全钢附着式升降脚手架的研发应用

福建建中建设科技有限责任公司 福建 福州 350015

前言

随着国家城镇化建设进程的加快，我国国民经济的快速发展和城市化建设速度的加快及人民生活水平的迅速提高，一座座高层、超高层建筑如雨后春笋拔地而起，而作为高空建筑施工必备的外防护脚手架是安全施工的重要措施。(1)、常规满搭外脚手架己无法适应高层、超高层建筑施工的要求，其主要原因为:1、高空搭设困难；2、耗资(费时、费工、费料)巨大；3、安全性差。(2)、扣件钢管附着式升降脚手架是本世纪初快速发展起来的新型脚手架技术，对我国施工技术进步具有重要影响，但其存在不足原因为:1、搭设耗资(费工)高；2、安全性(扣件连接，钢管架体)不足。

基于上述背景，着眼于近几年快速发展高层和超高层建筑施工，越来越多的高层建筑均开始使用附着式升降脚手架(俗称“爬架”)安全作业防护施工，现开发一套工厂型材模块标准化加工、统一型号螺栓安全高效便捷连接的全钢附着式升降脚手架，而新型全钢附着式升降脚手架装备在当前形势下具有重要的现实意义和广阔的市场前景。

1 附着式升降脚手架的构造及原理

(1)通附着升降脚手架附着在结构上，通过提升设备固定在与架体脱离的独立附墙支座上，附墙支座固定在砼结构上，利用附墙支座将架体整体提升，架体提升到位后与结构物固定，再利用架体将附墙支座连同提升设备提升到新的高度并固定，如此，架体与附墙支座互为利用，交替与结构物固定，交替爬升；当工程进入外装饰阶段，附墙支座与架体反之互为利用与结构物固定，交替下降。

(2)爬升架的构造形式一般由架体、水平梁桁架、竖向主框架、附墙支座、提升装置、安全装置等组成。

(a)架体:附着架体应具有足够强度和刚度的架体结构，架体应满足防护及操作承载要求，能与竖向主框架及水平梁架构架整体作用。

(b)水平梁桁架:架体水平梁架应满足架体自重和施工荷载整体的承载作用。

(c)竖向主框架:由设在架体上的竖向桁架并设有导轨结构，除有导向作用还有竖向承载要求，与建筑物结构上的附墙支座及导向架相互配合作用，而相关的提升装和安全装置均设在附墙支座及竖向主框架之间。

(d)附墙支座:由型钢支座三角梁和由通过穿墙螺栓固定于建筑物结构上的承重支座组成，并有卸荷及导向作用。

(e)提升装置:是整个爬升架的动力系统，由动力设备固定于建筑结构上、控制系统、提升组合结构组成。爬升架的动力设备有液压千斤顶、电动卷扬机以及电动葫芦等。升降动力控制台应具备相应的安全保护功能，并应符合规范要求。

(f)安全装置:由防倾装置、防坠落装置及同步装置组成。

附着式升降脚手架多种多样，不管使用哪种形式，其核心要求就是安全生产，保障架体安全运作。

2 全钢附着式升降脚手架的研发应用

2.1 本项目主要进行了以下方面的研究

(1)架体各构件全预制工厂化。本项技术将传统架体杆件、扣件、脚手板、安全网等全部在工厂环节进行完善并标准模数化，到施工现场立即进行安装即可，现场安装时不再需要其它构配件。

(2)架体的部件式连接方式。在满足产品使用功能的基础上，如何最大程度地简化产品装卸操作，以提高运输效率，并减少产品在存放时占用的空间。

(3)导轨的设计及与架体的连接方式。导轨与架体的连接牢固，具有足够的刚度和强度，并方便装拆，可适应结构的需要确定安装位置。

(4)附墙支座的功能及实现方法。附墙支座集承重、防坠、防倾、导向功能于一体，其防坠采取触发式防坠设计，机械式触发动作，防坠效果可靠、灵敏度高。

(5)电动提升机采用正挂免移动系统。电动提升机采用正挂免移动系统，无需人工倒运电动提升机，节约人工。

2.2 产品功能及实现思路 本项目所研究完成的产品，其功能及实现思路包括:

