苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司

一、基本情况

（一）案例简介

　　苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司(以下简称昆仑绿建或公司)采取引进和自主开发相结合的方式，研发了木制品零部件的智能化生产线—昆仑绿建胶合木柔性生产线。在采用国际先进的机械臂和导轨技术基础上，公司自主开发了物料传输系统、视觉定位系统、工装夹具系统以及加工程序软件。公司以多年积累的大量的木制品加工数据为基础，建立了切、铣、钻、镗、锯、打钉、放样等主要加工工序的算法模型，实现了单机六轴智能控制以及多机多轴联动控制，与传统加工中心相比提高了加工效率与精度，实现了非标木构件定制化大批量生产。

（二）申报单位简介

　　苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司，成立于2001年6月，是一家致力于现代木结构绿色低碳节能建筑领域集研发、设计、制造、建设为体系，并提供低碳节能建筑整体系统相关技术服务的国家火炬计划重点高新技术企业。目前拥有总资产171380.22万元，2020年销售收入为43089.34万元。

二、案例应用场景和技术产品特点

（一）技术产品特点

　　1.技术方案要点

　　胶合木加工生产线大致流程是先将胶合木贴上标签，标签有项目信息、木料信息等，通过对信息的读取、处理来控制各个机械装置的运动，包括定位机的运动位置、机械臂调取对应数据进行加工。从原料到成品的过程就是信息处理的过程。

　　图1胶合木智能产线示意图

　　公司自主开发了物料传输系统、视觉定位系统、工装夹具系统以及加工程序软件。

　　(1)物料传输系统。软硬件组成包括自动喷码机、扫码枪、工控机、打印机、控制程序(软件)。自动喷码机在物料上喷涂二维码，二维码绑定物料信息。物料在整个生产的各个环节中通过扫码枪获取物料信息，物料信息传送给工控机，工控机中软件对物料信息处理对比，达到对物料信息的追踪、对比、保存、打印等。使得物料信息具有可追溯性，实时掌控生产过程中物料使用情况。

　　(2)视觉定位系统。软硬件组成包括光源、镜头工业相机、工控机(IPC即工业控制计算机)、机械臂、图像处理软件(软件)。视觉定位就是在机械臂末端安装工业像机，通过工业相机、工业镜头及光源对产品上的特征位置进行拍照取像，通过图像处理计算机(IPC)采集图像数据进行图像处理，并进行位置运算来判断产品的实际位置，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置位置误差值，最后控制高精度的末端执行机构，调整机器人的位姿，以达到机械臂末端执行机构快速，闭环、高精度定位。

　　(3)工装夹具。软硬件组成包括锁紧机构、到位检测传感器、HMI、控制器、控制程序(软件)。控制器按预定程序循环扫描执行，当满足一定条件时控制器发出命令，锁紧机构执行夹紧命令，通过传感器检测动作是否执行到位。控制器实时将夹具状态、故障信息发送给HMI,在HMI的屏幕上清楚的显示夹具的状态和故障信息。

　　(4)加工程序软件。昆仑绿建自动化木材切割优化软件，采用现场总线和TCP/IP网络实现木构件按图纸和用料清单自动优化原料使用，自动下料切割。软件集木材原料使用情况管理、CAD图纸导入、木材原料利用率优化、成品在线喷码功能为一体，实现了木构件自动下料加工。

　　2.关键技术经济指标和创新点

　　(1)技术经济指标

　　单条机器人产线加工能力20m3/(8小时)，相当于传统人工8至10人12小时的工作量;加工精度±0.5mm;劳动强度低、自动化程度高，2组四条生产线只需配两个操作工人负责胶合木料上(下)到流水线平台;时效性、安全性好，可以24小时不间断工作，效率更高。

　　(2)创新点

　　针对各项加工工艺需求，研发一系工业机器人配套专用加工装置，以及与加工工艺配套的加工算法和程序。截止目前共申请发明专利7项，实用新型9项，其中已取得发明专利1项，实用新型授权7项，取得软件著作权1项。

　　昆仑绿建研发的新型加工模式，将工业机器人与木结构产业相融合，由数据仿真的输入，主导机械臂遵循设定好的程序进行加工。取缔了传统手工作业，大幅提高了效率和质量，开槽、打孔、切割、铣销等精准度要求很高的工艺也能够完全胜任，且更具美感、设计感，更多变。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化，满足现代木结构建筑业的需求。传统工艺与智能制造工艺的流程示意图对比如图2所示。

　　图2传统工艺与智能制造流程示意图

　　3.与国内外同类先进技术的比较

　　(1)提高加工效率与精度。公司以十多年积累的大量木制品加工数据为基础，建立了切、铣、钻、镗、锯、打钉、放样等主要加工工序的算法模型，实现了单机六轴智能控制以及多机多轴联动控制，与传统加工中心相比大幅提高了加工效率与精度。

