Инновации в автоматизированных строительных лесах и опалубочных системах

Рост автоматизированных лесов и опалубки в современном строительстве

Строительная отрасль уже давно характеризуется ручным трудом, тяжелой техникой и импровизацией на месте. Однако в последнее десятилетие наблюдается значительный сдвиг в сторону автоматизации, особенно в областях лесоводства и опалубки. Эти системы, которые когда-то полностью полагались на квалифицированных рабочих для сборки и настройки временных конструкций, теперь трансформируются робототехникой, сенсорной технологией и цифровой интеграцией. Автоматизированные леса и опалубочные системы являются не просто постепенными улучшениями; они представляют собой фундаментальное изменение в том, как вертикальное строительство планируется, выполняется и безопасно завершается.

По мере того, как строительные проекты становятся все более сложными, а маржа прибыли ужесточается, подрядчики вынуждены сокращать сроки и минимизировать риски. Автоматизированные системы решают как проблемы, уменьшая воздействие опасных задач на человека, так и ускоряя повторяющиеся процессы. Эта эволюция обусловлена достижениями в смежных областях, таких как промышленная робототехника, Интернет вещей (IoT) и информационное моделирование зданий (BIM). Понимание этих систем и их последствий имеет важное значение для профессионалов в области строительства, стремящихся оставаться конкурентоспособными.

Что такое автоматизированные строительные леса и системы опалубки?

Автоматизированные каркасные и опалубочные системы представляют собой интегрированные платформы, использующие робототехнику, датчики и программное обеспечение для частичной или полной замены ручной сборки, настройки и разборки временных опорных конструкций.Раскладные леса обеспечивают доступ для рабочих и материалов, а опалубка формирует и поддерживает свежевылитый бетон до тех пор, пока он не наберет достаточную прочность.Автоматизация в этих областях включает в себя механизацию движения, блокировку и выравнивание компонентов, часто управляемых через центральный компьютер или удаленный интерфейс.

Эти системы отличаются от традиционных ручных систем несколькими ключевыми способами. Автоматизированные домкраты заменяют винтовые домкраты и клинья для регулировки высоты. Линейные приводы и пневматические системы точно позиционируют панели. Датчики обнаруживают нагрузку, угол и выравнивание, подавая данные обратно в блок управления, который может вносить корректировки в режиме реального времени. Результатом является система, которая не только быстрее собирает, но и поддерживает структурную целостность на протяжении всего процесса заливки и отверждения.

Ключевые компоненты

Автоматизация может быть частичной, например, самоподъемные опалубочные системы, которые поднимаются через гидравлические домкраты, или полностью автономные, где роботы размещают и крепят каждый компонент в соответствии с цифровым планом. Уровень автоматизации зависит от масштаба проекта, бюджета и требований безопасности.

Основные технологии автоматизации вождения в лесах и опалубке

Четыре основных технологических области сблизились, чтобы сделать автоматизированные строительные леса и опалубку возможными на коммерческих строительных площадках: робототехника, сенсорные системы, модульный дизайн и цифровая интеграция.

Роботизированная сборка и размещение

Роботы на месте - часто устанавливаемые на козлом или совместные устройства - могут поднимать, позиционировать и крепить трубки каркаса, соединители и опалубочные панели. В отличие от стационарных производственных роботов, строительные роботы должны ориентироваться в неструктурированных средах. Недавние разработки в области компьютерного зрения и мобильных платформ позволяют им делать это эффективно. Например, робот может сканировать местоположение, извлекать правильный компонент из области постановки и помещать его в миллиметровую толерантность. Это уменьшает размер экипажа, необходимый для эрекции и разборки, а также снижает риск травм опорно-двигательного аппарата от повторяющегося подъема.

Корректировка и мониторинг, управляемые датчиком

Сенсорная технология лежит в основе безопасности и точности автоматизированных систем. Наклонные датчики обнаруживают любой сдвиг от вертикального или горизонтального выравнивания. Нагрузка на опалубочные галстуки и балки каркасов измеряется на линейных кодерах. Все эти данные агрегируются программируемым логическим контроллером (PLC) или краевым компьютером, который может регулировать гидравлическое давление или блокирующие механизмы в режиме реального времени. Если датчик обнаруживает, что опалубочная панель провисает за допустимыми пределами, система может автоматически перераспределять поддержку перед бетонными наборами. Это управление замкнутым контуром невозможно в традиционных ручных системах, где корректировки зависят от периодического осмотра.

