以智能制造助推中國鋼結構調整升級
2017-12-25 10:42 中國冶金報社 系統管理員
12月8日，《中國智能制造綠皮書（2017）》在2017世界智能制造大會上正式發布，全面梳理了近年來我國智能制造的進展情況，總結了推進智能制造取得的成效、積累的經驗，并分析了存在的問題，提出了措施建議。其中，行業篇介紹了鋼鐵行業等11個重點領域的智能制造發展狀況。
黨的十九大報告指出，我們要建設的現代化是人與自然和諧共生的現代化，要推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合，在中高端消費、創新引領、綠色低碳、共享經濟、現代供應鏈、人力資本服務等領域培育新增長點，形成新動能。當今世界，信息技術指數級增長、數字化網絡化普及應用和集成式智能化創新是第三次工業革命的三大驅動力，加快鋼結構發展，研發生產高強度、耐腐蝕、長壽命等高品質鋼材，為引導鋼材綠色消費和鋼鐵行業智能化發展注入了強大動力。
《鋼鐵工業調整升級規劃（2016年~2020年）》提出，“十三五”時期鋼結構用鋼量要從5000萬噸提高到1億噸，占建筑用鋼的比例要從2015年的10%，提高到2020年的不少于25%。我國鋼結構的產量在“十二五”期間達到5000萬噸，成績突出，但也存在一些問題，有的指標沒有達到既定的目標值。如今，鋼結構產業進入了智能化時代，鋼鐵行業要總結“十二五”鋼結構推廣應用的經驗教訓，以利于實施“十三五”期間鋼結構產業的發展規劃。
推廣應用鋼結構的根本目的在于建立建筑業特別是鋼結構業現代化的新體系，以適應裝配式建筑結構的發展。鋼結構住宅目前的瓶頸是造價偏高和舒適度偏低，鋼結構向智能制造發展時要兼顧到鋼結構企業的利益訴求和住戶的人性化要求。
重視目前鋼結構推廣應用的瓶頸和困難
“十二五”期間，建筑鋼結構用鋼（材）在產量指標和應用領域上出現明顯反差。
《建筑鋼結構行業發展“十二五”規劃》明確，在“十二五”期間，我國要實現建筑鋼結構用鋼材占到全國鋼材總產量的10%左右，鋼結構住宅建設占到房屋總建筑面積的15%左右。那么，該《規劃》執行的結果如何呢？中國鋼鐵工業協會統計數據顯示，2012年、2013年、2014年和2015年國內建筑用鋼量分別為3.06億噸、3.48億噸、4億噸和3.6億噸，分別占當年鋼產量的39%~48%；建筑鋼結構產量分別為3600萬噸、4100萬噸、4600萬噸和5000萬噸，占建筑用鋼量的9%~10%，占全國鋼材總量的5%~6%，尚未到達到“十二五”規劃目標。
建筑鋼結構在應用領域出現的反差體現在，在城市標志性建筑，文化體育場館，超高層、大跨度建筑和跨江、跨海大橋領域創造了輝煌的業績，達到了世界先進水平；但在普通住宅、中小跨度橋梁領域進展緩慢，在量大面廣的新增住宅建筑和中小跨度的橋梁中，鋼結構所占比例分別為4%和1%。鋼結構在應用領域的反差顯示，高檔的產品（高層鋼結構建筑和鋼結構大橋）發展迅速，而中低檔的產品（多層、小高層鋼結構住宅，中小型鋼結構橋梁）發展緩慢。
我國鋼結構產業在2015年產量達到5000萬噸，產業規模居世界第一，2015年~2017年鋼結構產量年平均增長率保持在15%以上，我國已經成為鋼結構大國。但也要看到，建筑鋼結構用鋼量占全國鋼材總量的指標、鋼結構住宅面積占全國新增住宅面積的指標，均未能實現“十二五”規劃的目標，我國鋼結構推廣應用遇到了瓶頸和困難。主要體現在以下5個方面。