　　(2)实现大尺寸及异形木构件定制化大批量生产。加工中心的局限体现在仅适用于一定尺寸范围的标准化构件加工，对于异形及超大截面构件的加工，只能采传统的人工加工方式。本生产线的大型木构件加工速度是人工方式的3倍以上。

（二）应用总体情况

　　胶合木柔性生产线适用于大型胶合木建筑的大尺寸、异形木构件的定制化大批量生产，自2019年投产以来，先后运用在多个异形复杂木结构工程、大跨度木结构工程，累计建造建筑面积6万多㎡。部分典型项目如图3~6所示。

　　图3国家雪车雪橇中心-超大板柔性加工

图4第十一届江苏园博园城市展园东侧酒店

　　图5天府国际会议中心天府之檐

　　图6九寨沟景区沟口立体式游客服务设施建设项目

三、案例实施情况

（一）案例基本信息

　　江苏省第十一届园艺博览会城市展园东侧酒店(如图7)，北楼地上三层，南楼地上四层，主要结构类型为钢框架-木屋盖，总建筑面积34946 m2，其中地下建筑面积7556 m2，木屋盖面积1.3万㎡(如图8)。

　　屋面所使用的胶合木数量多(共使用木椽条约3000根，且大部分为弧形胶合木)、截面宽(木椽条截面约为600*130mm)、尺寸长(单根梁最长23m，连接梁最长40m)、悬挑大(最远处达14m)。该项目屋面大尺寸木构件由昆仑绿建进行深化设计、加工和安装。

　　图7园博园东侧酒店实景图

　　图8园博园东侧酒店装配式木结构

（二）典型做法和创新举措

　　项目综合运用智能设计、智能制造、装配式施工等技术实现了建筑美学、工期、造价的平衡。项目智能设计与智能智造技术应用情况如图9所示。

　　图9智能设计与智能制造技术应用情况

　　1.智能设计

　　智能设计方面，运用参数化设计技术，采用基于参数化软件平台自主编程的深化设计的工作流，前端对接建筑师方案模型，后端对接工厂生产制造构件，通过参数化软件将前后端打通。超过3000根木梁形式类似又各不相同，采用参数化设计，减少机械且重复的工作，计算的工作由电脑程序完成，设计师更多的是赋予边界条件及把控程序输出成果的质量。图10显示了在参数化软件平台分析优化构件设计，从而降低加工复杂度和节约成本。

　　图10通过参数化分析优化构件设计

　　2.智能化加工

　　智能化加工方面，机械臂用于胶合木构件的加工有其较大优势，加工过程中自动抓放刀、自主完成工艺，代替人工，取代工人读图和放线的传统生产过程，同时提升切割、打孔、铣削、开槽效率和准确性，降低废品率，节约人工成本和材料成本。采用智能化机器人的高效加工模式为项目进度落实提供了技术保障。图11展示了采用胶合木柔性生产线对木构件进行打孔、切割等操作。图12为昆仑绿建自主研发的智能化生产软件《昆仑绿建自动化木材切割优化软件V1.0》主界面，该软件于2020年取得了软件著作权(如图12)。

　　图11胶合木深加工机器人加工过程

　　图12智能化生产软件主界面

　　图13智能化生产软件著作权

　　3.胶合木制造技术

　　国内目前的木材分等技术主要为目测分等，结合昆仑绿建机械应力分等技术，初步目测选材之后应用机械应力分等技术(利用材料密度，含水率，通过测定木材的应力和应变，获得木材的强度和弹性模型)，选择出更好的组坯材料用在构件上或者同一个构件的不同部位，制造出高于木结构规范强5%以上的胶合木材料,使制造更大跨度钢木混合结构更容易。该技术获得2020年梁希林科学技术奖科技进步奖一等奖，如图14所示。

　　公司在满足标准对产品性能要求的同时，在质量控制体系的建立、采购生产和销售文件的保存、各工序记录的可追溯性等方面建立了相关的控制程序，具备持续、稳定地生产符合认证标准要求的产品的能力。公司生产的胶合木获得了结构用集成材产品认证证书，如图15所示。

　　图14科技进步奖证书 图15结构用集成材产品认证证书

（三）实施过程

　　项目采用参数化设计、柔性化生产、装配化施工技术，实现了高质高效建造。

　　1.设计阶段参数化设计

　　面对复杂的结构计算，对项目所有建筑构件进行参数化定义，分析优化构件设计，并由程序根据编程逻辑拟合出屋面曲线,利用尽可能少的构件种类完成建筑造型要求，以达到降低加工复杂度和节约成本的目的(如图16所示)。

　　图16在Rhino中进行建筑造型分析，在Tekla中批量导出构件

　　索托与托板均为工业化生产的标准件，采用参数化设计控制拉索与托板的相对位置(如图17)，由程序根据编程逻辑自动生成相对位置各不相同的索托-托板组，完美拟合出造型曲线。

