1        Giới thiệu

Kết cấu thép cao tầng thường được xây dựng bằng cần cẩu tháp. Tuy nhiên phương pháp này rất dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết, chất lượng và tiến độ công việc do đó cũng bị chi phối theo một cách khách quan không quản lý được. Nhu cầu làm việc ở mức cao là một vấn đề khác, và sự lão hóa của công nhân xây dựng và sự thiếu hụt công nhân lành nghề đang làm cho các vấn đề trở nên trầm trọng hơn. Hệ thống xây dựng tòa nhà tự động (ABCS) là một hệ thống xây dựng mới được phát triển để giải quyết những vấn đề này, đồng thời tăng năng suất. ABCS sử dụng một hệ thống lắp dựng để lắp đặt các thành viên thép, các tấm bên ngoài, v.v., khác với hệ thống cần trục tháp thông thường, cung cấp một không gian làm việc được bảo vệ khỏi các yếu tố bằng vỏ. ABCS cũng kết hợp các công nghệ thông tin và tự động hóa tích hợp khác nhau. Năm 1993, ABCS đã được sử dụng lần đầu tiên để xây dựng một tòa nhà cao tầng (10 tầng trên mặt đất). Bài viết này báo cáo về việc áp dụng ABCS cho một tòa nhà cao tầng có khung thép được xây dựng gần đây[1]

Địa điểm xây dựng thường phải nằm trong khuôn viên rộng, có đủ diện tích để các trang thiết bị di chuyển. Tòa nhà sau khi xây dựng xong bao gồm một phần cao tầng (phần khối cao tầng), một phần thấp tầng, một phần âm dưới mặt đất (phần hầm)[2] và một mặt bằng nhân tạo. Một tầng trên điển hình, bao gồm các ô lưới 9 × 9[3], có không gian văn phòng được kẹp bởi các lõi, cộng với cấp độ tương ứng của tháp thang máy. ABCS được áp dụng cho tất cả các tầng điển hình[4] của phần cao tầng (không bao gồm tháp thang máy).

2        Tổng quan về hệ thống xây dựng tự động

Các thành phần chính của ABCS là một cấu trúc bao quanh không gian làm việc và hệ thống phân phối song song. Cấu trúc bao quanh không gian làm việc, được gọi là "SCF" (Super Construction Factory), bao gồm một mái nhà và các bức tường xung quanh và được hỗ trợ bởi các cột được dựng lên trên đỉnh của thép được dựng lên như một phần của khung tòa nhà. Có thể hiểu như một hệ khung nhà được dựng lên, phục vụ cho việc xây dựng để thích ứng với các điều kiện mưa nắng của thời tiết. Tránh ảnh hưởng tối đa tới tiến độ chung của toàn công trình như phương pháp xây dựng thủ công cổ điển

Hệ thống phân phối song song/ hệ thống giao thông bao gồm đường ray di chuyển, xe tải hàng, xe nâng, thang máy vật liệu và cần cẩu di chuyển trên cao[5] Hình 1 Hệ thống nâng trục đứng. Các thiết bị này thực hiện vận chuyển ngang từ nhà kho đến thang máy, vận chuyển dọc lên tầng mà công việc xây dựng đang được thực hiện (sàn xây dựng)[6] và vận chuyển ngang trên sàn xây dựng, tương ứng. Công việc khung xây dựng và công việc bên ngoài có thể được thực hiện trong SCF, bất kể điều kiện thời tiết. Khi việc xây dựng một tầng đã hoàn thành, các cơ chế leo[7] được xây dựng trong các cột hỗ trợ nâng SCF lên cấp độ tiếp theo[8]. Việc xây dựng tòa nhà tiến hành bằng cách lặp lại các bước này.


