徐能彬，許友武，姚 諫，冷新中，林賢彬，胡啟煜

（1.浙江建工綠智鋼結(jié)構(gòu)有限公司，浙江 衢州 324400；2.衢州學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

引言

近年來，鋼結(jié)構(gòu)由于其工廠加工構(gòu)件、現(xiàn)場連接的施工特點與裝配式建筑完美契合，且鋼結(jié)構(gòu)具有綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點，符合綠色建筑的要求，是建筑工業(yè)化的主要發(fā)展方向，正在國家和地方政府的支持下迅猛發(fā)展[1]。我國的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量，從2010年至今不斷增加，年均增速保持在10%以上，且仍保持著快速增長的勢頭。

但目前鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過程仍以人工勞動為主，加工效率、精度和自動化程度較低，而且隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國民生活水平的不斷提高，愿意從事勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、簡單重復(fù)工作的產(chǎn)線工人也越來越少，難以支撐鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

在世界各國都在大力發(fā)展智能制造技術(shù)的時代潮流下，我國也越來越重視智能制造技術(shù)，國務(wù)院于2015年印發(fā)的《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃中，大力引導(dǎo)我國智能制造的發(fā)展，推動智能制造領(lǐng)域的研究與支持，迎接我國“工業(yè)4.0時代”的到來[2]。

鋼結(jié)構(gòu)是與生俱來的具有智能制造基因的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，可以參照汽車制造行業(yè)引入工業(yè)機(jī)器人替代人工，實現(xiàn)生產(chǎn)制造的智能自動化。目前已有國內(nèi)外企業(yè)探索鋼結(jié)構(gòu)的建筑工業(yè)化和智能化，并取得一定成效。比如奧地利之門公司開發(fā)了一套用于H型鋼上裝配焊接各種勁板、連接板、牛腿等的智能加工系統(tǒng)，該套系統(tǒng)是基于熱軋H型鋼為工件而設(shè)計，且其裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，不利于在我國推廣應(yīng)用。中建鋼構(gòu)建設(shè)了一條重型H型鋼智能生產(chǎn)線，引入六軸工業(yè)機(jī)器人，對機(jī)器人進(jìn)行深度定制設(shè)計，采用機(jī)器人離線編程、激光尋位跟蹤、焊縫和坡口自適應(yīng)、零配件三維定位及智能分揀等先進(jìn)技術(shù)，自動完成構(gòu)件的切割、搬運、焊接等核心工序[3]。該生產(chǎn)線將切割、搬運、焊接等核心工序進(jìn)行分解，分別建立切割工位、搬運小車和焊接工作站，優(yōu)勢在單一加工工序有利于機(jī)器人作業(yè)實現(xiàn)；但各工序分解獨立，無法充分保證工序之間銜接的連續(xù)性。

為實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的智能制造，改善已有生產(chǎn)線的不足，浙江建工綠智鋼結(jié)構(gòu)有限公司基于數(shù)字化經(jīng)濟(jì)下的建筑工業(yè)化和建筑智能化的發(fā)展大背景，研發(fā)了基于BIM和機(jī)器人的H型鋼智能自動化生產(chǎn)線（以下簡稱智能生產(chǎn)線）。該生產(chǎn)線是一套可復(fù)制、柔性的智能化生產(chǎn)線，適用于鋼結(jié)構(gòu)智能化生產(chǎn)的BIM信息管理技術(shù)，將BIM技術(shù)融入整個生產(chǎn)全過程，實現(xiàn)自動化的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和統(tǒng)計分析。該生產(chǎn)線具有裝備自動化、工藝數(shù)字化、生產(chǎn)柔性化、過程可視化和信息集成化的特點，可降低人工成本、加快構(gòu)件生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品優(yōu)良率、實現(xiàn)24 h不間斷作業(yè)[4]。

1 智能生產(chǎn)線

下頁圖1所示即為智能生產(chǎn)線，由“清割島”系統(tǒng)（下頁圖2）、“組焊?！毕到y(tǒng)（下頁圖3）和智能加工中心（下頁圖4）組成，“清割島”是智能生產(chǎn)線的前端備料工序，包括表面處理單元、條板切割單元、桁架搬運單元和清邊倒角單元，其功能是將鋼板加工成后續(xù)所需的條板。“組焊?！笔侵悄苌a(chǎn)線的主要工序，包括進(jìn)料、組立、埋弧焊、除渣、翻轉(zhuǎn)、矯正和鋸切等單元，通過各個單元的整體協(xié)調(diào)以完成H型鋼的生產(chǎn)。智能加工中心是鋼結(jié)構(gòu)智能裝配加工一體化工作站，工作站內(nèi)切割機(jī)器人負(fù)責(zé)對主構(gòu)件進(jìn)行等離子切割，完成開鎖口、割圓孔、開坡口等工作，搬運機(jī)器人負(fù)責(zé)輔板上料和自動定位，焊接機(jī)器人負(fù)責(zé)輔板焊接，伺服變位機(jī)配合三臺機(jī)器人協(xié)同工作，完成零部件的定位組裝，形成裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

