作者：陈振明、王朋、肖运通、李毅、左志勇

出处：《建筑钢结构进展》2025年（第27卷第01期）

主题：建筑钢结构；智能制造；先进工艺；智能装备；数字化管控

链接：期刊官网（摘要页）：https://cjournal.hep.com.cn/1671-9379/CN/1159983532681650570期刊官网（PDF全文）：https://cjournal.hep.com.cn/1671-9379/CN/PDF/10.13969/j.jzgjgjz.20230815001知网（CNKI）阅读页：https://read.cnki.net/web/Journal/Article/JZJZ202501002.htmlDOAJ开放获取页：https://doaj.org/article/716e44bab6df4e08a69c109a1fa44f83

摘要：加快钢结构制造智能化升级，发展新型建造方式，不仅是推动建筑业高质量发展的重点任务，也是我国向制造强国目标迈进的主攻方向。建筑钢结构制造属于典型的离散制造生产方式，具有标准化程度低、生产批量小和种类多样的特点，目前多采用人工辅助的机械化生产，制造生产方式仍然比较落后，因此解决建筑钢结构制造的关键技术问题对实现建筑工业化和智能化具有重要意义。针对建筑钢结构智能制造存在的装备智能化程度低、制造工艺较传统及生产管控数字化不足等问题，研究了建筑钢结构智能制造生产线规划设计、智能装备和先进制造工艺技术以及生产过程数字化管控等诸多内容，并通过数字孪生模型和微型生产线联调联动测试实验对智能生产线的可行性进行了技术验证，为钢结构智能生产线设计和既有生产线升级改造提供了很好的应用示例

一、研究背景与研究出发点

1.1 政策与行业背景

国家住房和城乡建设部等9个部门于2020年联合印发了《智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，指导推进建筑工业化、数字化、智能化升级，加快建造方式转变，推动建筑业高质量发展。钢结构建筑建造体系是实现建筑工业化、智能化的重要途径，也是当前国家主推的建造体系。数字化和智能化与建筑业深度融合，既是行业降本增效的有效手段，也是建筑业发展的重要研究方向。

我国钢结构企业数量较多，以小规模企业为主，市场集中度较低，行业规模前五名的公司所占市场份额仅为5%左右。近几年宏观经济、疫情等外部环境变化导致钢材原材料价格波动较大，加速了部分中小型钢结构企业的出清。随着行业技术标准与规范的逐渐完善，市场集中度预计将进一步提高。钢结构企业的数字化、智能化升级已刻不容缓，具备智能化优势的企业将在承接大型工程中持续积累经验，提升市场份额和知名度，引领行业发展。

1.2 钢结构制造的技术痛点

钢结构建筑的建造主要包含设计、制造和安装等过程，其中钢结构制造是承前启后的关键环节。建筑钢结构制造属于典型的离散制造生产方式，具有以下突出特点：

• 构件形式复杂、种类多样
• 生产批量小
• 加工和装配精度不高
• 目前多采用人工辅助的机械化生产，生产方式比较落后

传统的半自动半人工作业已经无法满足目前高精度、高效率、高柔性的生产要求。基于工业机器人、制造装备和物流装备、智能工艺设计、数字化管控等先进制造技术的建筑钢结构智能制造新模式，成为行业发展的主要方向。

1.3 现有研究的不足

通过对既有文献的系统梳理，作者指出当前研究存在以下四方面不足：

1.4 研究出发点

实现钢结构制造智能化的难点主要体现在制造工艺较为传统、制造装备智能化程度低、生产管控数字化不足、整线成线能力薄弱等几个方面。在此背景下，本文以解决工程实际问题为导向，通过对以上关键问题的系统研究，实现关键工序智能化、制造全流程数字化，最终建成世界首条重型H钢智能制造生产线，为建筑钢结构智能制造的实施提供完整示例。

二、工程案例与提升方案

该研究以中建钢构股份有限公司为依托，在天津市钢结构绿色智能制造重点实验室的技术支撑下，从智能装备研制、先进工艺开发和数字化管控三大板块全面推进，最终建成了世界首条重型H钢智能制造生产线。

2.1 制造工序关键智能装备

（1）全工序系列新型智能加工设备

（2）一体化工作站

• 智能下料一体化工作站：基于多设备集成控制技术，开发SCADA数据采集系统和集成管控平台，实现信息高度集成、装备联动协作、全流程自动作业
• 卧式组焊矫一体化工作站：基于一体化输送、缓存和联动技术，实现组立、焊接、矫正3个孤立工序的无生产间隙整合
• 机器人总装焊接一体化工作站：基于C/S架构参数化编程技术，根据工件参数自动生成机器人程序

（3）智能制造生产线

• 通过生产线模拟仿真，采用最优化方法优化工厂设施和物流布局
• 设计微型生产线，通过局部专项试验和联调联动测试验证产线合理性
• 建成首条建筑钢结构智能制造生产线，智能设备在85%的工序中联动运行

