建筑钢结构数字化建造集成技术研究及工程示范.pdf

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1、1 1报告人：陈晓明报告人：陈晓明上海建工集团股份有限公司上海建工集团股份有限公司 2019.06.202019.06.202 2钢结构数字化建造加工技术钢结构数字化建造加工技术及工程示范及工程示范1主要内容钢结构数字化建造焊接机器人钢结构数字化建造焊接机器人技术及工程示范技术及工程示范2超大尺度超大尺度3D3D打印装备、技术打印装备、技术及及工程示范工程示范33 3前言随着中国经济建设的不断发展，建筑领域对钢结构的需求越来越大。因其具有强度高、加工制作便捷、绿色环保等特点和优势，可以满足建筑钢结构行业的建设发展需求，具有广阔的推广应用前景。当前，随着市场需求的不断扩大，将促使我国钢结构技术、

2、产量的进一步发展。同时，新工艺、新用途的钢结构将不断出现，推动行业持续健康发展。据统计，2009-2016年，我国钢结构产量呈现逐年增长趋势。2016年钢结构产量约5618万吨，同比增长12.2%。预计到2023年，我国钢结构产量将逾13000万吨。2009-2017年钢结构产量及其增速变化趋势图（单位：万吨，%）2018-2023年中国钢结构产量预测（单位：万吨）4 4前言随着社会的不断发展和进步，中国建筑行业目前存在以下瓶颈问题：u国民职业态度、观念的转变，导致行业出现了用工荒现象，并不断蔓延全国；u建筑工人因其熟练程度不高，容易造成建筑工程的质量隐患；u行业仍处于特殊、恶劣的工作环境，导

3、致建筑工人的工作强度大，容易产生职业病，影响工人的身心健康；u建筑造型结构的层出不穷，导致传统施工技术、工艺、通用装备以及人工难以适应。用工荒质量隐患工作环境恶劣特种结构建筑5 5前言基于上述原因，建筑钢结构行业应当顺应时代潮流，利用信息技术、数字化建造技术对产业进行升级。数字化建造技术的应用已成为建筑业的发展方向，将助推建筑钢结构行业从劳动密集型向装备及技术密集型的快速转型升级。实现数字化建造，覆盖全厂的通讯网络是前提；高度集成的计算机辅助设计、加工系统是基础；企业资源计划管理系统（ERP）是保障。ERP设计数据流向6 6建筑钢结构数字化建造集成技术研究及工程示范017 7012007年开始

4、，上海建工承建了2010年世界博览会一轴三馆（中国馆、世博演艺中心、世博中心和世博轴阳光谷）的工程建设。其中：世博轴阳光谷工程位于浦东世博园核心区，南北长1045m，东西宽地下99.5m-110.5m，地面以上宽80m，总建筑面积227169。由不同标高的平面及膜结构屋顶组成，并设有6个特征标志性强且体型不一的阳光谷，阳光谷顶端与膜结构顶棚连结。阳光谷结构体系为三角形网格组成的单层网架，结构下部为竖直方向，到上部边缘逐步转化为环向。其高度约41.5m，最大底部直径约20m，最大顶部直径约90m，6个阳光谷总面积为31500。其钢构件采用焊接箱型节点（部分为实心节点，采用铸钢件），截面高度180

5、-500mm，宽度65-140mm，杆件长度1.0-3.5m，材质采用Q345B。节点总数10348个，构件总数30738件，钢结构总重约3300t。8 801德国传统的壳形多杆式网壳节点加工制造工艺存在以下弊端：加工数量多焊接变形难以控制加工周期长加工精度低散件拼装因此，该种复杂工艺无法满足世博轴阳光谷的施工进度要求。德国的壳形多杆式网壳节点制造工艺9 901空间多杆汇交焊接节点数字化制造工艺主要分为8个步骤，包括：第1步：分解节点。将每个空间汇交节点分解为几个独立的节点牛腿，该节点包括若干个成形节点牛腿和一个中心圆柱，分别进行编号并采集其几何数据信息。第2步：节点标准牛腿制作。根据节点牛腿

