自古以来，人类始终在追求更高大、更雄伟的建筑，公元前2000多年，埃及人利用巨石材料建成146m高的胡夫金字塔；我国在辽代采用木结构建成67.3m高的应县木塔并保存至今（见图1，2）。为建造这些宏伟建筑，古人通过木杆、跳板搭设脚手架，提供交通、作业面及堆场，并利用简易绞车、辘轳完成材料垂直运输。
19世纪，钢筋混凝土结构快速发展，因其高强、耐久、防火、可塑性强、造价低廉等优势迅速成为土木工程主流。服务钢筋混凝土结构施工的模板应运而生，和脚手架一起成为施工现场标配。然而，随着高层建筑、高塔、烟囱等在高度、跨度、体量方面不断攀升， 使散拼模架及翻模的施工不足之处不断突显，如层层转运导致劳动强度大、作业工效低、安全防护差，使功能受限。研发机械化程度更高、自带动力系统的移动式模架成为行业主流，滑模、爬模、提模等技术不断涌现。
20世纪初，美欧等国率先在筒仓建造中采用滑模技术（见图3，4），此后在烟囱、水塔、桥墩、电视塔建设中得到广泛应用。滑模技术在不脱模的情况下，利用墙体内多根大直径钢筋或钢管，通过千斤顶提升模板及脚手架实现模架爬升。该技术机械化程度高、施工便捷、安全性好，但模架承载力低（单点承载力一般为20~30kN）、施工组织要求高、施工质量控制难。20世纪80年代，中建三局在深圳国贸大厦项目（高度160m，1985年建成，当时为中国第一高楼）施工中率先大面积采用滑模技术（见图4b），创造3天1层楼的深圳速度。
20世纪60至70年代，爬模技术在我国得到快速发展，尤其是液压爬模技术得到广泛应用。爬模技术包含若干独立机位，每个机位通过墙体侧面预埋支座固定爬升轨道，模板、脚手架等组件通过小行程液压油缸沿轨道爬升完成作业。因其支点布置灵活、标准化程度高、操作便捷，适用于各类土木工程项目，应用非常广泛。河北开元环球中心项目爬模(核心筒650m 2 ，94个机位)如图5所示。
图5 河北开元环球中心项目爬模平面机位布置及单机位示意
目前，爬模技术仍是全球超高层、高耸建(构)筑物建设中应用最多的移动式模架，世界第1高楼迪拜哈利法塔（高828m）、深圳平安金融中心（高599m）、武汉青山长江大桥（主塔高271.5m）均采用爬模技术（见图6）。然而，爬模各机位相互独立承载，整体性差、承载力小（单个机位一般为100~200kN），导致其无法提供充足的作业面，也无法集成过多的设备、设施。
20世纪末，上海建工先后承建上海金茂大厦、东方明珠电视塔等重大工程，开发了利用墙体内劲性钢柱完成整体钢平台爬升的提模技术（见图7），提升机构与整体钢平台沿劲性钢柱交替爬升，再利用导链提升模板，完成施工。提模可根据结构形状选择支点位置，支点布置更容易，其钢平台具有更好的整体性，能够提供封闭的作业空间。21世纪，该技术又在上海环球金融中心（高492m）、广州电视塔（高600m）等重大工程中得到应用。
2007年，中建三局与中建四局联合承建广州国际金融中心项目（高440.75m），依托该项目研发少支点低位顶升钢平台模架体系（简称“低位顶模”），即首代超高层建筑重载型施工作业集成平台产品。此后近20年，中建集团先后研发出服务于重大超高层建筑、普通高层建筑、桥塔与桥墩、核岛反应堆厂房、装配式建筑5大场景近10款施工作业集成平台产品，为房建、基础设施、清洁能源的现场工业化建造提供良好的实践探索。
集成平台技术采用高承载力低位支承及顶升技术，配合整体钢框架可承载上万千牛荷载，最高可抵御17级大风作用。重载型施工作业集成平台组成如图8所示。平台可提供10层左右的作业面，形成空间流水施工，可将包括塔机在内的各类设备设施集成在平台上，形成可移动的空中工厂，有力支撑现场工业化建造。该技术在北京中国尊（高528m）、广州国际金融中心（高440.75m）、重庆芦沟河特大桥、广东陆丰核电站等重大工程中投入使用(见图9)。
集成平台技术发展大致经历3个阶段：①2007—2015年，针对国内外大量重大超高层建筑，研发重载型施工作业集成平台，并在国内超半数300m以上建筑施工中得到应用；②2015年以后，集成平台技术逐步拓展应用于普通高层、桥梁、核电及厂房领域，形成系列施工作业集成平台产品；③2020年开始，为贯彻落实新型建筑工业化发展要求，重点攻关服务于装配式建筑的集成平台，并以此为依托就现场工业化建造进行探索。
