。
2。模式創新點。在城市更新中，不可避免的存在拆除重建的專案，由於本專案與建設用地規劃衝突，經多方比選，選擇整體平移旋轉施工工藝，既將原結構重新利用，又節省造價縮短工期，並創造了保護建築旋轉平移的記錄。
專案情況
喇格納小學呈T型平面的建築為1935年建，於2008年9月23日公佈為區級登記不可移動文物，現為區文物保護點。建築總面寬約42m，總進深約62m。西段為東西向佈置，南側教室三間，北側為辦公，進深約7m，外廊寬2。7m，東段為南北向佈置，教室三間，進深約7m，外廊寬約2。8m，總體呈T字型平面格局。根據規劃將喇格納小學向西北方向旋轉平移61m。
圖4 喇格納小學正面圖
圖5 喇格納小學新、舊位置關係平面圖
圖6 旋轉平移前
圖7 旋轉平移即將到位
喇格納小學柱下基礎為獨立承臺，承臺間縱向設基礎梁；實測承臺平面尺寸為400mm×1600mm及400mm×1790mm，基礎厚900mm，埋深-1。2m或-1。16m。承臺縱向設定基礎梁，實測梁截面為350mm×900mm及600mm×900mm。地基基礎採用木樁加固，實測木樁直徑 200mm～300mm。
工藝流程
本工程總體施工工藝：平移基礎採用整體筏板形式，上托盤佈置在±0。000以上，平移裝置採用步履行走器，原址實施提升，平移路徑一次旋轉到位。
具體施工工藝流程如下：
第一步：拆除室內外非保護的牆體，開挖建築室內外土方，澆築C15墊層；並在房屋周圍設定排水溝，集水井等措施。如圖8：
圖8 步驟一示意圖
第二步：室內部分地梁位置分塊切除，澆築室內外C30混凝土旋轉筏板。如圖9：
圖9 步驟二示意圖
第三步：澆築上托盤梁。如圖10：
圖10 步驟三示意圖
第四步：安裝步履行走裝置，利用PLC同步控制裝置整體旋轉平移61。571m。如圖11：
圖11 步驟四示意圖
第五步：新址整體頂升0。7m。如圖12：
圖12 步驟五示意圖
第六步：基礎連線，拆除裝置。如圖13：
圖13 步驟六示意圖
土方開挖
由於本工程主要工作為室內土方開挖，上部有原有建築結構柱、樓梯和牆體，下部有人防地下室頂板，基礎為條形基礎，基礎埋深-1。200m。室內擬採用小型反剷式挖土機配合人工進行整體開挖，開挖時由建築交叉部位開始向北、向南、向東進行施工開挖，室外採用反剷式挖土機進行土方開挖，建築整體範圍內土方均開挖，建築周邊按建築外牆邊線向外3。3m，按坡比為1：1放坡，以便做排水明溝和埋設軸線龍門樁。基坑排水採用明溝排水、集水坑積水、潛水泵抽水，保證基坑底部無明水，以防基坑被水浸泡。
挖土機開挖至樁頂面設計標高，向上200mm處後，人工開挖餘土，開挖的土方臨時堆放於場地內的空地，集中外運。如圖14、圖15所示：
圖14 土方開挖剖面圖
圖15 開挖及排水溝平面佈置圖
托盤及滑道設計
根據原結構荷載及旋轉平移時裝置的安裝位置，按最不利工況進行模擬數值計算，牆體託換採用常規雙夾牆梁斷面形式，單側梁截面為400mm×800mm，託換梁頂面標高定為+4。600m。
托盤梁總體施工流程：測量放線→牆體鑿毛→綁紮鋼筋→模板支設→澆築砼→養生拆模。
喇格納小學平移採用整體式筏板，厚度600mm。平面佈置及截面尺寸如圖16、圖17所示：
圖16 托盤梁平面佈置圖
圖17 旋轉筏板平面佈置圖
臨時加固
上部結構託換到託換底盤後，是一個無根的體系，同時一層牆體基本拆除，僅存混凝土柱結構及小部分牆體，整體結構穩定性較弱，整體抗側剛度小，抗擾動和變形能力差。因此在建築一層設定臨時加固結構的目的是在意外情況發生或受到不利工況擾動的情況下能夠控制整體建築的變形，保持結構的穩定性。
臨時加固保護原則不改變原受力狀態，不損傷原構件，為此採用獨立的鋼架結構對混凝土柱結構進行扶持，以控制其水平位移。在意外情況下混凝土柱產生過大變形時，獨立的鋼架結構起到對混凝土柱的保護作用，以免原結構發生過大變形或失穩。如圖18、圖19所示：
圖18 加固剖面圖
圖19 加固三維示意圖
懸浮頂推
本工程共設定55個頂推點，220個頂升油缸，220個步履行走器。平移採用PLC移位電腦控制技術，精確控制各頂推點的頂推位移，透過反饋的位移訊號自動精確調整各點頂推力，保證頂推力與摩擦力阻力的動態平衡，控制精度控制在2mm以內，確保建築物的線形及空間變形在彈性範圍內變化。
根據構件的受力柱分佈情況，考慮到受力的均布需求，本專案採用整體式旋轉筏板進行旋轉平移施工，採用建築物移位交替步履走行機器人進行移位。
將PLC同步頂升懸浮系統、同步頂推控制系統、移位裝置相結合形成建築物移位交替步履走行機器人。PLC同步頂升懸浮液壓系統採用110點交替頂升懸浮系統，PLC同步頂推控制系統採用13點交替頂推系統，兩個系統必須透過同一個控制檯完成統一的控制作業。其工作時的液壓原理如圖20所示。
圖20 系統連線液壓原理圖
每個交替頂推液壓系統可以控制2條軌道，每個變頻交替容積同步液壓系統可以控制10個頂升控制點。圖20是兩個液壓系統連線一個控制點時的連線方式。表1是其工作步驟及示意圖：
工作步驟及示意圖
應用成效
本工程為大體量建築物的旋轉平移，而且虛擬旋轉中心位於建築物外。對於可能出現的沿旋轉中心的徑向的偏差，本次步履式平移裝置可以透過調整平移頂推方向達到糾偏作用，同時預設兩條限位梁，雙向保險措施保證平移精確就位。當旋轉平移過程中發現建築最大徑向累計偏差大於50mm時透過調整步履行走器的頂力施加角度達到糾偏效果，確保就位連線前糾偏到±5mm以內。
採用PLC同步液壓控制系統和交替步履行走器相結合的建築移位機器人，精確控制各頂推點的頂推位移，透過反饋的位移訊號，自動精確調整各點頂推力，保證頂推力與摩擦力阻力的動態平衡，控制精度控制在2mm以內，確保建築物的線形及空間變形在彈性範圍內變化，最終讓建築物在筏板上精確旋轉及保持平整達到設計規劃位置。同時我公司採取“網際網路+”遠端移位監測系統，利用現代化的網際網路資訊傳輸手段，實時、快捷傳遞位移過程中各類工程資料，實時瞭解平移過程中的喇格納小學各主要受力構件的位移、變形、裂縫等情況。