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陆媒:为什么只有中国可以做到“4天造一层楼”?(图)

新闻来源: 酷玩实验室 于2020-11-22 9:01:08  提示:新闻观点不代表本网立场



11月中旬,巴西搞了一个大项目,要在巴西萨尔瓦多市的海湾入海口建设一座长达12千米的桥梁。

这将是拉丁美洲有史以来最长的水上桥梁,耗资约80亿元。

这样大工程的具体实施,自然交给了“基建狂魔”中国。



这几年,一提到基建,一般想到的都是建高铁、挖地铁、修公路,但有一个东西总是被忽略。那就是盖楼。

或许,是太过于习以为常,当成了传统手艺……

众所周知,中国这些年的高楼却越来越密集,且建造速度越来越快,尤其是摩天大楼。全球150米以上的大楼,1/3在中国。200米以上的,60%在中国。

在超高摩天楼方面,中国也不甘示弱。

从450米的苏州国际金融中心,到492米的上海环球金融中心,到高528米的北京中国尊,再到高592米的深圳平安金融中心,几乎每年都在刷新记录。



那么我就好奇,动辄几百米的大楼,中国都是怎么建的?

对地理比较了解的朋友们知道,在百米以上的高空,气象环境和地面截然不同,风力通常要比地面大。地面上刮3级风的时候,高楼上的工地已经刮起了8级大风。

在这种风力之下,摩天大楼的横向摇摆幅度可达一米。施工平台还要随着高度的变化而不断上移,大楼上的建筑工人在这种恶劣的环境下还要保持平稳有序的施工,就要依靠一种神器。

如果关注了今年11月初的进博会,就应该在猛男必看的展区见过它——

空中造楼机。



这是一个自重2000吨,足有5层楼高的巨型机器,从上方看像一个“金钟罩”一样把工地罩在下面。

它能让建筑施工在千米高空如履平地,在8级大风中平稳进行。而且每建好一层楼,它就跟着向上爬高一层,速度最快时,5天就能盖好一层楼。

相比起传统的自动液压爬模,它不依附于建筑墙体,可以在多座建筑中反复拆装使用,使用寿命达10年以上,如同一座“移动的造楼工厂”。



但“空中造楼机”并不是中国原创,而是最早发明于欧美。

当中国开始大范围使用这项技术时,欧美的造楼机已经更新到了第二代。那时,中国落后于世界先进水平。

直到2010年,随着建筑越来越高,二代造楼机的不足日渐显现:整体抗侧刚度不足、承载力到了极限、造楼周期过长、塔机之间配合过于复杂、电梯的安装成本过高......

这时德国、美国和日本的工程师都在暗暗较劲、争分夺秒。谁能早一步开发出承载力更大的造楼机,谁就能在建造摩天大楼的成本上占得先机。

但谁也没想到,在全世界的技术进入瓶颈期时,中国靠着一项项关键技术实现了反超。

01

李迪是中建三局工程技术研究院超高层所的负责人,2011年11月,他刚到技术中心就职时,就接到了一份非常棘手的任务——

设计微凸支点。

什么是微凸支点?它是楼体表面一层3公分厚的凸起,表面有像搓衣板一样的沟槽,能和造楼机紧紧咬合在一起。



这意思就是,要让造楼机像蜘蛛侠一样,贴着外墙爬上去。

在此之前,造楼机采用的是模块化低位顶升钢平台模架体系。就是通过一节节不断加长柱腿,把造楼机顶上去。



但当李迪刚接手时,发现这些支点也就是几公分厚的素混凝土,里面连一根钢筋也没有,“小女孩子拿着锤子敲几下就可以把它敲碎” 。在这种情况下要承载上千吨的施工装备和设施,几乎是不可能。

正当李迪一筹莫展时,公司接到一个大型超高层项目——438米的武汉中心工程。这栋建筑不仅将成为武汉第一高楼,也将成为华中第一高楼,是一次千载难逢的机会。

为了赶在项目之前研发出这项关键技术,李迪每天七点起床上班,一两点下班,在单位蓬头垢面地边学边画。熬了四个多月后,成功完成了第一版支点的方案。

但当他自信地把这套方案展示给领导后,领导却并不满意,说这和现场实行自动咬合落位和承载的功能差得十万八千里远,“连纸上谈兵都谈不上”。 

本来还自信满满,听了这话他的脸都红到了耳朵边,恨不得钻地缝里去。领导没等他回复,又给他画了一条“死亡线”——如果两个月后还看不到满意的方案,武汉中心的工程就不用他了,还用原来老办法。