6、的外形几何数据，标准化、自动化制作节点牛腿的箱型件，再锯切成牛腿标准块。多杆汇交节点拆分模型节点标准牛腿制作101001空间多杆汇交焊接节点数字化制造工艺主要分为8个步骤，包括：第3步：机器人切割（相贯线）形成装配件（牛腿）。根据节点各牛腿的数据，采用五自由度机器人加工中心对牛腿标准块进行加工，一次成形，形成带焊接坡口的节点成形牛腿。牛腿切割成形111101空间多杆汇交焊接节点数字化制造工艺主要分为8个步骤，包括：第4步：节点三维拼装。将同一组的成形牛腿，按编号顺序和几何数据信息，利用三轴(连动)节点拼装设备进行节点的三维拼装。拼装时以中心圆柱为定位基准，使其空间角度尺寸都在公差范围内，最后依

7、次将相邻成形牛腿与中心圆柱点焊，形成节点。第5步：节点焊接。根据节点的焊接工艺对成形的节点进行全面焊接。节点成形组拼节点焊接工艺流程121201空间多杆汇交焊接节点数字化制造工艺主要分为8个步骤，包括：第6步：节点热处理。对焊接完成的节点进行回火处理，以消除焊接应力，回火后对其进行无损检测。第7步：节点机加工。把热处理完成、无损检测合格的节点定位在多杆汇交瓣式网壳节点数控专用铣，对节点的各牛腿进行铣削加工。节点热处理后无损检测节点数控端面铣131301空间多杆汇交焊接节点数字化制造工艺主要分为8个步骤，包括：第8步：节点检测及误差分析。加工完成后通过对节点三坐标检测，把实测数据和理论数据进行分

8、析处理，自动生成如图所示的误差分析报表，保证出厂的成品节点的加工符合设计要求。节点三坐标检测141401焊接节点流程核心技术：1、各工艺之间数据的无缝对接；2、与天津大学合作开发五自由度混联机器人。151501传统铸钢件节点加工工艺存在以下弊端：模具加工周期长加工成本高为此，开发了基于机器人技术的铸钢节点模具技术。蜡模、低密度泡沫模161601多杆汇交铸钢节点制造工艺的7个步骤，包括：第1步：模具分解。将每个汇交空间网壳节点分解为独立的构造单元。171701多杆汇交铸钢节点制造工艺的7个步骤，包括：第2步：标准模具制作。根据铸造收缩率计算出每个构造单元浇铸模的尺寸，按此尺寸定制聚苯乙烯发泡材料

9、标准模块。第3步：机器人直纹面切割，形成组拼单元。利用五自由度混联数控机器人对上述聚苯乙烯发泡材料标准模块进行快速切割，加工出成形的构造单元模块。181801多杆汇交铸钢节点制造工艺的7个步骤，包括：第4步：模具拼装。将上述加工好的构造单元模块进行粘接拼装，组合成完整的节点铸模，并粘固好浇注口。第5步：铸钢节点浇铸。第6步：铸件加工。第7步：成品检测与误差分析。191901核心技术：1、五自由度混联机器人直纹面切割技术铸钢节点流程202001开发了五自由度混联机器人配以回转机构组成切割系统，不断拓展各种截面的切割形式，实现高效切割。212101创新研制了管件两端同时切割的双机器人系统，实现了管

10、件的高效率、高精度切割，确保了现场拼装的快捷性和准确性。对管件两端进行同时加工，有效解决了常规相贯线两端分开切割时由于加工基准线不同而造成切割精度相对不高的弊端，确保了管件在长度和两端相贯线形位夹角上的精度，大大降低劳动成本、提升效率。222201上海自然博物馆上海世博会博物馆沈抚新城“生命之环”2010年上海世博会“世博轴阳光谷”232301开展了箱型柱、梁自动化装、焊接设备，梁-柱节点机器人组装、焊接设备研发。箱型梁、柱自动组装、焊接生产线箱型、H梁相贯线切割设备箱型柱双工位端面设备、梁-柱节点自动焊接设备2424建筑钢结构数字化建造集成技术研究及工程示范02252502焊接是建筑钢结构最

11、主要的连接方式。钢结构焊接施工通常因结构构件大、板材厚、作业环境多样（狭小空间、密闭空间及高空作业等）等因素，具有焊工劳动强度大、焊接难度高、安全条件差、工艺参数多变等特点，并存在焊接变形量大、空间曲线焊缝自动跟踪难、小空间位置焊接特殊以及高空施焊困难、危险等现象。因此，建筑钢结构产业对焊接机器人的应用具有迫切需求。262602混联五轴焊接机器人（适用于复杂空间焊接）272702技术参数主要应用：上下料、搬运、弧焊型号：TV-200B轴数：5轴安装方式：落地、挂壁、支架、斜置有效负载：3kg作业空间：1800mm500mm机器人重量：100kg性能：重复定位精度：0.05mm电器连接：电源电压