Модульные и сборные опалубки

Модульные опалубочные системы уже давно используются в строительстве, но автоматизация ушла дальше по модульности. Панели теперь разработаны с интегрированными механизмами блокировки, которые могут быть задействованы роботизированной рукой без вмешательства человека. Сборные модули поставляются на место и собираются в заданной последовательности, руководствуясь RFID-метками или QR-кодами на каждом компоненте. Программное обеспечение автоматизации отслеживает каждую деталь, гарантируя, что ни один компонент не будет неуместным. Это уменьшает отходы и гарантирует, что опалубка точно соответствует модели BIM. Те же модули могут быть повторно использованы в нескольких проектах, обеспечивая как экономические, так и экологические преимущества.

Интеграция с информационным моделированием зданий (BIM)

BIM обеспечивает цифровой двойник здания, в том числе геометрию бетонных элементов и расположение арматуры. Автоматизированные каркасные леса и опалубочные системы могут импортировать эту модель и генерировать оптимальную компоновку поддержки, включая высоту, положение и грузоподъемность каждой опоры и панели. Во время строительства датчики возвращают фактические условия обратно в модель для сравнения. Отклонения могут быть немедленно исправлены. Эта интеграция является краеугольным камнем «цифровой конструкции» и позволяет своевременно доставлять опалубочные компоненты, уменьшая потребности в хранении на месте.

Более подробно о интеграции BIM во временных работах см. обзор процессов BIM в Autodesk .

Основные преимущества для строительных проектов

Переход на автоматизированные каркасы и опалубочные системы обеспечивает ощутимые преимущества в области безопасности, графика, стоимости и качества. Хотя первоначальные инвестиции могут быть высокими, окупаемость инвестиций часто реализуется в виде снижения затрат на рабочую силу, меньшего количества задержек и более низких страховых взносов.

Повышение эффективности безопасности

Падения с высоты и происшедшие с ударом инциденты являются одной из ведущих причин гибели людей в строительстве. Автоматизированные системы сокращают число рабочих, необходимых на высоте во время сборки и разборки. Роботы справляются с тяжелой подъёмной работой, а самоподъёмная опалубка устраняет необходимость в подъемниках кранов на каждой смене. Датчики непрерывно контролируют стабильность конструкции, а тревоги оповещают операторов об опасных условиях. Удаляя персонал из зоны опасности на самых рискованных этапах, компании могут значительно снизить общий регистрируемый уровень инцидентов.

Ускоренные сроки строительства

Скорость является критическим конкурентным преимуществом. Автоматизированная сборка лесов может быть до четырех раз быстрее ручных методов, в зависимости от сложности конструкции. Циклы опалубки бетонных плит могут быть сокращены с дней до часов при использовании гидравлических самоподъемных систем. Такое сжатие графика позволяет быстрее доставлять проект и раньше генерировать доход. В высотном строительстве каждый сэкономленный этаж составляет до недель по всему проекту.

Эффективность затрат за счет сокращения труда и отходов

Затраты на рабочую силу составляют значительную часть любого бюджета на строительство, а квалифицированные строительные леса и опалубки становятся все более дефицитными. Автоматизация уменьшает необходимый размер экипажа, позволяя производить одинаковую продукцию с меньшим количеством персонала. Кроме того, материальные отходы сводятся к минимуму, поскольку компоненты сокращаются и изготавливаются в соответствии с точными размерами, определенными моделью BIM. Существует меньше резания на месте, меньше поврежденных материалов и уменьшенный переупорядоченный. Возможность повторного использования модульных компонентов форм-фактора в нескольких проектах дополнительно распределяет капитальные затраты.

Улучшенная структурная точность

Бетонные конструкции должны соответствовать строгим допускам выравнивания и водопровода. Ручная опалубка подвержена человеческим ошибкам, особенно когда экипажи работают быстро. Автоматизированные системы используют лазеры, датчики и компьютерное управление для позиционирования опорных и опалубочных панелей с повторяемой точностью. Это снижает необходимость в корректирующем шлифовании, заплатке или переделке, что может быть дорогостоящим и трудоемким. Окончательная конструкция с большей вероятностью соответствует спецификациям, что особенно важно для архитектурной бетонной отделки.