(1)全金属的产品功能构成。包括了架体、脚手板、安全网、翻板。通常情况下，这些功能的实现要依靠在施工现场另外使用周转材料来安装完成的，本产品则将这些功能全部实现工厂化预制而只在施工现场实现组装的过程即可。

(2)产品以个体形式进行拼装，各构件为全钢构件。产品设计成定型模数形式，现场安装时将各规格构件按方案图示位置进行拼接安装即可。产品构件组装设计成部件，运输时非常方便。现场安装时将零部件进行拼装，其操作过程仅靠人工就可完成。

(3)产品构件包括各种不同的尺寸规格，可以按不同的建筑结构形式和架体高度进行组合安装，并均采用M16一种螺栓型号连接。

(4)架体节点与导轨进行连接。安装后的架体通过导轨与附墙支座结构相连接，附墙支座结构再与结构进行固定。导轨设计为两条槽钢对称焊接，槽钢之间焊接圆钢，背后方管杆焊接成“品”字结构形式，刚性好。接高时导轨端部与端部连接，连接处侧面使用导轨连接槽钢连接的导向轮；附墙支座结构上设置有防倾覆装置限制导轨倾覆。

(5)附墙支座结构具有承重、导向、防倾、防坠功能。附墙支座结构内设有防坠本体和触发器，通过触发器和防坠本体的配合使用实现防坠:在架体向下运动时导轨驱动触发器和防坠本体动作，此动作稳定可靠，坠落时防坠本体无法及时恢复即被卡阻，实现防坠，且每一点位处均设有三个附墙支座结构，即三个独立的防坠落装置。

(6)智能操控荷载控制系统。通过在上吊点处设置一个荷载传感器，将升降过程每个点位的荷载信息收集反馈到控制箱中，控制架体实时监测点位荷载，每秒采集次数达5次以上，不间断对荷载变化进行监测，当某一机位的荷载超过设计值的±15%时，以声光形式自动报警和显示报警机位，当荷载变化超过±30%时，自动停机，并以声光形式进行报警，报警信号同时出现在主控制箱及点位处的分控制箱，并摆脱必须站在控制箱位置的束缚，控制操作变得更加快捷、便利。

综上，实现全钢附着式升降脚手架产品研发主要由以下六部分构成来完成设计:

竖向主框架(导轨、立杆、主框架三角撑)、水平桁架、架体构架(立杆、型钢脚手板、防护网片)、附墙支座(附墙支座结构包含附着、防倾、防坠、导向等装置)、升降系统设计(电动葫芦、正挂循环免移动装置、提升挂座等)、升降荷载控制系统(分控箱、主控箱、传感器、遥控器等)。

2.3 产品各个部件选型分析优化 每个部件设计前应根据规范要求荷载提前对构件受力分析应力，并根据应力大小对应部件尽量选择统一型材尺寸加工，在对各个部件做试验，结构部件应力分析合理后方可归入图集。

2.3.1 竖向主框架 竖向主框架为由导轨、外立杆、主框架三角架等构成的空间框架结构；相应位置均开有直径18的孔，以方便用M16的螺栓与脚手板进行连接。竖向主框架及立杆沿高度方向均匀设置直径18的孔，方便脚手板的连接。脚手板安装在竖向主框架高度方向可以在均匀设置孔位任意高度安装(配合施工作业进行调节)，安装固定方式为M16的螺栓。

导轨使用两条6.3#槽钢对称放置，槽钢之间焊接防护轴Ф30-80圆钢，防护轴每隔120mm布置一个，背后设置一根80*40*3.0矩管形成格构柱形式，焊接成型后强度大，刚性好。

主框架外立杆使用规格为80×40×3mm矩形管，在立杆侧面均匀设置Φ18的孔，以实现架体在安装其他部件时的无极调节功能。

主框架三角架三条边分别用50*50*4mm角钢焊接成直角三角形。导轨后立杆与外立杆之间通过主框架三角架进行连接，主框架三角架安装在每一步脚手板底部，竖向主框架部位使用主框架三角架进行加强导轨和外立杆之间的稳定性。

