可供个人独立操作的新型石材幕墙面板装拆工具研制与应用

高来先 钟应杰 赖婕妤

广东创成建设监理咨询有限公司 广东 广州 510000

1 幕墙安装施工概述

第四次全国经济普查数据显示，2013年到2018年期间，全国建筑业企业生产能力显著提升，生产规模快速增长，承接工作量稳步提高，行业实力明显提升，全国建筑业总产值迈上20万亿元大关[1]。伴随着建筑业的快速发展，建造技术与大众审美也不断提升，同时具备完善建筑功能与外部装饰美化两大作用的幕墙，在当前诸多超高层建筑中被广泛应用

1.1 幕墙材质的分类及特征

幕墙材质大致分为三类[2]：第一类是玻璃幕墙；第二类是金属板幕墙；第三类是非金属幕墙，这类幕墙大多采用石材、水泥、陶瓷等作为材质，其劣势在于重量大，其优点在于在防雷、防火、防风、防雨、隔音、节能等方面都有着不错的表现，尤其是在装饰效果上表现突出，优于其他材质的幕墙材料，因此石材幕墙仍是现今市场的主流幕墙材质。石材幕墙由石板和支承结构（铝横梁立柱、钢结构、玻璃肋等等）组成。其中干挂式石材幕墙安全可靠度较高，现阶段幕墙多采用干挂式安装。

1.2 石材幕墙安装施工现状

目前，建筑石材幕墙安装施工还主要依靠工人徒手完成，而且大多数建筑幕墙的安装都属于高空作业，需要搭设脚手架或借助高空吊篮完成安装，这不仅加大了施工难度与施工人员劳动强度，并且容易发生伤亡事故[3]。利用传统的作业方式在安装质量较大的石材幕墙面板时，需要多名工人合作搬运板材到龙骨上，再合力完成幕墙的定位安装，效率较低。幕墙安装高度的提高以及更为大型复杂的幕墙系统设计导致施工安装难度加大，对施工人员的技术水平要求更高，对施工安全风险的把控也提出了挑战。

近年来，随着施工机械化的迅猛发展，基于建筑工程的施工需求，施工机具在建筑装饰业中被广泛使用，不仅提高装饰施工的整体质量水平，对于提升我国工业化发展也颇有助益。施工机械化必将在促进复杂的建筑施工自动化过程中发挥重要作用。

1.3 传统石材幕墙安装施工难点

通过对施工现场幕墙作业人员的调研及对幕墙工程施工经验的分析总结，在排除前期作业影响及保证面板安装的精确度的前提下，传统的人工徒手安装施工工艺存在如下技术难点：一是石材自重大，单人或双人难以操作，不便于安装与拆除；二是石材间缝隙小，不满足人工手动安装与拆除时手部伸入操作，阻碍石材幕墙安装、返修进度；三是安装过程中稳定性、安全性不足；四是安装的精确度、水平度垂直度平整度控制难度大。

2 石材幕墙面板装拆工具的研制

为了解决传统石材幕墙面板安装作业所面临问题进而实现石材面板装拆的高效率安全操作，结合当前研制思路，破解得出的研发难点，满足工具的技术要点需求，提出利用计算机建模软件先进行工具模型的设想，后通过工具受力分析软件进行静应力、安全系数分析、选材，接着制作成品试用，出检查结果（详见图1）。

图1 研制流程图

2.1 研制思路

传统的玻璃幕墙安装过程中使用的吸盘式手持安装工具能够有效提升幕墙安装的便利性，节省人力，便于操作。由于大部分石材幕墙的面板材料为有纹理的、经过处理的粗糙表面，仅利用吸盘式安装工具显然是不可行的。通过借鉴日常生活中常见的卡扣式手机支架设计原理，两者加以结合研制出一种石材幕墙面板装拆工具，可以很好地对石材面板进行固定，提高施工人员安装的稳定性、安全性。

