孟凡全

一、項(xiàng)目概況

上海中心大廈總用地面積約為30 368m2，總建筑面積約為574 058m2，其中地上總建筑面積約410 139m2。地下結(jié)構(gòu)5層，地上部分包括125層塔樓和7層的東西裙房，建筑總高度632m。2014年8月3日順利封頂，年底建成后將成為上海的新地標(biāo)，如圖1所示。

農(nóng)村留守兒童是特定時(shí)代下的產(chǎn)物，解決留守兒童的教育問題，能夠讓數(shù)億外出務(wù)工人員消除后顧之憂，有助于中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

上海中心大廈分九個(gè)區(qū)，每區(qū)交接處設(shè)置桁架層，共八道，如圖2所示。每道桁架層連接三個(gè)樓層，高10.8m。桁架層由伸臂桁架、環(huán)帶桁架和徑向桁架三大部分組成，環(huán)帶桁架通過伸臂桁架和徑向桁架與核心筒連為一體。

第五，進(jìn)一步規(guī)范水利基建財(cái)務(wù)管理。要深入探索水利基建財(cái)務(wù)管理的新模式、新方法，籌集、撥付、使用和管理好水利基本建設(shè)資金。要進(jìn)一步加強(qiáng)基建項(xiàng)目會(huì)計(jì)核算，合理界定核算主體在水利基建資金管理中的責(zé)任分工。要按照項(xiàng)目年度投資計(jì)劃及時(shí)將資金撥付到項(xiàng)目，做到建設(shè)目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)、資金安排和項(xiàng)目進(jìn)度相協(xié)調(diào)，嚴(yán)防挪用、套取、騙取項(xiàng)目資金。要繼續(xù)完善資金管理制度，對小型項(xiàng)目要積極探索和完善報(bào)賬制、先建后補(bǔ)等資金管理模式，進(jìn)一步提高資金使用效益和效率。要建立健全基建項(xiàng)目法人內(nèi)控制度，加強(qiáng)內(nèi)部監(jiān)管，及時(shí)進(jìn)行竣工財(cái)務(wù)決算，辦理資產(chǎn)移交手續(xù)。

上海中心大廈用鋼量近12萬t。桁架層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)上綜合采用高強(qiáng)螺栓聯(lián)接與焊接連接方式，單件構(gòu)件重達(dá)90多t，安裝精度、焊接質(zhì)量要求極高，桁架層的中厚板焊接量大，僅一區(qū)桁架層焊縫就達(dá)1 180條之多，鋼材材質(zhì)主要為Q345GJC和Q390JGC，屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，板材厚度為20～140mm。鑒于桁架層結(jié)構(gòu)的重要性，在桁架層焊接施工過程中，參照美國橋梁焊接標(biāo)準(zhǔn)D1.5對施工全過程加以控制。

二、建造過程中應(yīng)用的焊接新技術(shù)

1.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接狀況

圖1 上海中心大廈效果

（1）技術(shù)參數(shù) 柔性軌道焊接機(jī)器人 適應(yīng)焊接位置：平、橫、立、仰及360°全位置焊接；適應(yīng)焊縫形式：直縫、環(huán)縫及不規(guī)則焊縫；適應(yīng)環(huán)形工件尺寸：≥φ168 mm；機(jī)器人行走速度：0～160cm/min；焊槍擺動(dòng)模式：角擺；角擺運(yùn)條方式：弓、之、點(diǎn)之、直線；擺速：0～255cm/min；擺幅：±25mm；左右滯時(shí)：0～6s；焊槍垂直跟蹤行程：150mm；水平跟蹤行程：200mm；程控參數(shù)微調(diào)幅度：±20%。

圖2 上海中心大廈分區(qū)

2.對焊接機(jī)器人技術(shù)的需求

表2中FXi和FYi分別表示第i個(gè)注視采樣點(diǎn)的X和Y坐標(biāo),FDi表示第i個(gè)采樣點(diǎn)的注視時(shí)間,Ampi表示第i個(gè)采樣點(diǎn)與第i-1個(gè)采樣點(diǎn)之間的眼跳幅度,PDi表示第i個(gè)采樣點(diǎn)瞳孔直徑.

（2）熔化效率 在厚板長焊縫焊接中效率不低于焊條電弧焊1.5倍。

機(jī)施集團(tuán)以上海中心大廈建設(shè)為契機(jī)，針對焊接節(jié)點(diǎn)截面巨大，存在大量厚板、長焊縫現(xiàn)場焊接的特點(diǎn)，與北京石油化工學(xué)院、江陰納爾捷機(jī)器人公司建立了建筑鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人施工集成技術(shù)的創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，進(jìn)行高空焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)理論研究，攻克其現(xiàn)場裝配、精確定位及焊接工藝技術(shù)，推動(dòng)自動(dòng)化、智能化焊接技術(shù)裝備在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及保障工人的生命安全，為保證建筑鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全提供重要支撐，從而提高我國建筑領(lǐng)域的整體機(jī)械化施工水平。