一是鋼結構住宅建筑的推廣應用面臨造價偏高和舒適度偏低的問題，前者是企業的利益訴求，后者是消費者的訴求。按全鋼結構裝配式建筑模式建造的一些低層、多層和量大面廣的小高層（20層~30層）示范工程，一方面因為設計費和造價高于鋼筋混凝土建筑，業主往往不愿意采用鋼結構體系；另一方面在居住功能上出現了諸如隔音差、舒適度差、滲漏、開裂等方面的問題，消費者也不甚滿意。但對于高層、超高層建筑，鋼結構裝配式建筑造價更低、質量更好、速度更快，優勢明顯。例如節能80%、節鋼（材）10%~30%、節混凝土60%~70%、節水90%、部品化率為80%~90%，使成本比傳統砼技術壓縮1/4~1/3，可以做到每天建1層~2層。
二是要實現到2020年達到鋼結構產量1億噸的目標，國內企業在產能適應上還有待加強。目前，國內鋼結構企業的生產率是1噸~1.2噸/平方米·年，歐美鋼結構企業的生產率是我國的3倍以上，可以達到3噸/平方米·年。我國鋼結構企業要適應裝配式建筑模式，提高工廠化加工及裝配的生產效率是當務之急。此外，我國還缺乏一大批集鋼材生產、設計研發、施工管理、房地產開發于一體全產業鏈的鋼結構制造集成服務的龍頭企業和產業聯盟。鋼結構產業集群和生產鏈實行“一條龍”服務的典型例證有2008年奧運場館的鋼結構工程。該工程共使用12萬噸鋼材，國內外數十家設計院參與設計，幾十家鋼結構加工廠承擔制作，上百家施工企業承擔安裝施工，上千家產品供應商提供各類產品。
三是鋼結構企業要推廣住宅鋼結構裝配化，就要同住宅鋼筋混凝土裝配化在經濟、技術上競爭較量，這對鋼結構企業是一場嚴峻的考驗。例如，以萬科和遠大住工等建筑企業為代表開發的鋼筋混凝土預制裝配式建筑已取得重大進展。這種建筑模式適合于多層、小高層（20層~30層）辦公和住宅建筑，部品化率為40%~50%，成本接近傳統技術成本，可以做到約5天建一層。
推廣應用鋼結構遇上智能制造時代
目前，對于推廣應用鋼結構，建筑行業和社會輿論的焦點往往放在實現1億噸產量指標上；而對于下列兩個問題：“房屋是要住人的”和“鋼結構如何實現智能化”關注力度不夠。前一個問題是強調“以人為本”，后一個問題是提醒鋼結構產業要“轉型升級”。
鋼結構推廣應用不應當追求重量化，而應當追求輕量化。
裝配式鋼結構耗鋼量更大，這是“雙刃劍”。傳統磚混結構建筑的用鋼量為25千克~45千克/平方米，而裝配式鋼結構住宅層高20層~30層的建筑用鋼量為60千克~70千克/平方米。因此，鋼結構輕量化是國際上的發展方向，提高強度是有效的措施。在國際上，美國建筑采用Q460鋼，在橋梁中使用Q485和Q690鋼級；日本、澳大利亞和德國使用Q690鋼級。我國《鋼鐵工業調整升級規劃（2016年~2020年）》將鋼結構用鋼的強度提高到以“Q345+Q390”為主，在國際建筑界仍是中檔偏低的水平。
換一個思路，假設在“十三五”期間，采用鋼級（Q345+Q390）的條件下，用鋼量要達到1億噸的指標以實現“十三五”鋼結構建筑所占的比例；而在Q460鋼級的條件下，只需要7000萬噸用鋼量同樣可以實現“十三五”鋼結構建筑所占的比例，還節省3000萬噸用鋼量，而且可以降低成本。對鋼鐵行業來說，已經具備生產Q460~Q690鋼級的能力，關鍵在鋼結構行業的設計、制作和安裝上的一些問題須要研究和解決。