3        Hệ thống SCF

SCF có kích thước a m (W) × b m (L) × c m (H) Tùy thuộc vào độ lớn của công trình, hệ thống này sẽ bao bọc bao quanh công trình, tạo thành một hệ thống tương tự như bao che, cũng như không gian thao tác/ làm việc cho công nhân, cũng bao gồm các cơ chế nâng theo trục đúng, cần cẩu SCF, v.v., khoảng >2000 tấn. Mái nhà và các bức tường, được phủ bằng tấm thời tiết[9], tạo thành một không gian làm việc trong mọi thời tiết. Khung của SCF bao gồm phần lớn những gì sẽ trở thành tầng trên cùng của tòa nhà; ở giai đoạn xây dựng cuối cùng, cấu trúc chính của SCF được hạ xuống để trở thành một phần của tòa nhà (Hình 2 Mô phỏng tiến độ xây dựng bằng phương pháp ABCS). Kể từ khi SCF được áp dụng cho tầng điển hình đầu tiên trở lên, SCF đã được lắp ráp ở các tầng này

Các cột hỗ trợ (hỗ trợ nâng theo trục đứng) được dựng lên trên các cột thép của tòa nhà xuyên qua khung SCF và phần trên cùng của mỗi cột được trang bị cơ chế nâng. Lúc hoàn thành việc xây dựng tòa nhà, đây sẽ là một phần của bộ khung kết cấu. Sử dụng tời cho công việc bên ngoài. Hỗ trợ trục đứng Palăng cho công việc bên ngoài (Tháp thang máy) Cột hỗ trợ SC F Cầu trục SCF Cầu trục Jib Nâng vật liệu Nâng hạ vật liệu ABCS bắt đầu (tầng 7) mà ABCS được áp dụng. Tuy nhiên, đối với dự án được báo cáo ở đây, các bước nâng đã được cải thiện để số lượng cơ chế leo núi đã giảm đi một nửa. Bản thân cơ chế nâng/ vận chuyển theo trục đứng cũng đã được sửa đổi từ hệ thống giá đỡ và bánh răng sang hệ thống giắc khóa để làm cho cơ cấu nhỏ gọn và do đó giảm tải tác động lên SCF.

Thang máy được sử dụng để nâng các thành viên thép, tấm bê tông đúc sẵn, vv, từ tầng một đến tầng xây dựng. Thông thường, hai thang máy tốc độ cao tải trọng với tốc độ tải đầy đủ định mức 70 m / phút sẽ được lắp đặt trong tòa nhà. Một cần trục jib đã được cài đặt trên SCF. Cần trục jib được sử dụng để tháo rời phần tạm thời của SCF, nâng các tấm bên ngoài và lắp dựng khung thép của tháp thang máy.

Các tấm bê tông đúc sẵn và các tấm nhôm được sử dụng cho mặt ngoài.

Các tấm bê tông đúc sẵn lớn theo hướng dầm được lắp đặt với các cần trục chuyên dụng được lắp đặt dọc theo chu vi của tòa nhà.

Palăng được sử dụng theo cặp đồng bộ (công suất định mức 4,8 t × 2).

4        Hệ thống quản lý tích hợp ABCS

Bao gồm ba hệ thống con

Hệ thống quản lý sản xuất

Hệ thống quản lý vận hành thiết bị

Hệ thống điều khiển máy.

Hệ thống quản lý sản xuất chuyển đổi dữ liệu CAD thiết kế thành các mô hình xây dựng và thực hiện lập kế hoạch và quản lý hiệu suất của việc phân phối và lắp đặt vật liệu. Trong quản lý hiệu suất, thông tin nhận được từ hệ thống vận hành thiết bị đã được sử dụng để hiển thị tiến trình công việc theo ba chiều trên màn hình máy tính.

Hệ thống quản lý vận hành thiết bị là một hệ thống hỗ trợ hoạt động tự động của cần cẩu SCF. Dữ liệu vận hành tự động đã được chuẩn bị trước trên cơ sở lịch trình được sản xuất trên hệ thống quản lý sản xuất. Các thành viên cấu trúc được xác định bằng cách quét mã vạch được gắn vào từng thành viên và được tự động vận chuyển đến các vị trí được chỉ định theo dữ liệu vận hành. Trạng thái vận hành được hiển thị trong thời gian thực để có thể theo dõi trạng thái hoạt động của nhiều cần cẩu trên máy tính cá nhân trong phòng điều khiển trung tâm.

Hệ thống điều khiển máy là một hệ thống điều khiển các hoạt động của hệ thống leo núi. Các hoạt động leo trèo của SCF được điều khiển từ bảng điều khiển được cài đặt trong phòng điều khiển trung tâm.