12、380V/50HZ/3相规格机械部分：环境温度操作运行：+5+45运输存储：-25+55轴运动工作范围最高速度轴1（J1）0-500mm300mm/s轴2（J2）0-180mm250mm/s轴3（J3）0-180mm250mm/s轴4（J4）+180-180360轴5（J5）-120+120360282802 类别材料 气体类型钨极直径 1.0 1.2 1.6熔滴过渡形式CO2CO2CO2碳素钢低合金钢1、CO22、%80Ar+20%CO23、80%Ar+15%CO2+5%O2焊接电流范围（A）70-18080-350140-500电弧电压范围（V）18-2219-3420-38适用板厚（mm

13、）2-122-254-80奥氏体不锈钢1、95%Ar+5%CO22、98%Ar+2%O2焊接电流范（A）30-12050-30060-440电弧电压范围（V）17-2418-3419-35适用板厚（mm）0.4-61-122-20焊接工艺参数说明：1）短路过渡适用于平、横、立、仰全位置焊接；喷射过渡（射滴过渡）适用于平焊、角焊；2）低合金钢、奥氏体不锈钢采用药芯焊丝，焊缝内外质量好；3）板厚6mm，开坡口焊接，采用多层多道焊工艺，最大可焊接厚度100mm；4）低合金钢板厚28mm；5）熔化极气体保护焊一般焊接速度范围：12-90cm/min。2929上海中心大厦幕墙系统系列柔性连接装置轴体不锈

14、钢层堆焊工艺（适用于曲面焊接）02需要研制不同规格的柔性连接装置，其中：3921018mm 42根，186749mm 36根，186442mm 42根，265161mm 62根。303002 由于被焊工件长度和直径尺寸跨度较大，在工装的制造上需要考虑调整的可行性与简易性。313102根据实际焊接需求，选用以下焊接设备及耗材：序号主要器材型号1焊机NBC-500-32焊枪BINZELMIG/MAGWeldingTorchesABIROB A5003焊丝ER309L不锈钢可堆焊丝323202确认焊接方向及焊接参数 焊接电流对焊丝的送给速度有较大的影响，因此选用的焊丝为1.2mm，电流在160180

15、A。确定滚轮架旋转速度和焊枪自动完成每一圆周焊接后的平移时间与位移。333302最终焊接完成的效果343402与手工焊接效率对比大大提高工作效率如果以传统焊接流程进行焊接作业，配以4名熟练焊工一天以12小时为计算，需要83天完成。而配备1台焊接机器人焊接，以2名操作工人轮流上班，一天工作2个班共16个小时，34天就可以完成。同时，机器人焊接成型规则，表面焊缝均匀，机加工的工作量要比手工焊接半成品的工作量降低约30%-50%。353502控制箱焊接手控盒焊接电源焊接电缆轨道焊接小车送丝机机器人控制系统移动式焊接小车控制盒柔性轨道采用模块化开发路线，由轨道、焊接机器人执行器、多自由度焊枪调节控制器

16、、机器人控制平台以及智能化控制模块等组成。移动式焊接小车外形尺寸为850mm250mm290mm，重量在1520公斤左右，单个焊工即可提携。363602全位置焊接机器人具有以下特点：适用于现场施工焊接、全位置焊接；采用开关磁力座固定，可快速安装；拥有焊接工艺参数管理系统；适用于厚板多层、多道焊，自动排道规划；模块化设计，方便拆卸、移动和安装；小车重量轻（15公斤），可单人携带；工作空间可随轨道长度增加任意延伸。全位置焊接机器人控制系统结构373702上海中心大厦桁架层焊接该工程共有8道桁架层，每个桁架层有长2-4m、板厚80-140mm的焊缝在50条以上，现场焊接量大。焊接操作工根据现场需要装

17、配轨道长度，利用焊接机器人示教功能对焊缝进行示教操作，保证焊接过程中熔池中心与焊缝中心一致，实现焊接参数的优化组合，可进行连续焊接。提高了现场焊接效率和质量。上海中心大厦桁架层焊接383802上海中心大厦电涡流阻尼器质量箱焊接该电涡流阻尼器位于125层（标高579.3m）以上，长、宽各10.8m，占据125-131层整个大厅空间，高度约27m。阻尼器质量箱重约1000t，采用Q345B钢材，板厚80mm，质量箱上盖板共4条焊缝，单条焊缝长度近9m，焊接位置为平焊，非常适宜自动化焊接机器人施工。通过对称布置2台焊接机器人协同作业，在保证焊接质量和进度的条件下，有效降低了焊接应力和变形。上海中心大

