体育场钢网架自动切割机器人运用

体育场钢网架自动切割机器人运用

王坚候 2，陈腾 1，李沛霖 2，张骋 3，凌月娟 3

中建三局集团华南有限公司 1，中建三局集团有限公司 2，深圳市体育中心运营管理有限公司 3 广东省深圳市， 518037

摘要：由中建三局集团华南公司承接的体育场改造提升工程在进行悬挑钢网架拆除过程中，运用我司自主研发的自动切割机器人。体育场环形悬挑钢网架距地面最大高度为30m，由于下方部分混凝土结构须进行保留，作为后续新建工程的一部分，因此，我司采取保护性拆除方式，经过3次专家论证，最终确定采用胎架回顶，延钢网架径向切割成36小单元，每个小单元使用400t履带吊整体吊装。由于高空拆除作业工序较多，我司承接该工程后，基于无人化自动切割、远程操作等内容，自主研发钢网架自动切割机器人，以较少人员高空作业的工作量。经过多次现场试验、调试、迭代更新，最终使用该设备进行部分钢网架切割，也为下一步研发，指明了方向，通过不断的研发、实践，逐步提高我司科研能力。

关键字：钢网架，研发，无人化，机器人

引言

钢网架自动切割机器人主要由三部分组成：等离子切割头、6轴机械臂、汽车吊连接件。综合体育场实际情况，分析、考察各类切割方式的优缺点：火焰、等离子、砂轮片、钢锯等等，经过半个月综合比选，确定采用等离子切割方式。通过solidworks建模设计，联系加工场进行零件加工，组装试验，调试，重新设计，迭代更新，加工，组装，移交项目部进行现场试验、实际操作，经过3个月的自主研发，我司将第三代自动切割机器人运用与体育场改造提升工程钢网架拆除。

1、工程概况

我司承建体育场改造提升工程，环形钢网架平面由四段圆弧组成，南北轴长258m，东西轴长200m，合计32500个座位，是一座全飘棚式的专业足球场。悬挑钢网架为正方四棱锥结构，整体重约1000t，最高处距地面约30m，整体划分12个单元，每个单元沿径向切割成3个小单元，共计36个小单元，每个小单元重约25-30t。改造后，保留最外部72根斜柱及4圈环梁，看台平板采用预制清水混凝土施工工艺，扩建成45000座的专业足球场，满足国际足联FIFA的比赛要求，同时，也具备承接大型娱乐演出、晚会、嘉年华等文娱活动的条件。

2、运用情况

2.1现场调试、试验

钢网架自动切割机器人在我司设备中心进行开发及加工，依靠我司既有设备资源及场地，同时依靠东莞区域的大量的加工厂，快速完成三代机器人的迭代更新，初步具备切割条件。经历多次的研发、试验、修改、加工，在设备中心完成了不同钢管的切割试验，最终地面上切割大约10秒完成单根杆件的切割。基于设备中心的试验情况，我司直接将机器人运至深圳市体育场项目，着手开始进行现场试验工作。

开始试验前须将等离子切割头、6轴机械臂、汽车吊连接件、160t汽车吊连成一个整体，经过3次调整，最终敲定汽车吊与连接件进行插销连接，连接件与钢板焊接，钢板与机械臂底座螺栓连接，机械臂与切割头进行焊接，才使切割机器人安装完成，进行调试、试验工作。在调试过程中，重点进行等离子切割头的旋转、固定杆伸缩、等离子切割启动等调试；还有进行视频监控点位布设及动态控制，确保视觉接受顺畅，具备远程操作条件。

调试完成后，进行现场试验，切割体育场看台板上待拆除的栏杆，除了就位时间较长，其他试验调试较为顺利。后续进行钢网架切割试验，进行空间点位就位模拟，由于距离30m以上，视频监控随机械臂本身进行动态调整，等离子切割头距离杆件中心超过50mm，切割效果就严重降低，因此，我司经过多次试验，模拟调整，采用坐标控制法进行就位控制，勉强达到要求。进行现场钢网架切割试验，均能进行切割，且白天、黑夜均能进行操作，实现了高空钢网架无人化切割。