2.3.2 水平桁架 水平桁架为片式桁架，边宽距离600mm，上下横杆采用角钢63×63×5.0，竖向杆及斜杆采用角钢50×50×4.0焊接而成；在横杆、竖向杆侧面均匀设置Φ18的孔，以实现水平桁架与立杆在安装时的无极调节功能。水平桁架安装在架体最底部脚手板下面，水平桁架上、下玄杆间隔开孔处可以与内外立杆进行连接，横向通过兜底杆将水平桁架组装成空间几何结构，水平桁架的安装保证架体竖向荷载可以顺利传递给竖向主框架。

2.3.3 架体构架 架体构造由立杆、防护网片、型钢脚手板等构成空间框架结构。架体立杆使用80×40×3mm矩形管，在杆件侧面均匀设置Φ18的孔，以实现架体在安装其他部件时的无极调节功能；型钢脚手板面板使用2.0mm花纹板，脚手板横纵向边框采用矩管50*30*3.0mm，横向边框采用矩管50*30*3.0mm，纵向加强筋采用40*40*3.0mm角钢，边框焊接均采用满焊，面板与边框采用点焊，间隙为50-100mm；网片骨架由20*20*2.0mm的方管作为网框，采用0.7mm厚的冲孔铁皮间自攻螺丝连接在网框上，网框四周的20*20*2.0mm方钢管上开8个φ12的孔，与网片固定头采用M10螺栓连接。

立杆纵向间距不大于2米，水平桁架位于架体第一步脚手板下面，左右各布置一道，一道连接于内立杆上，另一道连接于外立杆上；立杆分别位于脚手板的外侧，立杆架体外围用网片防护。

2.3.4 附墙支座 附墙支座结构包含承重、防倾、防坠、防倾、导向等装置。附墙座采用6.3号和8号槽钢和若干不同尺寸的钢板焊接而成；附墙座与建筑结构采用两根M30的穿墙螺杆连接。

卸荷装置由顶撑螺杆、顶撑套筒、顶撑头组成，通过M30销轴连接在附墙座上。顶撑螺杆的螺牙长度满足顶撑可顶到导轨中两个φ30的圆棒梯度，顶撑头为φ44的无缝圆管，圆管一端加工成圆弧状，用以顶导轨的横杆达到卸荷作用。

防倾装置由导向轮规格为φ48×42mm与6.3#槽钢内堆度相应配合在5mm内组合而成，导向轮轮轴焊接折板可与附墙支座本体螺栓连接，可方便装拆置换。

防坠装置由防坠块的大小摆针组成。防坠块与防坠连接头用φ30销轴连接，通过触发大小摆针，达到防坠目的。防坠原理:提升状态防坠块靠后，小摆针伸出可自由通过，坠落时小摆针会带动大摆块与导轨横杆卡住形成防坠；下降状态与升降状态一致，下降速度慢与回复有速度差可自由通过，防坠块靠后配重自动回复原位，坠落时因速度大于上端防坠块自重回复速度，上端大摆块来不及回复卡住导轨横杆，导轨横杆靠在大摆块下形成防坠。在升降工况下，该防坠装置可以起到有效防坠。在使用工况时，该装置连同卸荷装置共同起到防坠作用。防坠装置及卸荷装置均安装在附墙支座上。