眼看所有努力即将前功尽弃,李迪开始了更加拼命地研发——其他领域里面只要是能动的,能承载的,他都会去研究一下,试图寻找灵感。

由于太忙,家里的卫生也疏于打扫,地板上落了一层均匀的灰尘,只有从房门到床边有一串整齐的脚印,后来他戏称这是“思考的脚印”。

但即便这样,他依旧没有想出有效的解决方法。

就在一个周末,他脑海里面一边琢磨着方案,一边下楼,突然一个白影像箭一样嗖地从脚边穿过,爬上了旁边一颗碗口粗的樟树,还回过头对他喵喵几声。

这让他突然来了灵感。

猫因为有灵活的爪子和可以伸缩的指甲,能够在光滑的树干紧紧地勾住树干,并用自己的四肢承载住大自己几倍的身躯向上攀爬。

那如果造楼机也能设计出爪子,勾住墙壁上的微凸支点,是不是也可以支撑住四百多吨的重量进行伸缩爬行呢?



有了这个想法,李迪几乎以百米冲刺的速度赶到了单位,不到一个小时把这个构思飞快的画了出来,后来领导看到这份新方案后也长舒一口气。“这才像个样嘛。”

最终,微凸支点靠着“猫爪”的灵感被发明出来,依托着它,大楼的墙体变成了攀岩墙,钩爪会不断挂住墙面上凸起的小台阶,造楼机驮着负重像爬树那样一层层向上攀爬。

即便液压机突发故障,12个钩爪也会牢牢抓扣在墙面上,单个支点承载力达400吨,总体承载力也提升了三倍以上,在极限情况下,可以抵御十四级大风。

这种方式大大提升了造楼机的顶升力,速度提高了90%,可以在5小时内快速顶升4.5米,工期也至少缩短了20%。缩短工期,就是减少成本。

02

“你看上面那个白色的钢结构,不就像个蝴蝶结吗?”

李霞口中的“蝴蝶结”,指的是中建三局在成都公司绿地中心468项目上运用的“空中造楼机”。

如果说李迪完成了造楼机的支撑顶升系统,那李霞则升级了另一个关键技术——廻转驱动系统。

2012年,她作为第一位机械设计专业人才被引进中建三局工程技术研究院。2013年初,她作为仅有的两名研发成员之一,开始着手研究廻转塔机课题。



什么是廻转驱动系统?

通俗来讲,就是协调造楼机上多台吊机的系统,通过让吊车360°自由换位、自由旋转等方式,实现多塔机间连续、快速、高效的配合。

“验证方案,历时整整一年,在‘蝴蝶结’之前推翻撤销了多个方案,其中就有‘五角星’和‘三个花瓣’。”

李霞非常认同一条工业理念,在机械设计中,无论这个装备多么庞大,“漂亮,才能醒目,漂亮的东西也才是受力均匀的”。

于是,她在进行机械设计中,实现其功能的同时也会注重考虑其美观性。并且,她便总爱以这些设备中最美的一点作为其代名词。

“最初的一个方案是环形的,上面缀满了五角星,相当漂亮,这个方案的模型至今我都保留着。”李霞介绍,“五角星”方案中,为了实现多吊机360°换位,最初设想是令塔机自行平台上移动,但“每个塔机自重三四百吨,也比较高,自己行走,转弯的半径比较大,不是很靠谱”。



依据旋转餐厅的原理,设计外环转动来实现吊机360度覆盖超高层建筑,也因“跨距比较大”,而被推翻。沈阳的某建筑项目而设计的像“三个花瓣”的廻转平台,也因未能实现预期效果。

其实,诸如此类的大型回转技术,国内外从未出现过。设想的实现难,技术上的攻关同样是前所未有。

多吊机平台体型庞大,自重比较大,为了解决多吊机360°回转,李霞和团队成员翻阅了大量文献资料,考察了国内几十家回转支承厂家。



“在四川眉山一个偏僻小镇试验基地蹲点参与指导平台安装和试验,时间长达6个月之久。作为团队里面唯一一位女性,与一群工人和男同事共事,在生活和工作上都会存在一些不适应性。”

不过李霞对这段经历却轻描淡写。令她印象深刻的是研发初期的方案可行性验证阶段,需要极大的想象力和创新力。

为此,他们经历了不少于200次反复验算、优化和分析。

正如李霞所说:“只是环境上的苦,算不上什么。研发,考验的是专业功底,教科书中没有可直接引用的方法,创新总是比较难的。”

他们要做的就是,别人从来没有做过的东西。

 最终,他们成功设计出了“蝴蝶结”的廻转平台系统,实现了塔机吊装范围对超高层建筑的360度全覆盖,比以往建筑施工方式又节省出了30~40%的费用支出。

03

造楼机上的问题解决了,另一个难题接踵而至——重达上万吨的混凝土如何运上数百米的高空?