2.2现场管理重点

场地提供，旁站封闭管理。由于采用160t汽车吊作为机器人的高度支撑，以满足30m高空作业要求，须做好现场场地的封闭管理，周边须满足汽车吊站位要求，旁站限制旋转半径内无其他人员，且钢网架切割区域底下无其他人员及重要的设备、材料等。确保环境安全，不会对现场其他区域作业造成影响。同时进行现场环场道路控制，汽车吊作业区域不能占用现场主车道，避免与其他区域、其他工序形成交叉作业或者道路拥堵。

远程操控，多设备协同。网架切割重点进行远程操作就位的管理，该项管理为切割效率的主影响因素。钢网架为正方四棱锥，为空间结构，进行网架切割时，须进行3部分位移控制。首先进行汽车吊高度控制，通过控制汽车吊大臂的高度和角度，将切割机器人基本就位，须确保机械臂的自由操作空间及满足等离子切割头能对准杆件。其次进行6轴机械臂控制，通过坐标输入方式，调整等离子切割头对准切割杆件。最后，调整等离子切割头拉杆距离，确保等离子喷射头基本对准杆件中心，然后进行点火，等离子切割头沿着杆件进行环形切割，切断杆件。

安全第一，工完场清。切割过程中，严格落实现场作业申请制度，进行动火作业及工作面申请，同分包单位做好沟通，提前完成上一步工序：胎架回顶、钢屋盖板拆除。执行现场全过程旁站监督，约束工人不随意进出封闭区域，同时，禁止拆除区域下方进行其他作业。切割完成后，及时清理现场残留的杆件材料及切割机器人配套材料，做好工完场清，为下道工序提供场地。

2.3工效统计

使用我司自主研发的机器人进行网架切割实现了远程操作及无人化的目标，但是对于切割工效比不上人工高空作业的效率。使用机器人进行网架切割提高了现场的安全，减少了人员高空作业，但是施工效率暂时比不上人工切割。主要在于人工切割使用火焰切割，需要4个人和1台80m高空车同时配合才能满足切割要求。人工切割效率统计如下，高空车及人员就位约30min，单根杆件2条缝切割预计5min，每次高空车调整预计5min。网架切割机器人就位约50min，机械调试约10min，切割杆件一条缝预计5min，调试预计约10min，切割另外一条缝预计5min。通过数据对比，可以发现整体效率第三代机器人切割是人工切割的2倍以上。但是优势在于其减少人工费用，减少高空作业风险。

3、技术特点

3.1创新性

（1）无人化高空作业，降低安全风险，降低施工费用；

（2）采用大型器械结合机械臂模块，可以实现从粗调到微调；

（3）可以适应不同钢结构屋盖的复杂地形。对环境的适应性强，甚至可在夜间拆除，可实现超静定系统，但同时对于操作者的熟练度要求较高。

（4）技术赋能，解放人工，符合我国建筑行业智能建造的理念。

（5）具有较大提升空间，该机器人仅4个月左右开发，针对正常设备研发周期3年左右，还有很大的发展改进空间。

3.2局限性

（1）机器人切割施工效率低于人工切割，按照完整切割的周期考虑，是人工切割的2倍以上。

（2）由于空间网架的结构复杂性，采用汽车吊作为支撑设备，存在较大的局限，操作空间暂时局限于径向杆件切割。

（3）由于本工程采用胎架回顶，部分钢网架区域自动切割机器人无法进行切割，受胎架之间的拉杆影响。

（4）机械操作过程中，会报错，各系统操作存在冲突及限制，调试时间将加长，更大降低施工效率。

4、结论

体育场改造提升工程钢网架拆除运用我司自主研发的自动切割机器人，经过多次现场试验，已初步具备无人化切割的功能，切割了部分现场钢网架。我司已安全、快速完成钢网架拆除任务，受到深圳市住建局、业主单位的一致好评。同时，针对本项目的运用，我司已初步制定了下一步自动切割机器人的研究方向，主要进行可视化、多方向位移控制等关键技术开发，减少设备的重量，提高支撑设备的灵活度。

参考文献

[1] 建筑施工手册第五版编委会建筑施工手册（第五版）[M]：中国建筑工业出版社，2012.

[2] 工业机器人从入门到精通[M]：化学工业出版社，2020.

[3] 刘红波，张帆等 人工智能在土木工程领域的应用研究现状及展望[J] 土木与环境工程学报(中英文)，2022.

作者简介：王坚候（1994-04-08），男，汉族，本科学士，助理工程师，研究方向：土木工程。