3.全位置焊接機(jī)器人技術(shù)特點(diǎn)

該軌道式全位置焊接機(jī)器人采用模塊化開發(fā)路線，整套裝備由軌道、焊接機(jī)器人執(zhí)行器、多自由度焊槍調(diào)節(jié)控制器、機(jī)器人控制平臺(tái)及智能化控制模塊等組成，能滿足超高層鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝焊接作業(yè)需求。焊接機(jī)器人具有焊槍姿態(tài)在線可調(diào)、焊接參數(shù)存儲(chǔ)記憶、焊縫軌跡在線示教及焊接電源聯(lián)動(dòng)控制等功能，可解決厚壁、長焊縫、多種焊接位置的鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場自動(dòng)化焊接問題。焊接末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)多自由度組合，全面適應(yīng)常規(guī)構(gòu)件的軌跡漸變焊縫自動(dòng)焊接；焊接機(jī)器人柔性本體技術(shù)和焊接過程智能化控制技術(shù)研究，研制機(jī)構(gòu)模塊化、操作空間/體積比大，滿足高空鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場不同焊接作業(yè)需求，具有如下特點(diǎn)。

目前，國內(nèi)超高層建筑已進(jìn)入發(fā)展高峰，同時(shí)在建和擬建的五六百米的超高層建筑近十座。建筑物高度的不斷刷新，使建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)日益趨向于采用高強(qiáng)度鋼材的大截面焊接節(jié)點(diǎn)型式。由于高強(qiáng)鋼的焊接性相對較差，大厚板、長焊縫焊接量較大，所以對焊接工藝要求更加嚴(yán)格。建筑工程對焊接質(zhì)量的要求也在不斷提高，目前采用的焊接方法基本以焊條電弧焊和半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊為主，由于施工現(xiàn)場的焊接條件艱苦，工程現(xiàn)場高空作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，操作空間條件差，極大地制約了焊工技術(shù)水平的正常發(fā)揮，且焊工自身主觀因素較多，技術(shù)水平參差不齊，容易導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，難以滿足超高層建筑對焊接質(zhì)量的要求。

上海中心大廈工程立柱斷面大，外形尺寸為4.1m×2.6m，截面形狀為三橫兩縱，單一截面焊縫累計(jì)長約18m，焊絲消耗量約200kg。巨柱材質(zhì)為Q345GJC、厚度為55mm。巨柱的高空焊接作業(yè)空間小，操作環(huán)境受限，且距離地面高、危險(xiǎn)性大。現(xiàn)有常規(guī)焊接方法難于滿足現(xiàn)場焊接質(zhì)量及進(jìn)度需要。若采用多臺(tái)柔性軌道全位置焊接機(jī)器人同時(shí)作業(yè)，不但提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，也極大地降低了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接效率，巨柱焊接機(jī)器人布置如圖3所示。

“人不僅來源于自然，而且其生存與發(fā)展一刻也離不開與自然進(jìn)行物種、能量和信息交換”[13]。體育屬于人類最本質(zhì)的生命行為，是人類體內(nèi)能量與外界進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)換的中介。肉體并不是人類精神意志下任意擺布的工具，而是身體內(nèi)在能量排泄與交換的基地。“知識(shí)改變命運(yùn)”的口號(hào)在人類的思想中根深蒂固，將人類禁錮在靜態(tài)學(xué)習(xí)當(dāng)中。科學(xué)知識(shí)的豐富所帶來的技術(shù)成果，代替了人類的生產(chǎn)勞動(dòng)。體內(nèi)的能量逐漸堆積，而發(fā)泄的途徑又被科學(xué)技術(shù)所取代，人類被一系列的文明疾病(如肥胖)所纏繞。生命在于運(yùn)動(dòng)，健康始于鍛煉。體育是異于靜態(tài)工作的身體行為，是一種動(dòng)態(tài)的生活方式，承擔(dān)了幫助人類認(rèn)清自己生存角色的責(zé)任。

復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué)，被譽(yù)為21世紀(jì)的科學(xué)，是吸引跨學(xué)科廣泛注意的新型交叉科學(xué)。我們認(rèn)為, 研究復(fù)雜系統(tǒng)，再現(xiàn)性是一個(gè)合理的要求。由于使用多邊矩陣的剖面之間的多種數(shù)據(jù)運(yùn)算和多邊矩陣的基陣表示的代數(shù)運(yùn)算來研究數(shù)據(jù)規(guī)律并保證再現(xiàn)性[1]，故本文研究內(nèi)容如下：剖面的廣義交叉乘法規(guī)則是什么? 可以定義的剖面廣義交叉乘法規(guī)則有哪些種? 剖面廣義交叉乘法規(guī)則是否能夠采用基陣表示的代數(shù)運(yùn)算規(guī)則來表達(dá)?