2.2 先进制造工艺

（1）钢结构集成下料工艺

开发智能下料集成系统，将材料管理、起重吊装、工艺文件和作业任务管理、操作规程、零件记录与统计等环节集成于中央控制室。建立8~60mm厚钢板专家切割数据库及零件喷墨分级标号方法。

量化成效：人工作业量减少87.5%，工人需求量降低60%，下料效率提高20%。

（2）钢结构卧式组焊矫一体化加工工艺

研发H型钢构件卧式组立、焊接、矫正一体化加工工艺，彻底革新传统立式工艺。建立6~35mm厚腹板的卧式组焊矫工艺数据库，开发H型钢卧式生产管理系统，实现设备互联与协同控制。

量化成效：人工操作步骤量减少90%，效率提升30%。

（3）中厚板免清根全熔透机器人焊接工艺

对影响焊接质量的11种工艺参数进行焊接试验，探究双侧坡口形状、角度、钝边、间隙等变量对根部熔透性的影响。建立适用于8~40mm板厚的机器人多层多道焊接参数专家数据库。开发H型牛腿、H型总成、箱型打底、箱型总成4套参数化编程系统，输入工件尺寸即可自动完成程序输出，显著提高编程效率。

2.3 数字化管控技术

（1）生产线信息集成技术

集成多种主流工业协议，实现不同类型设备终端的高效数据采集和低延时传输。设计面向钢结构生产线承载网的工业PON系统（汇聚设备OLT+无源分光器+接入设备ONU），采用单点到多点结构和无源光纤传输，确保生产基础数据传输的低延时和高可靠性。

（2）精益管理制造执行系统（MES）

研究数据实时采集和监控技术与生产过程管理技术，构建管控一体化平台。在生产现场布置PDA智能手机、LED生产看板、条码采集器、RFID系统等设备，对从原材料上线到成品入库的全过程进行实时数据采集、控制和监控。通过过程管理、产品追踪、物料管理、设备管理、质量管理等功能模块，实时将生产结果、人员响应、设备状态、库存和质量状况反馈到BIM系统，实现可视化生产和全过程数字化管控。

（3）工业互联网大数据分析与应用平台

构建工业互联网数据体系，汇聚设备运行数据和业务系统（BIM系统、业财系统、能耗系统、下料集成系统等）运营数据。基于数字孪生技术建立钢结构智能生产线设备数字孪生模型，实现物理设备参数与数字模型参数的实时交互映射。开发面向钢结构制造的首个工业互联网大数据分析与应用平台，形成基于状态感知→实时分析→科学决策→精准执行的信息物理系统闭环。以实时数据为基础，按照项目成本精细化管理、产线成本优化、设备工艺参数优化、设备易损件管理4个维度进行工业大数据分析。

三、提升方案对比分析

3.1 关键工序智能化改造前后对比

3.2 数字化管控改造前后对比

3.3 核心突破

区别于以往单元级或工序级的智能化研究，该研究的核心突破在于实现了建筑钢结构制造生产线的整线智能化，从智能装备、先进工艺到数字化管控形成了完整的技术闭环，解决了传统生产线工序衔接不紧密、工位无法满足自动化生产需求、智能化程度低的问题。

四、研究结论与工程应用价值

4.1 主要结论

1. 智能制造体系构建成功：以解决工程实际问题为导向，形成了建筑钢结构智能制造关键装备、先进工艺、数字化技术三大板块的创新成果，有效解决了钢结构智能制造过程中遇到的诸多技术难题。
2. 整线智能化实现突破：区别于以往单元级或工序级的智能化研究，该研究实现了建筑钢结构制造生产线的整线智能化，建成了世界首条重型H钢智能制造生产线。
3. 降本增效效果显著：通过量化数据充分验证了智能制造的巨大效益——人工作业量减少87.5%、工人需求量降低60%、人工操作步骤量减少90%、下料效率提高20%、H型钢生产效率提升30%。
4. 技术可行性得到验证：通过数字孪生模型和微型生产线联调联动测试实验，验证了智能生产线的技术可行性。

4.2 工程应用价值

• 大规模工程验证：研究成果成功应用于100多项国内外大型实际工程及多个钢结构制造企业生产线智能化升级改造项目，取得了显著的社会经济效益。
• 行业示范引领：为钢结构智能生产线设计和既有生产线升级改造提供了完整的可复制解决方案，在行业内起到了很好的应用示范作用。
• 技术路线确立：系统性地回答了建筑钢结构智能制造“怎么做”的问题——从智能装备研制、先进工艺开发到数字化管控平台建设，形成了一条完整的实施路径，为行业企业提供了清晰的转型方向。

4.3 未来展望

文章指出，由于建筑钢结构制造行业的特殊性，其自动化、智能化程度仍远远落后于其他行业。为持续提升智能制造水平，需在以下三方面深入研究：

此外，从行业层面还需：一是提高钢结构构件的标准化水平，减少加工环节和复杂度；二是加强专业化设计团队建设，建立多层次专业人才培养体系。