重载型施工作业集成平台开发
(第1阶段，2007—2015年)
21世纪以来，超高层建筑高度不断攀升，400，500m甚至800m的摩天大楼不断涌现，超高层建筑施工面临如下挑战(见图10)：①垂直运输压力大，需将数10万t的材料、装备及数10万人次人员运至数百米高空；②施工安全风险高，数百米高空大风、地震、雷击、火灾等因素带来巨大挑战；③空间狭小，作业面受限，设备、设施易发生冲突，难以形成高效的流水作业；④施工过程受建筑造型、结构位形变化影响大。
为解决上述问题，研发重载型施工作业集成平台（CIP-H），如图11所示，单支点最大承载力达6 000kN，平台整体承载力超20 000kN，最大设计风速56m/s（相当于17级大风），可用于超千米摩天大楼施工。平台提供超10层作业面，覆盖4个半结构层，可实现竖向水平同步流水施工，集成包括大型塔式起重机在内的数百套装备。为实现上述功能，重点从高承载力支点、多作业面、施工装备集成、全方位安全保障、平台结构适应性五方面进行突破。
重载型施工作业集成平台历经4次迭代，2007年起，依托广州国际金融中心项目（高441m，2010年竣工）中，创新性提出少支点低位顶升钢平台技术（第1代），显著提升施工效率与安全性。随后，依托福州世茂国际中心项目（高273m，2012年竣工），以提高标准化程度与可周转性为目标研发模块化低位顶升钢平台技术（第2代），周转率可达85%。依托武汉中心大厦项目（高438m，2015年结构完工），研发微凸支点低位顶升钢平台技术（第3代），单支点承载力达4 000kN，可灵活应对结构变化。依托北京中国尊项目（高528m，2018年竣工），创新性实施塔式起重机平台一体化等装备集成技术，研发形成高层建筑施工装备集成平台（第4代），在全球范围内首次实现3 000t·m级塔式起重机集成。高层建筑重载型施工作业集成平台系列产品如图12所示。
上述技术在业内引起巨大反响，成为国内重大超高层建筑施工首选。除深圳平安、广州电视塔等少数工程外，2010年以后，国内多数400m以上的超高层施工均采用该技术，如深圳京基100大厦（高442m）、天津周大福金融中心（高530m）、上海张江科学之门（高320m）、西安国际丝路中心（高498m）等，累计建筑面积超千万平方米(见图13)。
图13 高层建筑重载型施工作业集成平台典型工程应用
1）低位箱梁支承技术
传统模架支点位于在施楼层或其下1层，承载力受混凝土龄期限制。低位箱梁支承技术采用箱梁支点，支承在在施楼层以下2~3层（见图14），极大提高支点承载力，在施楼层混凝土脱模后平台即可顶升，施工效率大幅提升。单个支点承载力可达上千千牛，整个平台仅需少量支点，布置更加灵活。
2）混凝土微凸支点技术
低位箱梁支点附着于墙面两侧，支点布置受限，同时支点承载力受混凝土承载力限制，一般约千余千牛。研发基于约束素混凝土微凸抗剪的微凸支点技术，单个支点承载力最高达6000kN，是传统支点的数倍（见图15）。仅需单侧墙体支承，支点布置更灵活。配合整体钢平台，显著提升平台整体抗侧刚度和承载力。
3）可周转附着件技术
施工中各类大型埋件、牛腿等措施投入大，资源浪费严重。研发以自攻螺钉构造特征为核心的可周转附着件(见图16)，所有预埋组件及外部牛腿连接件均为工厂加工、现场装配，百分百周转使用（见图17）。开发从数十千牛至数千千牛承载力的系列附着件产品，可应用于集成平台、塔式起重机、施工升降机等设备设施中，综合效益显著。
超高层建筑高空施工作业面受限，集成平台构件覆盖上千平方米，高度超30m，跨越4个半结构层，具备超10层作业面的工厂化施工空间。创建集成平台高效的立体交通系统，施工人员可由地面直达平台任意作业层。利用多层作业面优势，实现墙体、楼板各工序平面及楼层间高效流水施工，工效提升20%以上，每层节约工期2～3d。空间多作业面及其平面内流水施工如图18所示。
1）设备设施集成技术
传统作业方式施工设备设施布置分散、相对独立，布局、爬升易发生冲突，管理、使用效率低下。研发设备设施与平台集成技术， 可集成施工升降机、伸缩臂吊机、布料机、堆场、库房、消防水箱、临水临电、控制室、移动厕所、茶水间等设备设施（见图19）。