混凝土是建筑最重要的原料之一,但它有一个特点——极易凝固,通常一个小时就开始变为固态,依靠运输机一点点运上去往往为时已晚,那就需要另一种特殊的设备。

混凝土泵车。



这是一种有可伸缩屈折的臂杆通道的泵车,它利用高压泵和一根可伸缩的臂架系统,将混凝土快速地输送到高空中的指定位置。

但这种泵车对技术的要求非常高,需要在很短时间内提供巨大的压力。“就像用指甲盖那么大的面积将一头牛顶至楼顶。” 如果不能及时将混凝土输送到浇注平台,混凝土在管道内凝固,管道就有堵塞甚至爆裂的危险,非常容易酿成事故。

1986年,德国已制造出62米世界最长臂架的泵车,那时中国才刚刚蹒跚起步。直到90年代初,关于泵车的全部技术几乎都被欧美所垄断,几乎95%的混凝土机械需要依靠进口。



“一台泵车要300多万元,根本买不起;想技术合作,别人又瞧不上我们。”

谈及起步时的中国混凝土泵车,三一集团总工程师易小刚这样说。

1995年,在北京机械工业自动化研究所从事液压研究并初露头角的易小刚被三一重工董事长梁稳根所说服,辞去北京的公职来到长沙。

当时作为民企的三一重工举步维艰:因质量不过关,产品大量积压,形势极为严峻。

易小刚一到长沙,就开始全心琢磨混凝土输送泵(又称拖泵)。为避开技术壁垒,他只好改变思路,另辟蹊径。“别人用专用零件我们就用通用零件,在此基础上再进行技术改进和集成。”

混凝土拖泵在进行高低压切换时,需要换接不同的管子。易小刚大胆设计了一个可以旋转90度的阀门,不料遭到从工人到车间主任的一致反对。“国外都是用管子,客户也没意见,为啥要换呢?”

但易小刚却说:“我们不能因为国外是这样做的,就一味地模仿别人,那是没有任何突破的。” 双方一度僵持不下。

梁稳根深思熟虑了许久,决定信任易小刚,让他坚持自己的研发思路。最终,一个工作原理与原有产品完全不同的液压集流阀组设计出来了。

中国混凝土泵车的第一个专利也从此诞生。

“这不是很难的(技术)突破,只是思路的改变。” 易小刚认为抛开常规模仿国外产品设计路径,依据通用的机械原理来做研发——这种非常规的技术创新路线,才是国内企业超过欧美的必经之路。



几个月后,他又发现泵车上有一种高强度钢板材料也严重依赖进口。

这种钢材抗压强度达到了1500兆帕,国内一直没有能力生产,欧洲制造厂是当时唯一的来源。

易小刚意识到,如果长期这样下去,随着三一产品市场占有率的不断提高,三一能够生产多少泵车,并不取决于三一的生产能力,而是取决于国外供应商的态度。

尽管对材料方面一窍不通,他还是决定从零开始自己做。 

当时正值长沙酷暑,热处理车间的室外温度已经达到了40℃,里面的情况可想而知,司机进去待十几分钟就受不了了,而易小刚愣是全天全夜待在里面不出来,反反复复进行试验,直到这种材料被研发出来。



不过,从成功的实验品到大批量的生产,又是另一个难以攻克的高峰。

进入大批量的生产后,这种材料始终难以达到要求,全工厂几万员工眼巴巴地期盼着。这期间,昼夜赶工的易小刚在车间不慎一脚踏空,从离地面几米高的工作台上摔了下来,身体被卡在了缝隙间,导致整个尾椎骨开裂。

梁稳根在医院劝他:“不行的话,就降低一下材料的等级吧。” 但他拒绝妥协,他坚持产品要想具有竞争力,材料的等级千万不能降低。

最终在这种类似于“偏执”的坚持下,三一泵车的钢材料又成功实现了量产。

相似“玩命”的经历还发生过一次。

为了研发出当时被国外垄断的的另一个泵车核心技术——臂架技术,他在开车的时候想着怎样解决臂架的负荷和抖动问题,双手脱离了方向盘去比划尺度和距离,结果车子撞在了路边的围栏上。

