超高層建筑鋼結構焊接機器人技術應用

孟凡全

一、項目概況

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。地下結構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，如圖1所示。

農村留守兒童是特定時代下的產物，解決留守兒童的教育問題，能夠讓數億外出務工人員消除后顧之憂，有助于中國經濟的快速發展。

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

第五，進一步規范水利基建財務管理。要深入探索水利基建財務管理的新模式、新方法，籌集、撥付、使用和管理好水利基本建設資金。要進一步加強基建項目會計核算，合理界定核算主體在水利基建資金管理中的責任分工。要按照項目年度投資計劃及時將資金撥付到項目，做到建設目標、重點任務、資金安排和項目進度相協調，嚴防挪用、套取、騙取項目資金。要繼續完善資金管理制度，對小型項目要積極探索和完善報賬制、先建后補等資金管理模式，進一步提高資金使用效益和效率。要建立健全基建項目法人內控制度，加強內部監管，及時進行竣工財務決算，辦理資產移交手續。

上海中心大廈用鋼量近12萬t。桁架層結構復雜，設計上綜合采用高強螺栓聯接與焊接連接方式，單件構件重達90多t，安裝精度、焊接質量要求極高，桁架層的中厚板焊接量大，僅一區桁架層焊縫就達1 180條之多，鋼材材質主要為Q345GJC和Q390JGC，屬于低合金高強度結構鋼，板材厚度為20～140mm。鑒于桁架層結構的重要性，在桁架層焊接施工過程中，參照美國橋梁焊接標準D1.5對施工全過程加以控制。

二、建造過程中應用的焊接新技術

1.高層建筑鋼結構焊接狀況

圖1 上海中心大廈效果

（1）技術參數 柔性軌道焊接機器人 適應焊接位置：平、橫、立、仰及360°全位置焊接；適應焊縫形式：直縫、環縫及不規則焊縫；適應環形工件尺寸：≥φ168 mm；機器人行走速度：0～160cm/min；焊槍擺動模式：角擺；角擺運條方式：弓、之、點之、直線；擺速：0～255cm/min；擺幅：±25mm；左右滯時：0～6s；焊槍垂直跟蹤行程：150mm；水平跟蹤行程：200mm；程控參數微調幅度：±20%。

圖2 上海中心大廈分區

2.對焊接機器人技術的需求

表2中FXi和FYi分別表示第i個注視采樣點的X和Y坐標,FDi表示第i個采樣點的注視時間,Ampi表示第i個采樣點與第i-1個采樣點之間的眼跳幅度,PDi表示第i個采樣點瞳孔直徑.

（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。

機施集團以上海中心大廈建設為契機，針對焊接節點截面巨大，存在大量厚板、長焊縫現場焊接的特點，與北京石油化工學院、江陰納爾捷機器人公司建立了建筑鋼結構機器人施工集成技術的創新戰略聯盟，進行高空焊接機器人設計理論研究，攻克其現場裝配、精確定位及焊接工藝技術，推動自動化、智能化焊接技術裝備在建筑領域的廣泛應用，減輕工人的勞動強度及保障工人的生命安全，為保證建筑鋼結構的質量和安全提供重要支撐，從而提高我國建筑領域的整體機械化施工水平。

3.全位置焊接機器人技術特點

該軌道式全位置焊接機器人采用模塊化開發路線，整套裝備由軌道、焊接機器人執行器、多自由度焊槍調節控制器、機器人控制平臺及智能化控制模塊等組成，能滿足超高層鋼結構現場安裝焊接作業需求。焊接機器人具有焊槍姿態在線可調、焊接參數存儲記憶、焊縫軌跡在線示教及焊接電源聯動控制等功能，可解決厚壁、長焊縫、多種焊接位置的鋼結構現場自動化焊接問題。焊接末端執行機構能實現多自由度組合，全面適應常規構件的軌跡漸變焊縫自動焊接；焊接機器人柔性本體技術和焊接過程智能化控制技術研究，研制機構模塊化、操作空間/體積比大，滿足高空鋼結構現場不同焊接作業需求，具有如下特點。

目前，國內超高層建筑已進入發展高峰，同時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，使建筑鋼結構的設計日益趨向于采用高強度鋼材的大截面焊接節點型式。由于高強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格。建筑工程對焊接質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CO2氣體保護焊為主，由于施工現場的焊接條件艱苦，工程現場高空作業環境復雜，操作空間條件差，極大地制約了焊工技術水平的正常發揮，且焊工自身主觀因素較多，技術水平參差不齊，容易導致焊接質量不穩定，難以滿足超高層建筑對焊接質量的要求。