2）塔式起重机平台一体化技术
塔式起重机较高、体量大，与集成平台布置、爬升相互干扰（见图20），效率低、风险大。利用平台高承载力的特点，研发配套附着组件，可将所有塔式起重机全部集成在平台上。小型塔式起重机直接固定在平台顶部，大型塔式起重机通过3道附着与平台集成，其中中部附着支承在平台4个支点上，平台顶升时带动塔式起重机一同上升。该技术使塔式起重机工效提升20%以上，节省塔式起重机爬升使用的埋件、牛腿等材料及措施费用300万元～600万元/台。塔式起重机平台一体化集成方式及典型项目应用如图21所示。
图21 塔式起重机平台一体化集成方式及典型项目应用
1）高承载平台结构技术
传统施工平台支点位于核心筒内部，平台悬挑大、抗侧刚度不足，基于单侧支承的高承载力混凝土微凸支点，构建大跨度、整体抗倾覆的平台框架结构，形成强度高、刚度大、跨越整个核心筒结构的巨型钢罩（见图22），承载力达万千牛，能抵御17级大风作用，较传统施工平台承载力及刚度提高数倍。
2）实时在线安全监控技术
为保障集成平台安全运行，开发了采样频率高、抗干扰能力强、稳定性好的全要素实时在线安全监控系统(见图23)，能够对平台的表观状态、应变、平整度、垂直度、风压、风速、温度等进行实时监测，具备信息存储与展示、超限安全预警、动力系统联动等功能。
1）模块化集成平台技术
早期集成平台为项目专门定制，无法周转使用，成本高、安拆困难。研发集成平台模块化结构部件及构造，根据超高层建筑结构形式选择不同的标准组件组合，形成可应用于不同结构形式的集成平台，周转率达85%。2012年福州世贸国际中心项目集成平台周转至福州宇洋中央金座项目使用的案例如图24所示。
2）自适应可变机构
针对混凝土墙体内收、外扩情况，研发支承架滑移机构，实现支点随墙体的变化平移（见图25a）。针对墙体倾斜情况，研发支承架斜爬机构，实现支承系统沿斜墙爬升（见图25b）。针对墙体厚度、位置变化及角部劲性构件安装问题，研发平台框架角部开合机构（见图25c），使平台角部可整体或分层开合，实现外伸牛腿无障碍直接吊装就位；研发平台框架伸缩机构（见图25d），配合支承系统滑移机构，平台可整体收缩或外扩，以适应墙体变化。
多场景系列施工作业集成平台开发
（第2阶段，2015年至今）
为推动集成平台技术覆盖更广泛的应用场景，拓展普通高层建筑、桥塔桥墩、核岛厂房等领域进行集成平台开发。百米左右的普通高层建筑工程体量相对小、层高变化大、结构承载力小、露天作业受环境影响大，对重载型施工作业集成平台进行轻量化、标准化改造，开发轻载型施工作业集成平台（CIP-L），使其构配件更轻便，用钢量仅为重载型施工作业集成平台的30%~40% ，通用化程度更高、安拆更高效，能够打造全天候作业环境，减少高温、阴雨等恶劣天气对现场施工的影响（见图26）。
桥塔、桥墩是主要桥梁承力结构，截面造型多样，混凝土表观质量要求高，塔身、墩身往往设有通长的装饰性构造。针对上述难点，结合集成平台特点，研发基于角部支撑的桥塔施工作业集成平台（CIP-B），平台支点数量少，且仅占用桥塔、桥墩角线位置，整体性强， 能够自动适应截面变化，混凝土浇筑质量好（见图27）。该技术于2018年成功应用于高度高、截面小的千米级跨江悬索桥宜昌伍家岗长江大桥的建设。
核岛工程主要包括反应堆厂房和周边厂房，反应堆厂房由内至外包含内部结构、钢衬里、双层安全壳，壳体上分布众多贯穿件和预埋件。在反应堆厂房顶部设悬挑的ASP水箱及预应力穹顶，结构非常复杂。反应堆厂房和周边厂房同步施工，施工材料仅能堆放于周边厂房外侧，材料周转、模板提升及贯穿件安装等作业众多，周边塔式起重机运力严重不足，制约反应堆厂房施工效率。
同时在传统施工技术中，钢衬里、内外安全壳独立施工，反应堆厂房在安全壳、环廊、ASP水箱等阶段的施工技术相互独立且分散，成本投入大且影响工期。中建三局联合中广核工程有限公司于2024年研发出核岛反应堆厂房施工作业集成平台（CIP-N），并在广东陆丰核反应堆厂房建设中投入使用（见图28）。
1）支承系统轻量化技术