5        Ứng dụng của abcs và thảo luận

Các yêu cầu lao động đơn vị cho ABCS đã đạt được bằng cách tổng hợp dữ liệu được hiển thị trong các báo cáo hàng ngày được gửi trong khung công trình, khi việc xây dựng đang diễn ra đều đặn và bằng cách loại bỏ các bất thường. Các loại công việc mà các yêu cầu lao động đơn vị đã được tính toán là công việc khung xây dựng (thép, tấm bê tông đúc sẵn, thanh cốt thép, bê tông), công việc bên ngoài (PCCW, tấm nhôm, kính, caulking) và công việc tạm thời liên quan. Các yêu cầu lao động đơn vị của xây dựng thông thường được ước tính từ các hồ sơ công việc được thực hiện theo phương pháp xây dựng thông thường. Yêu cầu lao động đơn vị cho việc xây dựng dựa trên ABCS là 61% so với yêu cầu xây dựng thông thường. Kết quả này có thể được quy cho các yếu tố như sử dụng hệ thống vận chuyển đa phương thức hiệu quả, tấm sàn đúc sẵn và công nhân đa năng (công nhân xây dựng có khả năng làm việc trong nhiều lĩnh vực chuyên môn).

Hệ thống quản lý sản xuất lưu trữ thông tin về thời gian cần thiết để vận chuyển các loại vật liệu khác nhau bằng cần cẩu SCF. Giảm thời gian vận chuyển có thể được hiểu là giảm thời gian làm việc do hiệu quả học tập. Do đó, theo dữ liệu tích lũy, thời gian cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ tương tự trở nên ngắn hơn 10% trong khoảng thời gian giữa lúc bắt đầu và kết thúc hoạt động ABCS, cho thấy hiệu quả học tập đáng kể. Phương pháp thông thường (dự án thứ 2) Phương pháp thông thường (dự án thứ nhất) ABCS (dự án thứ 2) ABCS (dự án thứ 1) HTB lắp dựng thép, công tác sàn Thiết bị an toàn cho công trình tạm thời, vv Công việc bên ngoài Đánh dấu đóng gói (mỗi tầng) Công việc liên quan đến ABCS Hình 4 So sánh yêu cầu lao động đơn vị trên mỗi diện tích sàn

Vấn đề an toàn lao động

Trong ABCS, các tấm sàn được lắp đặt vào cuối mỗi chu kỳ xây dựng sàn. Hầu hết các tấm sàn được sử dụng trong dự án được báo cáo trong bài báo này là "tấm bê tông đúc sẵn một nửa". Các tấm bê tông đúc sẵn một nửa được sử dụng trong dự án là những tấm có đỉnh bằng phẳng (nghĩa là không có bất kỳ dự đoán nào như thanh giàn hoặc nhà tranh) và có thể được sử dụng như một nền tảng làm việc ngay khi chúng được lắp đặt. Vì một nền tảng làm việc vững chắc luôn có sẵn, nên các nền tảng làm việc kiểu kéo cắt kéo được sử dụng để siết chặt bu lông cuối cùng và các công việc khác cần được thực hiện ở mức độ cao. Điều này làm giảm nhu cầu về giàn giáo và thiết bị an toàn, rất cần thiết cho công việc ở mức độ cao trong xây dựng thông thường, và giảm đáng kể công việc trên giàn giáo và vật liệu không ổn định cho các công trình tạm thời. Môi trường làm việc trong đó công nhân có thể lắp đặt các vật liệu đối diện bên ngoài bên trong bức tường bao quanh tòa nhà cho phép họ cảm thấy an toàn. Các thành viên thép và tấm bê tông đúc sẵn được lắp đặt với cần cẩu SCF. Khi các nhà khai thác cần cẩu có thể vận hành cần cẩu trong vùng lân cận gần các vị trí lắp đặt, họ có thể hợp tác chặt chẽ với các công nhân lắp đặt. Phương pháp này là vượt trội, về độ chính xác và an toàn, đối với phương pháp cần trục tháp trong đó các hướng dẫn được gửi đến người vận hành cần trục tháp bằng radio. (Hình 3 siết ốc và chêm thép khung thép)

 