圖1 智能生產(chǎn)線

圖2 “清割島”系統(tǒng)

圖3 “組焊?！毕到y(tǒng)

圖4 智能加工中心

如圖5所示，為確保設(shè)計、生成和管理的全程互通，實現(xiàn)真正的智能自動化，開發(fā)“鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”和“智能加工數(shù)據(jù)生成軟件”，采集鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計端的BIM數(shù)據(jù)，上傳至“鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺”進(jìn)行歸集管理；通過“邊緣計算與數(shù)字孿生系統(tǒng)”將管理平臺上的加工數(shù)據(jù)下發(fā)至產(chǎn)線設(shè)備，指導(dǎo)整個生產(chǎn)線的運行；“邊緣計算與數(shù)字孿生系統(tǒng)”實時采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)出設(shè)備實際運行狀態(tài)，對實際運行數(shù)據(jù)分析處理，將處理后的加工數(shù)據(jù)即時下發(fā)回產(chǎn)線設(shè)備、并上傳至“鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺”進(jìn)行歸集管理；從而實現(xiàn)了從設(shè)計層—管理層—設(shè)備層數(shù)據(jù)的傳遞、管理與交互。

圖5 智能生產(chǎn)線架構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能線綜合設(shè)計和設(shè)備制造技術(shù)

傳統(tǒng)的鋼構(gòu)件制造，采用的是自動化或半自動的加工設(shè)備，由人工操作設(shè)備完成放樣、鋼板的切割、條板的轉(zhuǎn)運和H型鋼的組立焊接等，存在危險性大，產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等缺點。

針對傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過程的自動化程度不足，首次設(shè)計并制造了H型鋼結(jié)構(gòu)全工序的智能自動化生產(chǎn)線，整條生產(chǎn)線設(shè)計了全輥道線+桁架機(jī)械手的自動物流，十把割槍自動調(diào)節(jié)的高效數(shù)控切割機(jī)，機(jī)器人自動焊接系統(tǒng)，高柔性適應(yīng)多規(guī)格構(gòu)件的組立焊接變位一體化設(shè)備，雙焊縫自動埋弧焊接設(shè)備。各個設(shè)備單元的定位、動作傳遞結(jié)合了多種傳感，保證設(shè)備穩(wěn)定、可靠、高效，為生產(chǎn)線實現(xiàn)高度自動化、智能化奠定設(shè)備結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)等硬件基礎(chǔ)。智能生產(chǎn)線具有裝備自動化、工藝數(shù)字化、生產(chǎn)柔性化、過程可視化、信息集成化的特點，可實現(xiàn)降低人工成本、加快構(gòu)件生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)智能生產(chǎn)線生產(chǎn)的鋼構(gòu)件產(chǎn)品，具有精度高、質(zhì)量穩(wěn)定、綜合成本低和柔性制造的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品相比，極具市場競爭力（見下頁圖6）。

圖6 智能生產(chǎn)線與傳統(tǒng)生產(chǎn)線對比

智能生產(chǎn)線設(shè)備配合鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺，可實現(xiàn)從鋼板到鋼構(gòu)件的連續(xù)自動化加工。“鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”和“建筑鋼結(jié)構(gòu)智能加工軌跡與指令數(shù)據(jù)生成軟件”，采集鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計端的BIM數(shù)據(jù)，上傳至鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺進(jìn)行智能管理，再通過“邊緣計算與數(shù)字孿生系統(tǒng)”將管理平臺上的加工數(shù)據(jù)精準(zhǔn)下發(fā)至產(chǎn)線各設(shè)備并驅(qū)動其有序工作，實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動化智能化運行。