防坠原理图

2.3.5 升降系统 在动力系统选型上，考虑到单个机位架体最大自重同时为了保证运行过程的同步、平稳要求，也能够留有足够的安全储备。采用了7.5T环链电动葫芦，电动葫芦具有优异的同步性能，我们选用的电动葫芦其提升速度为120mm/min，荷载大小对其运行速度的影响很小。工作原理:把两个升降纵梁使用螺栓固定于架体上部导轨和立杆之间，将升降横梁通过φ30销轴连接在升降纵梁上面，组装成上吊点桁架；在上吊点桁架吊点预留位置安装传感器设备，电动葫芦上钩安装在传感器上，使电动葫芦链条顺直；将两个升降纵梁使用螺栓固定于架体下部导轨和立杆之间，将升降横梁通过φ30销轴连接在升降纵梁下面，组装成下吊点桁架。将升降滑轮通过φ30销轴连接在下吊点桁架上，提升钢丝绳一端挂在提升挂座上，另一端绕过升降滑轮安装在电动葫芦下钩上，达到正挂免移动系统，无需人工倒运电动葫芦，节约人工。

2.3.6 升降荷载控制系统 升降荷载控制系统设计要求当某一机位的荷载超过设计值的15%，采用声光形式自动报警；当超过30%时，该机位自动停机。具有超载、失载、报警和停机功能，并显示记忆和存储功能。该系统包括遥控器、控制主机和多个控制分机，遥控器、监测终端均与控制主机通讯连接，遥控器、监测终端可向控制主机发送控制指令，控制主机同时反馈数据到遥控器、监测终端。多个控制分机之间并连后与控制主机连接，用以控制主机发送控制指令到控制分机以及控制分机反馈数据到控制分机，其中控制主机与控制分机之间以及控制分机与控制分机之间均通过控制线和主电源线连接，控制线和主电源线均通过尼龙扎带固定在脚手架的脚手板上，主控制箱控制整组架体点位同时升降。分控制箱负责控制每一台升降设备，并将荷载信号传递给主控制箱中的主控制器。主控制器将信号处理后，发出相应的控制指令，传感器负责实时收集各点位的荷载值。

智能控制系统综合运用传感器测控技术，通过单片机对爬架的载荷进行综合分析并作出相应处理，实现了爬架的升降的全过程实时监测和自动控制，从而有效地保证了施工的优质进行。

2.4 整机调试检验

2.4.1 整机安装流程 按照爬架平面设计图在基础架上面先安装水平梁桁架→竖向主框架→立杆→型钢脚手板→外防护网→附着支承→底盘封闭→动力设备→电控系统→调试

2.4.2 整机型式检验 型式检验的主要技术性能指标(依据GJ-20589-2020检验报告):

1.架体全高:16.9m；

2.架体最大支承跨度:6m；

3.架体宽度:0.79m；

4.立杆最大间距:2m；

5.防坠性能:最大制动距离75mm；

6.架体同步性能:相邻机位最大升降差3mm；

7.水平支承桁架下弦杆跨中挠度最大值:12mm(标准荷载)；

8.结构应力:标准荷载使用工况最大应力+58N/mm2；

9.升降工况最大应力-74.5N/mm2。

3.经济、社会效益分析

以一栋30层周长150m高层建筑为例分析外防护脚手架投入成本如下表:

项目 扣件钢管架 扣件钢管爬架 全型钢爬架材料采购费用 185万元 80万元 80万元人工费 40万元 35万元 30万元进出场费 15万元 5万元 5万元合计 240万元 120万元 115万元

由上图可以看出在扣件钢管架的费用最高；两种附着式升降脚手架费用差不多，但全钢爬架在以后多次周转及人工年涨的情况下渐渐会显示出优势。由此可以看出全钢附着式升降脚手架具有较好的经济效益。

全钢附着式升降脚手架安全性好、文明形象好、对进度影响小、技术先进等特点，受到施工单位的热衷选择，其应用带来良好的社会效益。

结语

全钢附着式升降脚手架是在高层传统附着式升降脚手架的基础上研发的升级产品，极大地提升了脚手架施工的安全性。它设计精巧、操作简便、安全可靠、自动化程度高。我们还需继续完善爬架技术在高层建筑工程中的应用，而作为一项新技术它已经成功的应用并值得推广。随着其在现今广泛应用中的专项技术改造、安全设计的研究和实践应用，必然朝向专业化、较为完备的技术性能、良好的适应性、可靠的安全保障、较强的竞争能力，而又有较大的国内市场份额，并有望进入国际市场。