张 波

(上海建工四建集团有限公司，上海 201103)

0 引言

建筑工业化是建筑业的发展方向。预制装配式建筑作为建筑工业化代表，以其优良的性价比被积极推广，在不同国家受到普遍欢迎[1-6]。越来越多的装配式建筑采用预制墙板。相比于现浇结构，预制墙板的精准就位与安装已成为后续节点灌浆质量与结构安全的先决因素。

目前，预制墙板调垂仍依靠人工借助传统工具进行[7-8]。墙板吊装落位后，由底部撑杆定位、上部撑杆调节墙板倾度。工人持水平仪与卷尺测量墙板垂直度，并使用管钳扳手转动撑杆调节，反复测量调节直至合格。根据现场调研，传统工艺对预制墙板调垂以3个人为1个班组。在技术熟练的前提下，每块墙板调垂用时5～8 min。该工艺流程很大程度上依赖施工人员的经验与操作熟练度，费力耗时，且墙板垂直度误差难以有效控制。

针对以上问题，本文通过自主创新，研发了适用于预制墙板的工具式智能调垂系统。

1 “测-控-调”一体化调垂系统设计

本文研发的工具式智能调垂系统由测垂仪、手持控制器、调垂扳手、智能调垂应用(application,APP)组成。系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

本文从测量、控制、调节3个环节，对墙板调垂方式进行研究，建立了预制墙板垂直度智能化调节的新思路和新方法。测垂仪实时获取墙板垂直度信息。控制器接收测垂仪信号，由内嵌逻辑算法判别墙板姿态，向调垂扳手发送调整指令转动墙板斜撑杆，直至墙板垂直度满足标准。整个调垂过程实现了机械化、自动化和智能化。该智能调垂系统硬件部分包括3个部分，分别为自动检测装置(测垂仪)、智能控制装置(手持控制器)以及自动执行机构(调垂扳手)。智能调垂逻辑如图2所示。

图2 智能调垂逻辑示意图

2 核心机构及关键技术

2.1 基于平行线法的免调平激光测垂仪

测垂仪的功能是实时获取墙板姿态，并以此作为执行机构调节墙板垂直度的依据。这就要求测垂仪具备合理的测垂方法、精确的测量仪器和快速的信号传递能力[9]。

本文设计采用平行线法。平行线法测垂原理如图3所示。测垂仪立杆保持垂直状态，测垂仪立杆2端安装测距仪，发射2道平行射线并实时测量与墙板的距离D1、D2，杆、墙和2道测量激光围成四边形。当且仅当D1=D2时，墙板的倾角δ为0，即可判定预制墙板已处于垂直状态。

图3 平行线法测垂原理示意图

本文设计采用高精度红外测距仪。测距仪与控制装置间通过无线模块传递信号，实现了精确测距与信号的快捷传输。测垂杆关节处设有阻尼垫，用于降低风载的影响，在室外测试中具有良好的测垂效果。此外，测垂装置底部设置有回转底座，使测量射线能以立杆中心为轴在平面内回转，实现了位于不同方向预制墙板的垂直度测量。

2.2 基于单片机的无线控制器

控制装置是智能调垂系统的大脑，也是人机交互的媒介，具有以下特点。

(1)接收测垂信号，自动控制调垂。

(2)针对不同规格的墙板，实现模数化组装、多工况适配。

(3)实时反馈，精准调控。

(4)数据存储，结果可追溯。

(5)界面人性化，便于工人掌握。

(6)控制过程划分为3个阶段，分别为调垂前设置、调垂中显示和调垂后查询。

①调垂前设置。调垂作业开始前，界面显示设备连接状态，确认测垂仪工作状态后可以设置墙板高度。

②调垂中显示。垂直度偏差和激光器数据能随调垂过程实时采集并显示，偏差大于允许值为红色，小于允许值为绿色，并能反映墙板向内/向外倾斜的趋势。调节过程中可随时点击终止按钮停机，以应对突发情况。

③调垂后查询。每次调垂工作结束后，设备会记录调垂结果。用户可以查看历史数据并将其导出。

2.3 自动化控制执行机构

调垂扳手由控制模块、连杆抱持机构、动力及传动机构、辅助构件4个部分组成。调垂扳手结构如图4所示。

图4 调垂扳手结构示意图

①连杆抱持机构。

连杆抱持机构结构如图5所示。向上拉动提拉杆时，提拉杆沿机架滑道的平移运动会通过连杆机构转换成抱爪摇杆的摆动，主动摩擦轮结合辅助摩擦轮可抱住撑杆。该连杆机构可放大力，使抱紧动作牢固、可靠[10]。