　　图17托板零件图BIM参数化智能设计

北楼入口处的悬挑雨棚(如图18)最远处达14m，跨度达35m，使用高钒锁(如图19)替代原本悬挑需要的立柱和钢梁。设计团队首先通过理论设计确定加载点进行无胎架找形，增加找形的精度和现场施工的效率，接着通过反复试算模拟，解决索的伸长带来的边缘不整齐问题，最终使这一大型雨棚完美呈现(如图20)。

图18屋盖俯视图(蓝色线框处为悬挑雨棚)

　　图19使用高钒锁替代悬挑需要的立柱和钢梁

　　图20屋面悬挑雨棚建成效果

　　2 .加工阶段柔性化生产

　　由于屋面3000根曲线木条的走向都不一样(如图21、22)，如果采用人工方式进行加工、拼装，会产生较大误差。利用BIM技术对木构件进行电脑预拼装，参数化编程生成加工程序(如图23)，确保每个构件的精确度。在智能制造工厂，智能机器人再根据指令对木料进行切割、打孔等操作，生产出与模型一致的预制木构件，将大尺度木结构加工过程的耗时缩短了近60%。图24为机械臂加工胶合木构件场景。

　　图21屋盖使用的胶合木基本都为弧形

　　图22双曲屋面给安装带来挑战

　　图23机械臂数据仿真

　　图24机械臂加工胶合木构件

　　3.建造阶段装配化施工

　　利用BIM技术精确统计出建筑构件的总量和统计各类建筑材料的用量，项目经理掌握施工项目清单与项目特征信息，施工人员配合机械快速吊装，在现场把各个零部件组装起来。据统计，80名工人仅花费了7个月时间就完成了项目1.3万余㎡的木结构建筑工程，施工进度提前了25%以上。通过本工程进一步总结形成企业级工法《KLLJGF2021-01大跨度预应力索-胶合木结构施工工法》并已申报2021年江苏省省级工法。

四、应用成效

（一）解决的实际问题

　　一般展示性造型特殊的项目属于个性化定制范畴，采用智能设计与智能制造技术很好地解决了个性化定制与规模化生产之间的矛盾。

　　1.实现了木构建智能化柔性生产。在方案设计阶段，通过参数化方式不断调整建筑模型，方案确定后生成每个胶合木构件的模型，将每根梁柱构件进行编号。后端智能制造程序员利用参数化软件编写好生成加工数据的通用程序。仅需对构件加工线进行选择，即可生成机械臂加工此构件的所有加工数据，并按照编号自动保存成对应文件名，将数据传输给机械臂，机械臂调取数据进行加工。

　　2.全流程贯穿BIM技术提高了设计、加工自动化程度和安装精度。项目方案设计、建筑设计、结构设计均在BIM模型中进行，结构计算完成后直接生成构件加工图，同时参数化BIM模型与自主开发的机械臂木材加工程序实现无缝对接。从设计到施工均贯穿了BIM技术(如图25)，提高设计、制造阶段的自动化程度和施工阶段的安装精度，还原建筑细节效果(如图26)。项目已取得两项省级BIM创新奖项，如图27所示。

　　图25BIM技术设计、制造、施工一体化应用

　　图26东侧酒店局部效果

　　图27BIM大赛获奖证书

（二）应用效

　　1.生产效率提高，建造成本降低。

　　加工制造中引入机器人系统，实现无纸化作业，只需三维模型就可生成机器人所需的加工数据，完全取代工人读图和放线的传统生产过程，同时提升切割、打孔、铣削、开槽效率和准确性。工业化生产方式提高了装配式建筑的整体性，降低构件加工和安装的难度，提高构件安装质量并缩短安装时间。智能机器人对木料进行切割、打孔等深加工操作，将木结构加工过程的耗时减少了近60%，建造成本降低20%以上。

　　2.创新服务提高产品附加值，从而提高利润。

　　根据公司自身实际，综合利用参数化设计与BIM(建筑信息模型)技术、机器人智能制造技术，发展个性化设计，推动装配式木结构产品标准化、建筑构件精细化、模块化的设计和生产及建筑装配化式建造，提升装配化建造木结构房屋产品的定制设计和柔性制造能力。通过一系列的创新服务模式做法，从而提高产品的附加值，有益于利润最大化，从主要提供产品向提供服务模式转型。

（三

　　昆仑绿建胶合木柔性生产线进一步完善了装配式木结构智能建造体系，实现从传统加工工艺到柔性化机械臂加工的转变,加工范围更广，使得建筑师的任何造型构思都可以实现，摆脱传统工艺加工能力的制约。参数化编程智能化制造减少加工车间的用工量，提高生产效率，缩短加工周期，能够更好得满足现场施工进度的要求。此外，由于有经验的木工培育周期长，市场供应不足，用工成本高，减少用工量意味着在减少用工成本的同时，也减少企业用工风险。

　　执笔人:

　　苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司(周金将、李松)

　　审核专家:

　　骆汉宾(华中科技大学，教授)

　　张声军(中国建筑科学研究院，研究员)