Hình 3 siết ốc và chêm thép khung thép

Sau khi hoàn thành việc xây dựng ABCS, một cuộc điều tra câu hỏi về một số công nhân xây dựng có liên quan đã được tiến hành. Tổng cộng có 120 công nhân thuộc các loại công việc khác nhau, bao gồm công nhân đa kỹ năng, thợ dựng giàn giáo, thợ rèn, người tham gia, thợ tráng men, công nhân kim loại và công nhân thiết bị, đã được khảo sát. Xếp hạng của người trả lời cho các câu hỏi liên quan đến sự cần thiết của mái nhà, cải thiện hiệu quả công việc, giảm ánh sáng chói lóa, "v.v., trung bình 1.9 đến 2.2 (số nhỏ hơn cho thấy thái độ tích cực hơn) trên thang điểm 5.0. Điều này cho thấy rằng các công nhân đã trình bày tóm tắt một phần kết quả câu hỏi liên quan đến công việc khung tòa nhà. Các câu trả lời từ các công nhân liên quan đến hoàn thiện cho thấy xu hướng tương tự. hầu hết có ý kiến tích cực về ảnh hưởng của mái nhà tạm thời do SCF cung cấp.

Trong dự án được báo cáo trong bài báo này, hoạt động của cần cẩu SCF và hàn cột thép bằng robot hàn được tự động hóa. Hoạt động của cần cẩu SCF không hoàn toàn tự động; thay vào đó, các hoạt động của chúng bao gồm các hoạt động tự động đến một điểm nhất định gần vị trí đã chỉ định và các thao tác thủ công để di chuyển cần trục từ vị trí đó đến vị trí đã chỉ định. Phương pháp này đã được áp dụng theo quan điểm của bài học rút ra từ dự án cuối cùng rằng phương pháp này không hiệu quả lắm. Cách tiếp cận được áp dụng lần này đã đạt được mục tiêu giảm chi phí. Tuy nhiên, hoạt động tự động được thông qua cho vận chuyển và lắp dựng, hóa ra là chậm hơn so với hoạt động thủ công; những lợi thế của việc sử dụng kết hợp các hoạt động thủ công và tự động đã không được sử dụng đầy đủ. Có một số robot hàn có sẵn trên thị trường được thiết kế để sử dụng tại các công trường xây dựng. Vẫn còn nhiều vấn đề với Sáng? Quá sáng? Bụi bặm? Quá ấm? Cảm giác ngột ngạt? Mệt mỏi? Môi trường làm việc trong ngày mưa? Làm mất tinh thần? Khó nghỉ ngày nào? Có hại cho sức khỏe? Mái nhà không cần thiết? Dễ làm việc? Xếp hạng (xếp hạng cao hơn cho thấy ý kiến ​​tiêu cực)

Ứng dụng thực tế đầu tiên của ABCS là xây dựng riêng của Obayashi và ít nhiều mang tính chất nghiên cứu và phát triển. Ứng dụng thứ hai, là dự án được báo cáo trong bài báo này, phải có giá tương đương với phương pháp xây dựng thông thường. Do một loạt các công nghệ nguyên tố cho tự động hóa đã được phát triển, người ta đã chú ý đến hiệu quả chi phí và một nỗ lực đã được thực hiện để áp dụng các công nghệ tự động hóa vào hoạt động của cần cẩu SCF và hàn cột của robot. Tuy nhiên, các công nghệ hiện tại chưa đạt đến mức có thể thay thế hoàn toàn các thao tác của thợ thủ công truyền thống, robot hàn chưa thể thay thế cho thợ hàn, mà chỉ là có một ứng dụng nhỏ trong công tác hỗ trợ.

Trong tương lai có thể ABCS có thể thay thế hoàn toàn con người, tuy nhiên để đạt đến được cấp độ đó còn cần rất nhiều phát triển, đặc biệt là so với trình độ khoa học kỹ thuật hiện nay.

Bởi vì các cột hỗ trợ của SCF sẽ được dựng lên trên các cột thép của tòa nhà và vì cấu hình của SCF, cần cẩu SCF và thang máy vật liệu cần phải được điều chỉnh phù hợp với tòa nhà, các tòa nhà mà ABCS có thể được áp dụng bị giới hạn ở một số nhất định mức độ, ít nhất là ở hiện tại. Tuy nhiên, để giảm chi phí cho ABCS, cần phải tăng số lượng tòa nhà có thể áp dụng một bộ thiết bị ABCS. Lý tưởng là tích hợp thiết kế và xây dựng từ giai đoạn đầu của thiết kế[10], nhưng, ngay cả khi không thể, cần nỗ lực cải thiện hệ thống để có thể áp dụng một cách linh hoạt.