这次康复之后,他又成功研制出了中国人自己设计的37m臂架。

2001年3月,他在此基础上再接再厉,研制出了国内第一长度臂架——48m臂架,这已经等同于当时国际一流制造商的水平。

同一年,国内泵车市场的格局开始变化,以三一泵车为代表的国产泵车占有率已经达到了40%以上,国外产品垄断市场的局面被改写。

2002年9月,三一重工正式启动56m臂架混凝土泵车开发项目,我国在泵车、臂架研发领域已成为世界第一。



在讨论技术问题时,有两句话易小刚是不允许技术人员说的:一句是“国外是这么做的,我们也这么做”,另一句是“国外没有这么做过,我们也不能这么做”。

易小刚曾表示:“凡是说这两句话的人,甚至都会被我痛骂一顿。难道国外做的就一定是最好的吗?难道国外没有做的,我们就一定不能做吗?如果总是以国外为标准,那么你永远都是一个没有创新的落后者与失败者。”

有一项统计显示,在短短的8年时间内,他在中国工程机械领域申请的专利达56项之多,有60多种技术达到和超过国际一流水平。

我们无法知道这些技术的开拓者都是何人,从易小刚的经历可以推断,他们也一定流过汗流过血。

2002年,三一重工在香港国际金融中心创下单泵垂直泵送406米的世界纪录;2007年,在上海环球金融中心又将这一纪录再次刷新至492米。

在上海环球金融中心的封顶仪式上,易小刚自豪地说:“设计者把建筑设计有多高,三一泵就能将混凝土泵送多高。”

这是中国技术研发者特有的自豪。

04

混凝土靠泵车,其他材料和人力的运输则要依靠电梯。

传统的运输电梯都是直上直下,每个轨道只能容纳一部梯笼,但随着建筑高度的增加,几十万吨的建材每天要上上下下,一年下来就要多至少两个月的工期,浪费几千万的成本。

为了提高运输效率,李迪决定将传统的电梯进行改造,为此他带领团队绞尽脑汁,开了两个月的头脑风暴会。

在这期间,有人提出将电梯提速,但试验后发现会对机械的磨损过快;有人提出把电梯承载力做大,试验后发现笼子的尺寸有限,再大也装不了;还有人提议改装成双层电梯,但因为上下两层需要同时进人进货的话,要求条件会更高,这种方式最终不能达到双倍的效果。

几乎所有尝试都以失败告终。

直到两个月后的一天,有人提出:“能不能把电梯改造成像我们每天坐的地铁一样呢?”



众所周知,环线地铁是一个循环的运输系统,列车直接折返而无需转轨甚至无需停车,这样一条轨道上可以同时跑多部列车。那如果把地铁“立”起来,变成一个循环的垂直运输系统,那一部轨道不就可以容纳多个梯笼了?

这个想法一下子点燃了中建三局沉闷的会议室,大家好像抓到救命稻草一般开始对这个想法进行试验,最后发现一切都可行,但唯独被一个难点卡住了——如何做梯笼的调头换轨装置。

团队为此又冥思苦想了一个月,直到李迪在一次去外地出差开会,看到酒店大厅的旋转门可以绕着中间的轴始终朝一个方向旋转,这激发了他的灵感——可以试一试模仿旋转门的原理来进行电梯换轨。

回来后他赶紧按此做了个试验模型,发现果然是可行的。



但因为换轨电梯装置结构极其复杂,制作难度巨大,李迪在实际代工生产上处处碰壁。

他和同事在一个多月内几乎找遍了武汉市所有的机械加工厂,但全部被拒之门外。

最后好不容易找到了一家之前合作过的工厂,人家也是在软磨硬泡之下勉强接受了订单,但干到中途还不干了。李迪的一位同事过去沟通,还被副厂长指着鼻子骂了出去。“这么复杂又不值钱的东西,我们不做了,你们拉走。”

这位平日脾气温和的同事也忍不住怼了回去:“你说什么都行,我们拉走也行,不做了也行,但是你绝不能说我们的东西是鬼东西,在我看来它比什么东西都要值钱。” 说着把门一摔,气哄哄地就走了。