Реальные приложения и тематические исследования

Автоматизированные каркасы и опалубочные системы не являются теоретическими.Несколько масштабных проектов по всему миру уже с измеримым успехом реализовали эти технологии.

Самоподъемная опалубка на высотных сердечных стенах

Во многих современных небоскребах бетонное ядро построено с использованием самоподъемных опалубочных систем. Эти системы используют гидравлические домкраты для подъема всей сборки опалубки, включая рабочие платформы и экраны защиты, после того, как каждый пол залит. Процесс полуавтоматизирован: датчики обеспечивают даже подъем, а система управляется с одной панели. Этот метод использовался на зданиях, таких как башня Salesforce в Сан-Франциско и Шанхайская башня, сбрасывая недели от основной конструкции.

Роботизированная эрекция лесов на промышленных заводах

Крупные промышленные строительные проекты, такие как нефтехимические заводы и нефтеперерабатывающие заводы, требуют обширных лесов для обслуживания и строительства. Роботизированные системы лесов, такие как разработанные такими компаниями, как Layher, теперь могут возводить стандартные отсеки лесов без вмешательства человека. Эти роботы могут работать 24/7 в опасных средах, уменьшая воздействие токсичных паров или экстремальных высот. Недавний проект на европейском нефтеперерабатывающем заводе сообщил о сокращении времени установки лесов на 30% и нулевых инцидентов безопасности во время роботизированных операций.

BIM-управляемая форм-форма для сложной геометрии

Новый инженерный центр для крупного немецкого автопроизводителя отличался двухкривой бетонной крышей. Традиционная опалубка потребовала бы тысячи индивидуально вырезанных деревянных панелей. Вместо этого использовалась модульная опалубочная система с регулируемыми приводами. Модель BIM приводила в движение позиции привода для создания точной кривизны, необходимой. На видео видно, как автоматизированная система регулирует высоты поддержки в режиме реального времени при размещении бетона, обеспечивая постоянную толщину и форму. Проект получил инновационную награду за цифровизацию в строительстве.

Для получения дополнительной информации о роботизированных приложениях в строительстве Национальный институт стандартов и технологий (NIST) проводит исследования роботизированных систем для строительства.

Проблемы и соображения

Несмотря на очевидные преимущества, широкое внедрение автоматизированных каркасов и опалубок сталкивается с несколькими барьерами. Это должна понимать любая фирма, рассматривающая инвестиции.

Высокий капитал инвестиции

Автоматизированное оборудование дорого. Самоподъемная опалубочная система может стоить в несколько раз дороже, чем традиционная опалубка. Роботизированные руки и сенсорные сети добавляют дополнительные расходы. Малые и средние подрядчики могут изо всех сил пытаться оправдать первоначальные затраты, особенно если им не хватает стабильного трубопровода проектов, которые могут извлечь выгоду из специализации. лизинг и модели оборудования как услуги появляются для решения этой проблемы, но они еще не универсальны.

Требования квалифицированного оператора

В то время как автоматизированные системы сокращают число ручных рабочих, они требуют операторов, которые разбираются в робототехнике, программном обеспечении и системах управления. Строительные фирмы должны либо обучать существующий персонал, либо нанимать новых талантов с электронными или мехатрониками фонов. Существует крутая кривая обучения, а ошибки во время установки могут привести к повреждению оборудования или проблемам безопасности. В настоящее время отрасль сталкивается с нехваткой таких двухквалифицированных работников.

Условия сайта и совместимость

Строительные площадки, как известно, являются переменными. Грязь, мусор, погода и плотные пространства могут препятствовать автоматизированному оборудованию. Датчики могут давать ложные показания при высокой пыли или экстремальных температурах. Совместимость между системами разных поставщиков часто ограничена, что затрудняет интеграцию автоматизации от одного поставщика с программным обеспечением BIM или инструментами управления проектами от другого. Усилия по стандартизации, такие как работа строительных стандартов OSHA, все еще развиваются, чтобы покрыть автоматизированные временные работы.

Правила безопасности Неопределенность

Большинство правил безопасности для строительных лесов и опалубки были написаны для ручных систем. Когда робот собирает каркас, кто отвечает за его безопасность? Как инспектор безопасности проверяет, что задействованы автоматические замки? Эти вопросы все еще обсуждаются. Некоторые юрисдикции требуют компетентного человека для проверки системы вручную после роботизированной сборки, что снижает экономию времени. До тех пор, пока стандарты не будут обновлены, ранние пользователи должны тесно сотрудничать с местными органами власти.