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人的特點(diǎn)是可沿著固定軌道往復(fù)運(yùn)行，軌跡重復(fù)性高，易于實(shí)現(xiàn)跟蹤控制，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效率較高，適用于預(yù)制及現(xiàn)場全位置焊接?？山鉀Q建筑工程中厚壁、長焊縫、多種焊接位置的鋼結(jié)構(gòu)安裝現(xiàn)場自動(dòng)化焊接問題。目前已成功應(yīng)用于上海中心大廈22層、66層桁架及125層電渦流阻尼器質(zhì)量箱體的現(xiàn)場焊接。

三、工程應(yīng)用

（3）機(jī)器人本體結(jié)構(gòu) 磁吸附式軌道采用摩擦傳動(dòng)，機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)精巧，安裝便捷。

1.上海中心大廈22層、66層伸臂桁架焊接

圖3 巨柱焊接機(jī)器人布置

阻尼器大廳在125層上（標(biāo)高579.300m），長寬10.8m，占據(jù)大廳125～131層整個(gè)空間高度約27m，通過吊點(diǎn)在131層的4組12根鋼索懸掛。電渦流阻尼器質(zhì)量箱重約1 000t。采用Q345B鋼材，板厚80mm，質(zhì)量箱上蓋板共4條焊縫，單條焊縫長度近9m，焊接位置為平焊，非常適宜自動(dòng)化焊接機(jī)器人施工。我們對稱布置兩臺(tái)焊接機(jī)器人協(xié)同焊接，在保證焊接質(zhì)量和進(jìn)度的條件下，降低焊接應(yīng)力和變形，如圖5所示。

焊接操作工根據(jù)現(xiàn)場需要裝配軌道長度，把自動(dòng)焊匹配使用的焊接控制箱、焊接電源及送絲機(jī)，通過焊接電纜與焊接小車相連接，電纜長度可達(dá)25m左右。在高空焊接過程中，上述設(shè)備可放置在焊接小車周邊位置，焊接保護(hù)氣瓶通過氣管與控制箱連接。焊接操作工利用焊接機(jī)器人示教功能對焊縫進(jìn)行示教操作，保證焊接過程中熔池中心與焊縫中心一致，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的優(yōu)化組合，可進(jìn)行連續(xù)焊接，如圖4所示。

2.上海中心大廈125層阻尼器質(zhì)量箱焊接

上海中心大廈桁架層是工程焊接的難點(diǎn)和重點(diǎn)，材質(zhì)為Q390GJC，其伸臂桁架的立焊縫最長約4m，板厚達(dá)140mm，僅此一條焊縫就需兩名焊工連續(xù)焊接近40h。按照《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB 50661—2011標(biāo)準(zhǔn)屬于焊接難度D級（最高難度），上海中心大廈共有8道桁架層，每道有長度2～4m、板厚80～140mm的焊縫50條以上。由于現(xiàn)場焊接量相當(dāng)大，常規(guī)的手工焊接效率不高，且焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，所以為提高現(xiàn)場焊接效率和質(zhì)量，解決桁架層幾百條大厚板、長焊縫的焊接難題，我們將焊接機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到桁架層高空焊接。

3.焊接機(jī)器人的優(yōu)勢

我們采用焊接機(jī)器人完成了22F伸臂桁架斜腹桿、66F伸臂桁架上弦桿以及阻尼器質(zhì)量箱焊接，在相同位置和條件下與手工焊接方法相比較，具有以下明顯的優(yōu)勢。

（1）焊接質(zhì)量優(yōu)異，表面成形美觀，焊縫與母材過渡平滑，無損檢測合格率100%。

圖4 焊接機(jī)器人桁架層焊接

圖5 阻尼器質(zhì)量箱焊接

（2）焊接效率高，在焊接的同時(shí)，焊工可以完成焊縫的焊渣清理等工作，焊接過程可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。與氣保焊手工焊接相比，焊接效率提高了50%以上。

（3）工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，焊接機(jī)器人操作焊工只需調(diào)整好焊接參數(shù)，完成焊縫的示教工作，焊接機(jī)器人便可自動(dòng)進(jìn)行焊縫的往復(fù)焊接。

四、結(jié)語

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人技術(shù)以上海中心大廈鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目需求為契機(jī)，帶動(dòng)施工工藝創(chuàng)新、焊接機(jī)器人化施工裝備的研制。通過對高空焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)理論研究，攻克其現(xiàn)場裝配、精確定位及焊接工藝技術(shù)瓶頸，開發(fā)出高效、高精度、智能化現(xiàn)場焊接成套裝備，形成研發(fā)平臺(tái)，從而引領(lǐng)自動(dòng)化、智能化焊接裝備在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，可有效減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及保障其生命安全，為保證建筑鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全提供重要支撐。上海中心大廈總高632m，為在建國內(nèi)最高建筑，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，桁架層采用大厚度高強(qiáng)鋼，構(gòu)件尺寸大，焊接難度高，幾乎囊括了所有超高層建筑典型特點(diǎn)。將焊接機(jī)器人技術(shù)成功應(yīng)用到上海中心大廈工程的建設(shè)，對提高我國建筑業(yè)焊接自動(dòng)化技術(shù)和整體機(jī)械化施工水平具有重要意義。