图5 连杆抱持机构结构示意图

②动力及传动机构。

动力及传动机构的作用是将伺服电机产生的转矩及转速通过联轴器、主动锥齿轮轴、从动锥齿轮、从动轴传递给主动摩擦轮。动力及传动机构结构如图6所示。

图6 动力及传动机构结构示意图

③控制模块。

控制模块的核心是内嵌无线接收模块的单片机。无线接收模块接收测垂仪传递的测量信号。单片机分析测量信号后，控制伺服电机动作。

2.4 智能调垂APP

智能调垂APP具备调垂过程的数字化展示和数据存储功能，方便施工及管理人员及时掌握现场预制墙板垂直度信息。智能调垂APP具体界面信息如下。

①登录。

软件登录分在线登录、离线登录2种方式。

②调垂列表。

调垂列表上显示调垂的时间、操作员、构件编号和未上传状态图标。调垂列表根据时间进行排序，点击其中某一项的调垂后将会跳转到历史数据页面。调垂列表界面下方显示设备蓝牙连接状态。

③配置与扫描二维码。

手机端智能调垂APP自动搜索附近的蓝牙设备。蓝牙连接成功后，调垂列表界面右上角出现扫描按键。扫描构件上的二维码，成功后将直接跳转到调垂工作页面。

④调垂工作中与完成。

调垂工作界面基本信息包括操作人、构件高度、允许偏差、测距仪距离、时间日期等。其中，1号测距、2号测距为蓝牙传输过来的数据，偏差为根据蓝牙传输数据和设置的测距仪距离由计算式计算出的结果。用户在界面可以选择显示简约数据和详细数据[11]。当垂直偏差在允许误差范围内时，界面上的“调垂工作中”将会变成“完成”按钮，点击“完成”保存数据并返回调垂列表页面。

⑤查看数据与上传。

用户可以查看数据信息，包括简约历史数据和详细历史数据。有网络时，系统将自动上传保存的数据；无网络时，数据暂存在本地，待有网络时再登录并自动上传。

3 工艺流程设计

智能调整系统工艺流程设计如下。

①墙板落位，安装撑杆，摘除吊具。

②放置测垂仪。

首先，将测垂仪三脚架放置在撑杆同侧；然后，将测垂仪放置在三脚架楔块上，并按下上、下2个测距仪的开关。此时，测垂仪在重力作用下稳定，下部倾角仪示数为0。

③调垂扳手就位。

首先，将调垂扳手中心摩擦轮抵住撑杆；然后，提拉把手。此时，抱爪在连杆机构作用下抱紧撑杆，并产生足够大的夹紧力。

④调垂作业。

首先，手持控制器开机，按下“模式选择”，进入“激光器间距”选择界面。然后，用上、下方向键选择激光器间距，默认值为1.5 m，按“确认”键完成选择。最后，进入“墙板高度”选择界面，用同样的方法完成选择。此时，激光器开始测量，手持控制器界面显示上、下测距仪所测墙板距离参数，并自动控制调垂扳手动作。若需查看详细数据信息，则要打开智能调垂APP手机端，扫描墙板二维码获取调垂数据。

⑤调垂结束。

当手持控制器显示D1=D2，调垂工作自动结束。

4 应用成果

预制墙板工具式智能调垂系统在试点项目中进行了示范应用，现场应用效果如下。

①本文设计的智能调垂系统可实现2人作业(1人操作调垂扳手，1人操作调垂扳手同时兼顾使用控制器)，较传统调垂工艺可减少作业人员1名。

②在现场技术熟练的3人班组人工调垂用时5～8 min。采用该系统对预制墙板进行垂直度调节，工效可达到30 mm/min，较传统作业模式工效提升5～6倍。

③预制墙板垂直度允许偏差为小于5 mm，采用本文设计的智能调垂系统墙板垂直度偏差小于3 mm，满足标准，调垂精度高于传统工艺。

预制墙板垂直度调节是装配式建筑施工过程中的必要环节。传统作业方式以人工配合多种测量工具完成，对施工人员的操作经验要求较高，调垂用时较长。该预制墙板工具式智能调垂系统打破了传统调垂工艺，整个过程实现了机械化、自动化和智能化，有效提高了调垂工效与精度，施工成本可节约20万元/年，可为业界推广使用。

5 结论

本文针对预制墙板调垂现状，基于单片机控制通信，设计了预制墙板工具式智能调垂系统。系统包括用于墙面垂直度测量的激光测垂仪、旋动墙板撑杆的机械自动化调垂扳手、接收测垂信号和发出调整指令的手持控制器以及能够实现调垂信息数据统计的智能调垂APP。预制墙板工具式智能调垂系统的研发，实现了墙板调垂手段从传统人工调垂到机械化、自动化、智能化调垂作业的技术探索，为装配式建筑智能化施工提供高效、精准的装备及工艺，可为我国装配式建筑的发展提供技术思路与借鉴。