國產建筑機器人世博建功
拼焊六座陽光谷一萬多個關鍵節(jié)點
《中國經濟周刊》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)美的鋼結構建筑，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？會被臺風吹倒嗎？”
“從陽光谷下面走過的游人完全不必擔心安全問題，連接陽光谷整個鋼結構的關鍵節(jié)點都是由機器人制作完成的，采用全數字化、自動化的生產工藝，確保陽光谷的建設符合設計的安全標準。” 參與了陽光谷建設的天津大學機械學院副教授梅江平告訴《中國經濟周刊》。
參加陽光谷建設的機器人，全名為“多桿匯交瓣式網殼節(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、江蘇省江陰納爾捷機器人有限公司（下稱“納爾捷公司”）、上海建工集團子公司上海機械施工有限公司合作承擔。“這是我國首次將機器人技術應用于鋼結構網殼節(jié)點加工。”納爾捷公司副總經理陶勤良向記者透露。
此前，北京石油化工學院裝備技術研究所自行研發(fā)的焊接機器人曾在“鳥巢”工程現場順利完成次結構實焊操作。
隨著城市發(fā)展，高層建筑、鋼結構建筑、社會公共建筑，特別是國家大型工程對施工的質量、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。“隨著陽光谷的建成，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，它像一只巨大的喇叭，聯結世博軸兩側的草坡，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)能空調系統(tǒng)。于是，當德國SBA公司提出這個設計建議時，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，盡管很多人關注造型。”德國SBA公司項目主管建筑師、世博軸主創(chuàng)設計師之一李宏告訴記者。
但是，6個陽光谷鋼結構總重達3035噸，每個陽光谷由1700個單元構建而成。如此大的工程，其制作精度大大超出中國現有的建筑規(guī)范。而要把2000平方米一塊的巨大索膜結構安裝到位，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。“德國人的理由是，中國絕對做不出高質量的陽光谷。”梅江平說。
德國的報價遠超世博局的設想，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)缀醺鳟悾總€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。”梅江平告訴《中國經濟周刊》，現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，最終編織成網殼。節(jié)點總數達1萬多個，規(guī)格有五六千種。“這已經遠遠超出了建筑的概念，而類似于工廠做機械了，我們稱之為‘精細鋼結構建筑’。”
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，陽光谷的遠端就會失之千里。似乎也只有德國人可以精準無誤地將節(jié)點制作出來。”梅江平回憶當時的情景。
不過，鑒于德國廠家高昂的報價，2008年開始，世博局在國內尋找了幾家企業(yè)，其中包括曾參與鳥巢建設的企業(yè)，進行節(jié)點制作攻關預演，如果不行就取消陽光谷。不過，因為“制作成本高、施工周期和質量很難控制”，這些企業(yè)的預演都沒能讓人完全滿意。后來，在上海建工集團副總工程師吳欣之的引薦下，世博局領導考察了納爾捷公司，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，在完成最大的1個陽光谷之后，我們自覺企業(yè)太小，又不能耽誤工程進度，最終撤出了陽光谷的整體建造，改為提供技術，僅為陽光谷制作節(jié)點。可以說，陽光谷上三分之二的節(jié)點都是我們做的。”陶勤良說。為此，還有德國公司還找到他們，希望將建筑機器人技術拿到國外去。
事實上，與國內建筑機器人領域基本為空白相比，在美日等發(fā)達國家，相關研究早已開始，而且已經趨于成熟。比如，美國卡內基·梅隆大學、麻省理工學院等院校一直在研制管道挖掘和埋設機器人、內墻安裝機器人等，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。
隨著國內自主創(chuàng)新建筑機器人在世博會標志性建筑中的應用，一個建筑機器人行業(yè)有望隨之興起。據梅江平介紹，由天津大學起草的《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，“我們已準備將機器人用于滬上第一摩天樓‘上海中心’的建設。”
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