鋼結構尤其是建筑鋼結構用鋼的特點是多品種、多規格和少批量，這與西方發達國家電爐短流程生產模式（占比25.8%）相適應；而我國主要是高爐—轉爐長流程生產模式（占90%），適應于少規格而批量大的用鋼品種，例如棒線材和熱軋板帶，因而砼建筑用的鋼筋和鐵路大橋用的鋼板很容易取材，所以發展較快。
在我國目前結構鋼材應用中，鋼板占61%，鋼管占14%，熱軋型鋼占16%，冷彎型鋼占5%，這說明我國的結構鋼仍以焊接結構為主。多規格焊接結構用鋼需要大量鋼板卷制、焊接、加工而成型，費工、費料又費時，這也是造成我國鋼結構生產率低的原因。裝配式鋼結構建筑是“集成化設計、工業化生產、裝配式施工、一體化裝修”，發展智能制造適逢其時。
鋼結構智能化制造在操作上如何實施？
在智能化時代，推廣應用鋼結構于建筑，不是在原來砼結構的圖紙上修修改改那么簡單。對鋼結構企業來說，雖然生產流程是屬于“離散型”，但同樣要智能化，需要運用“互聯網+鋼結構制造”的深度融合，探索新的“設計—制造—安裝—裝飾”一體化的發展理念，形成現代化的完整的鋼結構推廣體系，從而促進鋼結構產業調整升級。
首先，應該從建筑專業系統集成設計著手，運用信息技術和BIM技術即建筑信息模型實現工程的智能升級。在設計階段，鋼結構企業可以通過對建筑進行系統分析、模擬施工、統計計算等，實現多維數字設計程序，對建筑構件的節點連接技術、建筑集成的梁柱構件、每塊墻體板材，都按照裝配工藝、工序要求、裝配順序實現編號、掃描碼管理，做到裝配件的唯一性、可追溯性。在此基礎上，確定施工和制作方案，將構件先后制作順序、構件進場的時間順序、吊裝順序進行精細化模擬仿真，規劃起重機的位置及路徑，可避免施工過程中的動態干涉，保證各階段施工順利進行，提高生產效率和工程質量。中國十九冶在成都的邁特航空精密緊固件公司輕鋼結構廠房、二環路“雙快”工程，以及中石油通信鐵塔工程等20余個項目都是使用BIM技術，節約了工期和成本。
其次，要盡量減少現場施工的人工作業量，力爭建筑主要構件和集成模塊都實現工廠化生產，因此，機械化、自動化、數字化鈑金作業勢在必行。一些地方規定，現場焊接量超過50%的將不被認定為裝配式建筑，這應當引起鋼結構企業的重視。鋼結構企業應提高鈑金加工水平，配置模塊化裝配單元，減少現場焊接，以加快施工進度，體現工業化生產的特征。目前國內鋼結構常見的二次數控加工設備包括數控三維鉆床、數控轉角帶鋸、數控鎖口機及相關的自動化料道等，初步實現了柔性加工；下料工藝采用激光切割機，成型工藝采用激光彎曲成型機和數控板料、折彎機等，進入了國際先進水平；數字化在線檢測技術應用激光跟蹤儀、關節臂測量機等能實現最終尺寸精度檢測。同時，鋼結構企業要邁出堅實的步伐，在工廠化加工上實現信息化管理。
最后，建筑制造智能化還表現在綠色化和人性化上，所以要在補短板上取得突破，特別要補齊與結構配套的綠色新型墻板。建筑內外墻體、樓板是建筑面積的3~3.5倍，占整個建筑造價的30%~40%。房屋是用來住人的，鋼結構圍護墻體的一些缺陷如隔音保溫、裂縫滲漏、墻板空心等影響人們日常生活的舒適度，不易為消費者所接受。因此，智能化與人性化要統一，在選材上和制作上要注重細節質量，“百年大計，質量第一”。
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