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，單一截面焊縫累計長約18m，焊絲消耗量約200kg。巨柱材質為Q345GJC、厚度為55mm。巨柱的高空焊接作業空間小，操作環境受限，且距離地面高、危險性大。現有常規焊接方法難于滿足現場焊接質量及進度需要。若采用多臺柔性軌道全位置焊接機器人同時作業，不但提高焊接質量的穩定性，也極大地降低了焊工的勞動強度，提高焊接效率，巨柱焊接機器人布置如圖3所示。

“人不僅來源于自然，而且其生存與發展一刻也離不開與自然進行物種、能量和信息交換”[13]。體育屬于人類最本質的生命行為，是人類體內能量與外界進行物質轉換的中介。肉體并不是人類精神意志下任意擺布的工具，而是身體內在能量排泄與交換的基地。“知識改變命運”的口號在人類的思想中根深蒂固，將人類禁錮在靜態學習當中。科學知識的豐富所帶來的技術成果，代替了人類的生產勞動。體內的能量逐漸堆積，而發泄的途徑又被科學技術所取代，人類被一系列的文明疾病(如肥胖)所纏繞。生命在于運動，健康始于鍛煉。體育是異于靜態工作的身體行為，是一種動態的生活方式，承擔了幫助人類認清自己生存角色的責任。

復雜系統與復雜性科學，被譽為21世紀的科學，是吸引跨學科廣泛注意的新型交叉科學。我們認為, 研究復雜系統，再現性是一個合理的要求。由于使用多邊矩陣的剖面之間的多種數據運算和多邊矩陣的基陣表示的代數運算來研究數據規律并保證再現性[1]，故本文研究內容如下：剖面的廣義交叉乘法規則是什么? 可以定義的剖面廣義交叉乘法規則有哪些種? 剖面廣義交叉乘法規則是否能夠采用基陣表示的代數運算規則來表達?

建筑鋼結構焊接機器人的特點是可沿著固定軌道往復運行，軌跡重復性高，易于實現跟蹤控制，系統穩定可靠，效率較高，適用于預制及現場全位置焊接。可解決建筑工程中厚壁、長焊縫、多種焊接位置的鋼結構安裝現場自動化焊接問題。目前已成功應用于上海中心大廈22層、66層桁架及125層電渦流阻尼器質量箱體的現場焊接。

三、工程應用

（3）機器人本體結構 磁吸附式軌道采用摩擦傳動，機器人本體結構精巧，安裝便捷。

1.上海中心大廈22層、66層伸臂桁架焊接

圖3 巨柱焊接機器人布置

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

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

2.上海中心大廈125層阻尼器質量箱焊接

上海中心大廈桁架層是工程焊接的難點和重點，材質為Q390GJC，其伸臂桁架的立焊縫最長約4m，板厚達140mm，僅此一條焊縫就需兩名焊工連續焊接近40h。按照《鋼結構焊接規范》GB 50661—2011標準屬于焊接難度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。由于現場焊接量相當大，常規的手工焊接效率不高，且焊接質量不穩定，所以為提高現場焊接效率和質量，解決桁架層幾百條大厚板、長焊縫的焊接難題，我們將焊接機器人技術應用到桁架層高空焊接。

3.焊接機器人的優勢

我們采用焊接機器人完成了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，具有以下明顯的優勢。

（1）焊接質量優異，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 焊接機器人桁架層焊接

圖5 阻尼器質量箱焊接

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

（3）工人勞動強度低，焊接機器人操作焊工只需調整好焊接參數，完成焊縫的示教工作，焊接機器人便可自動進行焊縫的往復焊接。

四、結語

建筑鋼結構焊接機器人技術以上海中心大廈鋼結構工程項目需求為契機，帶動施工工藝創新、焊接機器人化施工裝備的研制。通過對高空焊接機器人設計理論研究，攻克其現場裝配、精確定位及焊接工藝技術瓶頸，開發出高效、高精度、智能化現場焊接成套裝備，形成研發平臺，從而引領自動化、智能化焊接裝備在建筑領域的廣泛應用，可有效減輕工人的勞動強度及保障其生命安全，為保證建筑鋼結構的質量和安全提供重要支撐。上海中心大廈總高632m，為在建國內最高建筑，其結構形式復雜，桁架層采用大厚度高強鋼，構件尺寸大，焊接難度高，幾乎囊括了所有超高層建筑典型特點。將焊接機器人技術成功應用到上海中心大廈工程的建設，對提高我國建筑業焊接自動化技術和整體機械化施工水平具有重要意義。