2.2 研制技术要点

在符合规范要求的条件下，为满足“保证石材面板安装质量，提升石材幕墙面板装拆效率”的需求，同时考虑设备实用性、市场推广等因素，装拆工具需满足以下要点：第一是方便携带，操作简易，以垂直运输装置结合使用为主，手持使用为辅，能够满足个人独立操作；第二是工具所用材料刚性强，承受50kg重量的石材时安全系数达1.5以上；第三是满足不同尺寸的石材面板；第四是能够有效固定石材面板；第五是抓臂卡扣能有效伸入石材间缝隙进行石材面板拆装作业。

2.3 研制方案分析对比

通过借鉴思路中玻璃幕墙吸盘式手持安装工具和卡扣式手机支架的技术特点，利用有限元分析软件进行工具模型设想，相对于分体式设计，整体式工具为一个单体，对于卡扣石材面板具有很好的稳固作用，而且可以安装水平仪等附件，可行性更高。整体式工具主要由主体连接板、抓臂、把手组成。

由于石材幕墙面板自身质量较大，为了满足现场大部分施工人员的安装需求，通过对作业人员举重量的调查分析，工具质量宜≤5kg。

石材幕墙面板装拆工具抓臂分为横臂和竖臂，而抓臂又可以使用旋转式或固定式。由于此两部分受力情况不一样，竖臂几乎受到来自石材的全部重量，而横臂在安装过程中受到石材的重量相对极小，经过对比分析，发现固定装置部分采用“横臂+旋转式挡条、竖臂+固定式”挡条的方案更优（详见表1）。

表1 石材幕墙面板装拆工具固定装置分析对比

工具的伸缩方式存在嵌入式与穿入式两种。经过对比分析，发现抓臂伸缩方式部分采用“横臂+嵌入式、竖臂+穿入式”的方案更优（详见表2）。

表2 石材幕墙面板装拆工具伸缩方式分析对比

通过用作工具设备的常用材料金属、塑料、橡胶、石材、木材、陶瓷各种材料的对比分析，金属大部分为塑性材料，耐久性好，不易老化，弹性模量较大，满足石材幕墙面板装拆工具的材质要求。利用有限元分析软件对不同材质的工具模型（包括固定装置和伸缩方式）进行受力分析计算。为了满足承受50kg重量的石材时，最小安全系数达1.5以上的材质要求，最终选取4032铝合金作为工具制作的原材料。

在确定了4032铝合金作为选材后，根据选材与正常人托举重量，对4032铝合金整体式石材幕墙面板装拆工具进行模型测算。通过分析最终得到工具可伸缩范围：长0.25～1.00m，宽0.30～0.90m。

2.4 工具使用方法

依据3.3节方案比选后最终确定工具研制方案，制作出石材幕墙面板装拆工具模型及样机。该工具可结合垂直运输装置如电葫芦进行使用，通过工具主体连接板上的固定环与垂直运输装置进行连接，利用工具可伸缩抓臂来对石材面板进行卡扣固定，然后借助垂直运输机对石材面板进行提升安装到幕墙龙骨上，最后通过工具把手及水平仪对石材面板进行调整、紧固。若在无垂直运输机或者无法使用垂直运输机的极端条件下，施工人员也可以通过工具把手进行手持操作，有效解决搬动石材面板时无处借力的情况。

3 应用及展望

整体式手持石材幕墙面板装拆工具研制后即投入到公司所参与建设的幕墙工程中进行使用，使用发现操作性强、稳定性高、安装精确度提高。通过现场反馈，工具适用范围内的石材面板，基本可以实现个人独立操作。同时，在整体式手持石材幕墙面板装拆工具投入使用过程中，返工率较同项目其他施工方案降低了41%，且提高了整改效率，未出现质量安全事故，整体施工过程安全可控。

2021年，石材幕墙面板装拆工具共制作样机10台，在公司参与建设的幕墙工程中进行试验验证，效果良好。石材幕墙面板装拆工具的研制应用，有效满足现阶段工程高质量高效率的要求，且安全系数提高，加快了总体工程进展和提升客户满意度，具有广阔的推广前景。