气话归气话,电梯总不能半途而废。最后,他又厚着脸皮回来恳求那位副厂长,保证尽量少的占用厂里的资源,只给他们几位工人就行,其他的他们自己来。

随后李迪和他干脆驻进了厂里,用一个月的时间手把手地带着工人,把一个大的装置分解成几个精密的零件,最终把这个装置做了出来。



就在离成功还有一步之遥,又遇到了一个突发状况。

在试验的过程中,因为无线网络的问题,导致其中一个梯笼失控了,不受控制的向顶端冲了上去。

事发时,李迪正在电梯的监控室里,无法关停梯笼。他火速地往外跑,想要去关闭总电源开关。“那一霎那,我的脑海里想着完了完了。” 他知道,如果梯笼冲出顶部坠落到下面,砸到附近作业的工人,后果不堪设想。

在生死攸关时刻,大楼上观测试验的同事做出了一个不要命的举动—— 他趁着梯笼爬升到他所在的楼层,猛的跳了进去。

在没有安全措施的保护下,这种行为无异于就是跳楼。但是这位同事当时没有丝毫犹豫,跑到里面去拍下了急停按钮强制断电,梯笼随着一声异响停了下来,所有人都长舒一口气。

这次事故后,李迪给通讯系统加设了一个像人呼吸心跳一样的安全装置,装置会每秒不停地给梯笼发出在线问询,梯笼必须进行应答,否则就不能动。



后来这部循环电梯在武汉中心得到了成功的应用,一栋400米高的楼可以运行8部梯笼,彻底颠覆了整个传统施工升降机行业。

2017年,中东的一个城市邀请李迪的团队去参加一栋一千米高楼的投标,但跟进项目以后,却发现其实对方其实根本就没把他们当回事,只是让他们去凑个人数,就连业主在发名片的时候,还漏掉了他们。

后来,当他们拿出了对“空中造楼机”全新的升级技术方案后,对方一下子就傻眼了。“全球范围内都没有听说过这样的方案。”

他们还将循环电梯应用到了方案中,依照楼直径非常细的特点,量身定做了两条轨道,梯笼可以从一边上去,翻转,再从另一边下去。这样仅仅布置两台循环电梯,就可以满足整个项目的施工需要。李迪后来形容说:“这些想法方案都让业主两眼放光。”

2018年,对方更是来到中国的施工现场,进一步的考察参观,连一向严谨的德国工程师也不禁感慨:“真的没想到原来中国的建造技术竟是如此的先进。”

尾声

全球百大摩天高楼将有超过三分之一集中于一个国家,之前这样的事仅发生过一次,那是在美国。

1896年,李鸿章访问纽约,令他印象最深的是纽约20多层的摩天大楼,他说中国不能建这么高的楼房,“因为台风会很快把它吹倒”。从那时起,中国人领教了摩天大楼的震撼。

也许当时的李鸿章想象不到,如今中国不仅很多城市都拥有了迷人的天际线,而且无论从技术、效率、安全来说都跻身世界一流水平。

据《2018年高层建筑回顾报告》显示,中国从摩天大楼的总数量、高度来看都已跻身世界第一。全球300米以上的高楼,有将近70%都是中国建造。世界上摩天大楼的前十名中,中国已经占了半数。

从羡慕到超越,我们花了100多年的时间。

如今,在第三代造楼机的基础上,经过两年多的研究试验,中国又研制出了第四代“空中造楼机”。

这是全球首次将超高层建筑施工的大型塔机直接集成于平台上,实现了塔机、模架一体化安装与爬升,并将核心筒立体施工同步作业面从3层半增至4层半。

通过塔机与模架一体化安装与爬升,解决了塔吊爬升与模架顶升相互影响、爬升占用时间长、爬升措施投入大等制约超高层建筑施工的难题。



以北京第一高楼“中国尊”为例,自带的2台M900D塔吊相比常规塔吊安装方式,可减少塔吊自爬升28次,节省塔吊爬升影响的工期约56天,减少塔吊预埋件400吨。

此外,通过在建造过程中使用的信息模型(BIM)、物联网、5G、云计算、人工智能和区块链等技术手段,大幅减少了建筑垃圾,降低了碳排放。其产生的噪声污染、光污染都远远小于传统施工法,将对周边居民的影响降低到了最小。

此时此刻,我在办公室敲字时,听见窗外成片楼宇拱卫轰鸣,心中突增一股敬意,希望在一代代建筑人的努力下,中国的基建会越来越好。



  参考资料:《“空中造楼机”又火了!中国的超高层施工水平有多高?》,发布于土木智库《中国基建重器刷新世界认知:摩天造楼机8级大风中4天建一层》,发布于澎湃新闻《全球300米以上高楼三分之二是中国建造,但这个大国重器你认识吗?》,发布于网易新闻
网编:鼠来宝

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