2.2 BIM信息傳遞管理技術(shù)

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加工，技術(shù)人員完成深化設(shè)計后將設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)成二維CAD圖紙交由加工廠加工，存在數(shù)字化程度低、效率低和易出錯的缺點。針對傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加工過程沒有充分利用深化設(shè)計數(shù)據(jù)以及人工收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不足，開發(fā)了建筑鋼結(jié)構(gòu)智能加工軌跡與指令數(shù)據(jù)生成軟件（以下簡稱加工數(shù)據(jù)生成軟件）、鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺等軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)BIM模型數(shù)據(jù)高效處理、管理和傳遞，全面打通鋼結(jié)構(gòu)件從設(shè)計到加工再到生產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)流（見圖7），改變現(xiàn)有生產(chǎn)模式，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時，將BIM技術(shù)融入整個生產(chǎn)全過程，實現(xiàn)自動化的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、統(tǒng)計分析。

圖7 BIM信息傳遞管理技術(shù)架構(gòu)

2.2.1 鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（見圖8），可對多個工程項目的鋼構(gòu)件設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行歸并處理，提取出符合H型鋼智能自動化生產(chǎn)線加工范圍的鋼構(gòu)件；對歸并后的構(gòu)件數(shù)據(jù)按截面和長度進(jìn)行最優(yōu)排產(chǎn)組合，并對最優(yōu)排產(chǎn)下的條板進(jìn)行下料排版，最終形成所需的構(gòu)件排產(chǎn)數(shù)據(jù)流，為H型鋼智能自動化生產(chǎn)線的有效運行提供數(shù)據(jù)支持。

圖8 鋼構(gòu)件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

2.2.2 加工數(shù)據(jù)生成軟件

建筑鋼結(jié)構(gòu)智能加工軌跡與指令數(shù)據(jù)生成軟件，用于從深化設(shè)計模型中提取機(jī)器人作業(yè)程序所需的加工數(shù)據(jù)，打通了鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計模型與機(jī)器人離線編程軟件之間的數(shù)據(jù)鏈，有效提高離線編程軟件軌跡規(guī)劃效率。

2.2.3 鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加工管理粗放，一般還采用簡單的excel表格來對項目訂單、加工任務(wù)、工作量統(tǒng)計等進(jìn)行管理，存在效率低、信息不及時、統(tǒng)計困難等缺點，管理人員無法第一時間得知加工車間的實際情況。針對上述信息化管理不足，項目研發(fā)一套契合鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理、高度集成化和模塊化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)（見圖9），輔助智能線的生產(chǎn)需求，同時將工廠內(nèi)傳統(tǒng)生產(chǎn)線統(tǒng)一管理，協(xié)同排產(chǎn)，將車間整體生產(chǎn)能力最優(yōu)化，管理可視化。

圖9 鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺

2.2.4 數(shù)字孿生系統(tǒng)

通過Janus邊緣計算平臺實現(xiàn)了數(shù)字模型與智能產(chǎn)線之間的信息交互。數(shù)字孿生系統(tǒng)（見下頁圖10）實時采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)出設(shè)備實際運行狀態(tài)，并對實際運行數(shù)據(jù)的分析處理，將優(yōu)化處理后的加工數(shù)據(jù)即時下發(fā)回產(chǎn)線設(shè)備、并上傳至“鋼結(jié)構(gòu)制造智能管理平臺”進(jìn)行歸集管理；從而實現(xiàn)了從設(shè)計層—管理層—設(shè)備層數(shù)據(jù)的傳遞、管理與交互。

圖10 數(shù)字孿生系統(tǒng)

3 工程應(yīng)用

該智能生產(chǎn)線已與2020年在浙西新型建筑工業(yè)化產(chǎn)業(yè)園龍游鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)基地建成投產(chǎn)，并于2020年9月28日成功生成首根H型鋼。目前，該智能生產(chǎn)線具備日產(chǎn)40 t（8 h）H型鋼的能力，所生產(chǎn)的H型鋼全部符合要求，合格率達(dá)100%。該生產(chǎn)線操作人員為8人，平均50 min內(nèi)可以生成出一根12 m長的H型鋼，約為傳統(tǒng)生產(chǎn)線的2～3倍。

4 結(jié)語

隨著“工業(yè)4.0”時代的到來，智能制造將應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，尤其是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑。BIM技術(shù)作為現(xiàn)在建筑工程領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，配合工業(yè)機(jī)器人，在鋼結(jié)構(gòu)智能制造上大有可為。

本文研發(fā)的智能生產(chǎn)線，可實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品加工質(zhì)量的提高、加工效率的提升，同時還能大大壓縮成本。整條智能生產(chǎn)線的設(shè)計和應(yīng)用，對實際鋼結(jié)構(gòu)工程具有重要的指導(dǎo)意義。