國產(chǎn)建筑機器人世博建功
拼焊六座陽光谷一萬多個關(guān)鍵節(jié)點
《中國經(jīng)濟(jì)周刊》記者 宋雪蓮 |上海、天津報道
沿上海世博園世博軸，縱列著6座巨型漏斗狀的陽光谷。這些大懸挑、不規(guī)則而造型優(yōu)美的鋼結(jié)構(gòu)建筑，每一個都有十幾層樓高，頂部直徑最大的90米，有足球場大，而底部直徑最大的20米，僅有籃球場大小。
記者站在世博軸仰望陽光谷，不禁疑問，“如此大的跨度，下面又沒有支撐，會垮下來嗎？會被臺風(fēng)吹倒嗎？”
“從陽光谷下面走過的游人完全不必?fù)?dān)心安全問題，連接陽光谷整個鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點都是由機器人制作完成的，采用全數(shù)字化、自動化的生產(chǎn)工藝，確保陽光谷的建設(shè)符合設(shè)計的安全標(biāo)準(zhǔn)?！?參與了陽光谷建設(shè)的天津大學(xué)機械學(xué)院副教授梅江平告訴《中國經(jīng)濟(jì)周刊》。
參加陽光谷建設(shè)的機器人，全名為“多桿匯交瓣式網(wǎng)殼節(jié)點加工機器人成套裝備與示范工程”，是國家863重點科研開發(fā)項目，由天津大學(xué)、江蘇省江陰納爾捷機器人有限公司（下稱“納爾捷公司”）、上海建工集團(tuán)子公司上海機械施工有限公司合作承擔(dān)。“這是我國首次將機器人技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼節(jié)點加工?！奔{爾捷公司副總經(jīng)理陶勤良向記者透露。
此前，北京石油化工學(xué)院裝備技術(shù)研究所自行研發(fā)的焊接機器人曾在“鳥巢”工程現(xiàn)場順利完成次結(jié)構(gòu)實焊操作。
隨著城市發(fā)展，高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)建筑、社會公共建筑，特別是國家大型工程對施工的質(zhì)量、效益和環(huán)境的要求越來越高，傳統(tǒng)的人工施工已不能滿足要求?！半S著陽光谷的建成，今后，將會有更多的多功能機器人向建筑領(lǐng)域滲透。”梅江平說。
陽光谷曾讓世博局“騎虎難下”
也許游客不知道，這些在白天采納陽光、雨天收集雨水、夜晚幻變出炫目色彩的陽光谷，曾在設(shè)計到施工的近2年多時間里讓世博局幾次騎虎難下。
看起來“頭重腳輕”的陽光谷是繼鳥巢以來在中國建筑史上另一個具有標(biāo)志意義的建筑。這類建筑有一個共同特點：節(jié)點繁多，建筑外形可隨建筑物整體曲面的變化而變化，可構(gòu)建各種新穎美觀的空間曲面建筑造型。
“陽光谷”，顧名思義，是一個巨型的陽光采納器，自然光通過它傾瀉入地，可滿足地下空間的采光要求。同時，陽光谷還引入了許多生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保的技術(shù)，它像一只巨大的喇叭，聯(lián)結(jié)世博軸兩側(cè)的草坡，可以把綠色、新鮮空氣都引入各層空間。它還可以作為漏斗來收集雨水，經(jīng)過層層過濾，不僅可以自用，還用于周圍其他場館的灌溉與清潔。而地源熱泵和江水源熱泵則可以為世博會提供高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。于是，當(dāng)?shù)聡鳶BA公司提出這個設(shè)計建議時，獲得了業(yè)界一致好評。
“陽光谷的造型和體量在世界上恐怕也找不出第二個來，但造型來自于功能，盡管很多人關(guān)注造型?！钡聡鳶BA公司項目主管建筑師、世博軸主創(chuàng)設(shè)計師之一李宏告訴記者。