发明步履式分级顶升支承系统，由附墙支座、导轨立柱、液压油缸等组成(见图29)。导轨立柱设面外约束，解决长支柱因稳定问题导致的截面大问题；将油缸设置在支架顶部，减小顶升作业时导轨的悬臂高度，使平台倾覆力矩更小；步履式顶升，小行程油缸即可满足要求。支承系统整体平面投影面积仅0.6m 2 ，材料仅为重载型支承系统的20%~30%，结构紧凑、布置灵活；支承系统可根据层高变化调整步距，以适应结构层高变化的施工需求。
2）全天候作业保障技术
研发集防雨、防晒、降温、降尘于一体的全天候作业保障系统（见图30），此系统由可开合天幕、喷雾降温系统、喷淋养护系统、工业风扇等组成，与挂架系统共同围合成相对封闭的作业空间，有效避免阴雨、高温等外界环境对施工的影响，打造类工厂化作业环境，增加有效作业时间，提升现场作业效率。
1）平台结构整体自适应技术
为适应墩塔截面变化，提高平台抗风、抗侧能力，研发自适应角模支承系统，采用角部支承方式，选取塔身、墩身角线作为爬升轨迹，借助低位顶升及自翻转挂爪实现平稳顶升。基于连杆协同变形的整体自适应框架系统（见图31），在保证框架整体受力情况下，可在角部顶升过程中随塔身、墩身截面自动变形。
2）双模板施工技术
为突破桥塔、桥墩施工时受混凝土拆模龄期限制，提高塔身施工工效，使用双模板循环施工技术，实现多作业层同步施工（见图32）。桥塔结构连续、快速施工，节约工期近40%，同时混凝土带模养护时间翻倍，有效保证施工质量。
1）一体化同步施工技术
为解决反应堆厂房施工堆场布置受限、垂直运力不足、影响周边厂房施工等问题，基于集成平台创新实现反应堆厂房钢衬里、内外安全壳同步施工，环形集成平台顶部集成大堆场和多台起重机，形成材料运转中枢，释放周边塔式起重机运力用于周边厂房施工，推动核岛一体化同步建设（见图33）。
图33 核岛反应堆厂房传统施工与集成平台一体化施工对比
2）同层互爬支点技术
反应堆厂房与周边厂房同步施工，为减少两者施工相互干扰，研发基于集成平台的同层互爬支点（见图34），仅占用单层主体结构，利用同层嵌套结构实现爬升，以保证安全壳基础施工完成后即可安装集成平台，不影响周边厂房施工，有效提升集成平台使用效率。
基于集成平台的现场工业化建造探索
（第3阶段，2020年至今）
2020年以来，建筑业面临行业下行、新技术冲击、应对全球化等挑战，亟待转型升级。近年来，住房和城乡建设部等部门联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》，建筑工业化上升为国家战略，成为行业转型升级的重要探索。
装配式工程产品具有标准化设计、工厂化生产、装配化安装、信息化管理等特点，是推行建筑工业化的重要载体。以装配式建筑为例，基于数字化技术，采用正向设计与工厂化生产方式，输出高质量部品部件。在施工现场基于装备及建筑机器人，开展施工组织设计及工艺革新，利用基于BIM模型的数字孪生系统驱动各类装备及建筑机器人作业，实现高效优质的现场工业化建造。最新一代的装配式建筑施工作业集成平台（CIP-P）正是该建造方式的重要探索（见图35），该平台于2023年在武汉汉芯公馆项目投入使用。
建立基于BIM数据的数字孪生管控平台（见图36），对施工组织、任务分解、工序穿插进行全过程管理，同时对多种装备、建筑机器人作业及交互进行集中管控，提高人机、多机协同作业安全性及效率，实现对施工质量、工期等核心要素的科学管理。
传统依靠塔式起重机吊装PC构件的方式需要塔式起重机司机及信号工配合，由工人手动调整构件姿态及位置以实现就位，需多工种配合，且效率低下。研发的构件智能化行车吊装系统，基于BIM模型数据，通过无线射频及二维码识别PC构件身份信息，驱动吊装系统实现PC构件自动路径规划吊装及精确安装，显著提升PC构件吊装效率（见图37）。
研制基于集成平台的混凝土布料机器人、物料转运机器人、安全巡检机器人等施工装备及建筑机器人（见图38），研究其在特定作业环境下的路径规划、融合感知、自主智能决策等技术，形成覆盖主体结构施工、物料转运、安全监测等多工序的智能建造机器群，减少了劳动力投入。