Trong khi mái của SCF được xây dựng, các hoạt động xây dựng ngay bên dưới cần phải bị đình chỉ, mặc dù điều này được cho là một vấn đề phổ biến đối với tất cả các hệ thống xây dựng trong mọi thời tiết sử dụng cấu trúc mái kết hợp với thiết bị vận chuyển. Khi mái nhà đã được hoàn thành, phần còn lại của công việc xây dựng tiến hành với tốc độ nhanh. Do đó, chìa khóa để thực hiện thành công ABCS là rút ngắn thời gian cần thiết cho việc xây dựng mái nhà. Vì SCF được tháo rời khi tòa nhà đang xây dựng đã đạt đến độ cao tối đa, việc đảm bảo an toàn trong quá trình tháo gỡ cũng rất quan trọng. Cấu trúc của SCF hiện đang được xem xét để cải thiện hiệu quả công việc trong quá trình lắp ráp và tháo gỡ.

Bằng cách xây dựng một tòa nhà thân thiện với môi trường bằng một phương pháp thân thiện với môi trường, thái độ của chủ sở hữu đối với môi trường có thể được thể hiện với xã hội. Một trong những lý do mà ABCS đã được thông qua cho dự án được báo cáo trong bài viết này là vì sự thân thiện với môi trường của ABCS được chủ sở hữu đánh giá cao. Tác động môi trường đang được coi là một chỉ số ngày càng quan trọng để đánh giá các kỹ thuật xây dựng. Do đó, những nỗ lực không chỉ để giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường làm việc và môi trường xung quanh mà còn cải thiện các phương pháp xây dựng, xem xét sự thân thiện với môi trường sẽ dẫn đến nâng cao chất lượng của các phương pháp xây dựng.

6        Kết luận

Năm 1989, khi khái niệm ABCS được công bố, sự thiếu hụt công nhân xây dựng, đặc biệt là những người có kỹ năng và sự lão hóa của xã hội là những vấn đề nghiêm trọng. Trong 10 năm sau đó, môi trường xung quanh ngành xây dựng đã thay đổi đáng kể, nhưng các vấn đề liên quan đến năng suất và môi trường làm việc vẫn chưa được giải quyết. Vì những vấn đề này không thể được giải quyết trong một khoảng thời gian ngắn, nên cần có nỗ lực nhất quán dựa trên quan điểm tầm xa, bao gồm cả việc phát triển các công nghệ liên quan.



[1] Tầng cao:  tầng

[2] Phần hầm là phần bắt buộc đối với nhà cao tầng, về mặt kết cấu được xem như đối trọng (phần móng), về công năng sử dụng: nhiều mục đích

[3] Đơn vị: mét, trong nhiều trường hợp, ô lưới (cột) có thể thay đổi

[4] Các tầng có chung mục đích sử dụng, thông thường, mặt bằng bố trí sẽ giống nhau, chỉ khác độ cao tầng

[5] Hệ thống nâng hộ trợ được chia làm hai phương, phương ngang và phương đứng, phương ngang là các hệ thống ray, trượt, cẩu hổ trợ, phương dọc bao gồm thang nâng, trục nâng, cẩu nâng. Tùy vào điều kiện công việc mà sử dụng cho hợp lý

[6] Sàn xây dựng có thể hiểu là sàn thao tác, hoặc sàn mặt bằng đang thao tác.

[7] Cơ chế nâng/ giao thông theo trục đứng

[8] Xây dựng gối đầu

[9] Tấm lót ốp cách nhiệt hoặc tạo điều kiện tối đa trong môi trường làm việc

[10] Như đã đề cập ở trên, lúc hoàn thành công tác ABCS, hệ trụ đỡ sẽ trở thành hệ khung kết cấu của công trình, do đó nếu tích hợp được công tác này từ bước thiết kế sẽ có được cái nhìn tổng quan hơn của công tác và có những kế hoạch chuẩn bị.