但是，6個陽光谷鋼結(jié)構(gòu)總重達(dá)3035噸，每個陽光谷由1700個單元構(gòu)建而成。如此大的工程，其制作精度大大超出中國現(xiàn)有的建筑規(guī)范。而要把2000平方米一塊的巨大索膜結(jié)構(gòu)安裝到位，更是在國際施工史上沒有記錄。
因為對建筑精度的要求高，具備世界級難度，德國廠家不斷提高工程的報價，最后提到了6.7億元?！暗聡说睦碛墒牵袊^對做不出高質(zhì)量的陽光谷?！泵方秸f。
德國的報價遠(yuǎn)超世博局的設(shè)想，讓世博局打起了退堂鼓。
讓機器人參建陽光谷
“陽光谷最大的特點就是節(jié)點多且?guī)缀醺鳟?，每個節(jié)點的徑向誤差要求小于2毫米，角度誤差要求小于0.1度?！泵方礁嬖V《中國經(jīng)濟(jì)周刊》，現(xiàn)在游客看到的陽光谷上的交織點就是建筑上所說的“鋼節(jié)點”，每個鋼節(jié)點都向不同方向延伸出4～8根6米左右的鋼桿，拼接成一個個大小各異的三角形曲面，最終編織成網(wǎng)殼。節(jié)點總數(shù)達(dá)1萬多個，規(guī)格有五六千種?！斑@已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了建筑的概念，而類似于工廠做機械了，我們稱之為‘精細(xì)鋼結(jié)構(gòu)建筑’?！?/p>
如果采用傳統(tǒng)的拼焊工藝，1萬多個節(jié)點都由鋼板焊接而成，信息管理難度大，制作成本高，效率低，安全性也受到影響。“如果1個節(jié)點的精度差之毫厘，陽光谷的遠(yuǎn)端就會失之千里。似乎也只有德國人可以精準(zhǔn)無誤地將節(jié)點制作出來?！泵方交貞洰?dāng)時的情景。
不過，鑒于德國廠家高昂的報價，2008年開始，世博局在國內(nèi)尋找了幾家企業(yè)，其中包括曾參與鳥巢建設(shè)的企業(yè)，進(jìn)行節(jié)點制作攻關(guān)預(yù)演，如果不行就取消陽光谷。不過，因為“制作成本高、施工周期和質(zhì)量很難控制”，這些企業(yè)的預(yù)演都沒能讓人完全滿意。后來，在上海建工集團(tuán)副總工程師吳欣之的引薦下，世博局領(lǐng)導(dǎo)考察了納爾捷公司，偶然看到該公司用機器人制作的千噸級火炬塔，他們突發(fā)奇想，能否讓機器人做節(jié)點？
“后來，世博局要求我們承接陽光谷建設(shè)，在完成最大的1個陽光谷之后，我們自覺企業(yè)太小，又不能耽誤工程進(jìn)度，最終撤出了陽光谷的整體建造，改為提供技術(shù)，僅為陽光谷制作節(jié)點?？梢哉f，陽光谷上三分之二的節(jié)點都是我們做的?！碧涨诹颊f。為此，還有德國公司還找到他們，希望將建筑機器人技術(shù)拿到國外去。
事實上，與國內(nèi)建筑機器人領(lǐng)域基本為空白相比，在美日等發(fā)達(dá)國家，相關(guān)研究早已開始，而且已經(jīng)趨于成熟。比如，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院等院校一直在研制管道挖掘和埋設(shè)機器人、內(nèi)墻安裝機器人等，并已取得了一批科研成果。日本的建筑機器人開發(fā)數(shù)量最多，到目前為止已開發(fā)出20多種建筑機器人，如高層建筑抹灰機器人、地面磨光機器人、鋪瓷磚機器人、爬墻機器人、混凝土澆灌用機器人等。
隨著國內(nèi)自主創(chuàng)新建筑機器人在世博會標(biāo)志性建筑中的應(yīng)用，一個建筑機器人行業(yè)有望隨之興起。據(jù)梅江平介紹，由天津大學(xué)起草的《建筑機器人立項建議書》已完成并提交住建部。上海機械施工有限公司副總工程師陳曉明則告訴記者，“我們已準(zhǔn)備將機器人用于滬上第一摩天樓‘上海中心’的建設(shè)?！?/p>
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