18、厦顶部阻尼器质量箱焊接393902昆山中环跨线桥双枪、高效焊接（适用于厚板、长距离、大体量焊接）高效双枪焊接机器人是在轨道式焊接机器人的基础上，在保留单枪焊接机器人的功能和优点的前提下，集成两套焊枪姿态调整机构和焊枪摆动器，实现全数值化同步控制。昆山中环跨线桥现场焊接施工的焊缝数量多，皆为20米长的直焊缝。通过配置前后两把焊枪同时焊接，实现高效自动焊接。该焊接系统操作方便，工作稳定、质量高，极大提高焊接效率。昆山中环桥面板现场焊接404002三台机器人协同作业取水管道焊接某工程水管直径（3.8m）、厚板（40mm），采用陶瓷衬垫，单面焊接双面成型。大截面焊接配备3台柔性轨道焊接机器人（组）协同

19、作业，实现焊接参数及工艺优化、参数智能精确调整下的结构施工变形量控制和高效、快速焊接。焊接机器人群组焊接4141建筑钢结构数字化建造集成技术研究及工程示范03424203工业级3D打印市场缺口巨大不同于桌面机，主要集中在教育、创客和简单模型制作等领域，工业级3D打印机广泛运用于航空、航天、汽车制造、医疗模具和珠宝定制等需求量巨大的行业，购买者大多集中在大型企业，以及制造分包商。建筑领域3D打印目前正处于起步阶段，因此该领域3D打印市场缺口巨大。4343于桃浦智创城3D打印国内第一座实际应用于工程的树脂景观桥栈桥四034444建筑领域3D打印材料特点高耐候性高弹性模量高屈服强度高抗冲击强度034

20、545确定了在ASA中加入一定比例的玻璃纤维的打印材料以增强材料强度，减小线膨胀系数，改善打印翘曲，满足建筑领域3D打印的要求。ASA工程聚合物高分子材料研究034646性能ASAASA+GF玻璃纤维聚碳酸酯PC混凝土（C40）钢材(Q345)强度(Mpa)37.3拉伸屈服强度50弯曲屈服强度6026.8345拉伸屈服强度抗压强度标准值屈服强度标准值弹性模量(Mpa)19355471 709 220032500206000泊松比0.390.3850.380.20.3线膨胀系数(/oC)510 5.110 6.510-51.010-51.210-5密度(kg/m3)105012001200220

21、07850034747龙门架复合3D打印机器人系统由3轴龙门结构、6轴高精度工业机器人、高速挤出装置（数控喷嘴）组成后期可改装方案实现智能制造增材、去材一体化实现更高精度、空间多维度曲线复杂结构轨迹的超大尺寸3D打印034848BPH-K10大型立式挤出机进一步提高产能（产量为10公斤/小时），可满足超大型构件的打印需求加热路径短，不会影响材料性质具备材料回抽技术和密实技术可实现FDM打印异形构件所能加工的材料种类及颗粒粒径广泛，可使用常规工程粒料034949使用去材加工头进一步加工打印构件实现去材增材制造一体化CNC去材加工头035050有效打印尺寸为：2500mm3600mm2000mm可

22、实现10kg/h的3D打印产量，并复合减材加工能力稳定性良好，可连续工作720h035151左图：使用预热及厚保温装置，提高打印作业空间的温度，保证3D打印材料层层粘结力。右图：设计研制了拍打装置，显著提高了打印效果。035252 左图：打印件层间开裂 右图：打印件翘曲脱底035353超大尺度复合打印工作台打印材料匹配参数设定及附属功能开启打印过程参数调整及工艺措施打印完成保温0354543D打印轨迹处理演示优化打印造型自主研发3D打印切片软件拓扑优化打印模型并进行结构认证03555515.25m跨度景观桥的3D打印国内首座投入使用的桃浦中央绿地景观桥03央视、上海电视台新闻报道5656更大尺寸、更高打印产量第二座17.5m跨度泉州连绵带山峦景观桥035757建筑景观小品0358583D打印系列家具亮相第三届雄安装配式建筑及绿色建材展览会03展台接待桌休闲桌椅组合展示架山峦茶几台小狗吧台凳5959泥水小盾构钢接头/外露三角阳台节点异形攀岩墙模板036060