Интеграция с цифровыми строительными экосистемами

Автоматизированные каркасы и опалубочные системы не работают изолированно. Они являются частью более широкой экосистемы цифрового строительства, включающей BIM, IoT, платформы управления проектами и программное обеспечение цепочки поставок. Наиболее эффективные реализации рассматривают временные работы как динамический элемент цифрового двойника, а не как отдельную последующую мысль.

Обратная связь данных в реальном времени

Датчики на автоматизированном шарнире и опалубке могут передавать данные в облако, где алгоритмы оценивают здоровье структуры и прогнозируют потенциальные сбои. Это похоже на структурный мониторинг здоровья, но применяется к временным работам. Если реквизит начинает перегружаться, система может отправить предупреждение на планшет менеджера сайта и автоматически настроить поддержку от резервного привода. Такой проактивный подход резко снижает риск обрушения при бетонном размещении.

Синхронизация цепей поставок

Поскольку автоматизированные системы требуют точной своевременной доставки модулей и компонентов, они выигрывают от интеграции с системами цепочки поставок «точно в срок». Модель BIM может генерировать график доставки для каждого раздела опалубки. Когда система самоподъема перемещается на следующий этаж, программное обеспечение автоматически заказывает следующий набор арматуры и бетона. Это сокращает время простоя и предотвращает дорогостоящее накопление материала.

Будущее автоматизированных строительных лесов и опалубки

Заглядывая вперед, траектория указывает на большую автономию и интеллект. Исследования ведутся на полностью автономных строительных роботах, которые могут доехать до места, перейти на правильный пол и выполнять все задачи по сборке каркасов без человеческого надзора. Эти роботы будут использовать одновременную локализацию и картографирование (SLAM), чтобы ориентироваться в структуре здания.

Ожидается, что адаптация на основе ИИ станет более распространенной. Алгоритмы машинного обучения могут анализировать данные сотен более ранних заливок, чтобы предложить оптимальные конфигурации опалубки для сложных геометрий. Они также могут предсказать, как бетон будет течь и оказывать давление, позволяя динамическую настройку опалубки во время заливки. Этот уровень управления может практически устранить поверхностные дефекты и сотрясение.

Еще одним перспективным направлением является использование дополненной реальности (AR) для работников, которые контролируют автоматизированные системы. Наушники AR могут накладывать данные датчиков и руководство на физический мир, показывая, где должен быть размещен следующий компонент или предупреждая о смещении. Это сочетает человеческую интуицию с точностью машины.

Наконец, стремление к устойчивости будет стимулировать дальнейшую автоматизацию. Автоматизированные системы уменьшают отходы материалов и позволяют более эффективно повторно использовать компоненты. Системы самоподъема используют меньше времени крана, снижая потребление энергии. В будущем мы можем увидеть опалубку, изготовленную из переработанных материалов, которые собираются роботизированно, а затем полностью разбираются для повторного использования - замыкание петли материала.

Пример передовых исследований можно найти в ETH Zurich Construction Robotics Lab, которая разрабатывает на месте системы изготовления бетонных конструкций.

Вывод: Подготовка к автоматизированной строительной площадке

Автоматизированные строительные леса и опалубочные системы больше не являются футуристической концепцией - они развертываются сегодня в проектах с измеримым ростом безопасности, скорости и качества. Для строительных фирм ключ заключается в том, чтобы начать с малого: пилотировать самоподъемную опалубочную систему на одной башне или арендовать роботизированный эректор леса для проекта технического обслуживания. По мере роста опыта интеграция с BIM и IoT может углубиться, что приведет к полностью цифровым рабочим процессам.

Отрасль находится на переломном этапе. Подрядчики, которые инвестируют в эти технологии и развивают необходимые навыки, будут лучше подготовлены к решению сложных проектов, нехватки рабочей силы и сложных графиков. Те, кто задерживается, могут оказаться в невыгодном положении, поскольку владельцы проектов все чаще требуют доказательств инноваций и эффективности безопасности. Автоматизация в строительных лесах и опалубках - это не просто инновация; это необходимая эволюция для более безопасной, быстрой и эффективной строительной отрасли.