为解决施工现场物料运输效率低、劳动强度大等问题，研发无人化物料运输系统，开发集群控制系统，构建运输机器人导航地图，通过控制、调度码垛机器人及运输机器人，与智能施工电梯进行通信，实现了砌体、ALC条板等建筑物料从室外堆场到室内楼层作业面的全程无人化运输（见图39），提升物料运输效率，减少运输损耗，优化现场管理。
集成平台作为现场工业化建造的重要载体，其本体工业化、标准化及可拓展性对建造水平影响极大。主受力骨架及支点设计应不受建筑物外立面轮廓限制，以实现快速拼装及一键升降。通过施工动线设计，利用智能电梯与平台内部通行空间组合，形成人机高度协同的立体交通系统，预留智能设备、机器人的集成接口及应用环境，实现集成平台工厂化环境从适应人作业向适应人机协同作业的转变，且满足各类智能设备及机器人可附着、通行、作业等基本要求，充分结合物联感知与数字孪生等技术与装备，实现人-机-环高效融合（见图40）。
集成平台技术历经近20年的创新，已形成系列装备产品及技术，并成为探索现场工业化建造的重要载体，其在引入新一代信息技术、应用智能建造装备及建筑机器人，以及提升现场管理水平方面具有天然优势，是推动建造方式变革，实现行业转型升级发展的重要抓手。然而，受当前土木工程产品特性多、现场精细化管理水平低、专业技术队伍缺乏等条件限制，依托集成平台的现场工业化建造仍有巨大提升空间，当前及未来很长一段时间，需要在以下方面持续探索，以期推动现场建筑工业化落地应用。
1）挑战一 生产方式为产品服务，制造业优质、高效、精细的生产方式是汽车、飞机等复杂、精密产品的必然选择，没有全过程的数字化管理，不依靠高精度作业臂，这些产品无法量产。而土木工程产品系统相对简单，生产、安装过程中的误差，甚至是缺陷可在后期装修阶段得以弥补。另外，虽然国内劳动力成本持续增长，但目前占整体的建安成本比例仍然偏低。所以产品需求不足是制约建筑工业化发展的根本矛盾所在。随着模块化、共享经济、分布式能源、可变空间、建筑智能化等技术进一步发展，土木工程产品有望向自主感知、功能可变、快速部署、能源自给的工业化产品方向转变（见图41），针对该产品应用类工厂化的集成平台产品，基于统一的数字化底座，以数据驱动自动化装备及建筑机器人开展施工作业将逐步成为可能，配合全过程监控系统，不断提高工程质量与建造效率，且显著降低劳动力需求。
2）挑战二 自动化装备及建筑机器人在能力、决策水平、环境适应性等方面有极大不同，且各有所长。服务自动化装备及建筑机器人的深化设计及工艺创新是实现现场工业化建造的又一痛点。过度依赖智能决策，使用过于昂贵、精密的机器人是不经济、不现实的。将复杂的工艺过程拆解成高度标准化的流水作业，每个机器高质量完成规定动作，是解决现场机器人作业难题的重要途径（见图42）。当然，也应研究适应机器人的交通、承载、安全防护及作业空间。
3）挑战三 大量服务于现场工业化建造的系列技术研发仍需攻关，如适应现场环境、稳定、耐久、广泛覆盖的通信系统，便于安装、保护、运维的专用系列传感器，以及服务于集成平台全场景的坐标定位系统等（见图43，44）。
4）挑战四 集成平台作为大型施工装备，跨度大、系统复杂，安装及使用受现场恶劣天气影响大。当前缺乏专业技术队伍，从装备安拆、运维及周转方面提供全生命周期专业服务。传统作业队伍缺乏机械、电气、液压等专业知识以及职业素养，平台安拆运维过程受损严重， 甚至影响平台功能及运行安全。在行业持续推进集成平台国家标准体系建设基础上，通过建设技术工人培育基地，加强技能培训，推行技术工种持证上岗等多措并举，培育相对稳定的服务于集成平台的专业技术工人队伍，进一步保障集成平台全行业规模化应用 （见图45）。
5）挑战五 以目前的技术及产品发展水平，现场工业化建造成本较传统建造方式有一定提升，但其对土木工程产品的价值创造尚不明显，且单纯追求缩短工期已很难满足建设单位及购房者的需求，必须在产品质量、功能等方面有所提升，真正变成支撑安全、优质、绿色产品的必然选择（见图46）。从安全、优质、经济、宜居、节能、智慧等多维度提升建筑产品高价值增值，合理控制建造成本，共同营造追求用户、产业链、社会效益价值最大化的可持续发展行业生态。
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