一、研究的背景与问题
随着钢铁企业原料场规模的不断扩大，传统粗放的露天堆置储料方式造成的污染问题日益凸显。设备露天作业，钢结构腐蚀速度快，存在较大安全隐患，影响生产的安全性和稳定性；受风力影响，料堆表面的物料易产生扬尘，并在堆、取作业过程中产生二次扬尘，对环境易产生粉尘污染；受雨水影响，暴雨季节料堆易塌方，物料将覆盖在道床上，影响设备作业，料堆表面的物料在大雨冲刷下顺雨水流入料堆两侧的排水沟，容易对排水沟造成堵塞，也容易对周围的地面环境造成污染，并带来大量的物料损耗。露天料场带来的安全隐患、环境污染、物料损耗已成为影响钢铁企业原料区域生产安全性和稳定性较为突出的问题。2013年9月10日，国务院发布《关于印发大气污染防治行动计划的通知》（国发〔2013〕37号），推动钢铁企业对露天储料结构进行全封闭改造。实现原料全封闭式管理，不仅可以消除堆场对周边环境的影响，实现钢铁企业向“花园式工厂”转变，更是可以显著降低物料损耗，显著降低原料单元的吨矿运营成本。钢铁企业原料场封闭结构在当前建造过程中，面临智能化水平低下的问题：设计阶段的参数化与结构优化程度不足，难以得到最优设计方案；设计、加工和安装阶段存在信息孤岛现象，易导致数据传递过程中出现丢失和错误，阻碍了建造质量与效率的提升。为解决上述问题，同时顺应国家在《“十四五”智能制造发展规划》提出的“到2035年，规模以上制造业企业将全面普及数字化，骨干企业基本实现智能转型”政策，对钢铁企业原料场封闭结构智能建造过程中的关键技术开展研究势在必行。
尽管国内外在结构优化设计、构件加工以及安装等方面开展了大量研究，并取得了不少成果；但现有研究大多局限于单一过程，缺乏系统性和综合性。在结构优化设计方面，研究主要聚焦于结构的受力性能和用钢量，未能充分考虑加工和安装过程中的实际需求；构件加工方面，研究重点在于提升数控机床自身的加工精度和效率，忽视了与设计和安装环节的协同；安装方面，研究主要关注施工现场的施工质量和进度管理，对设计和加工环节的反馈不足。因此，目前尚无一套完善的智能建造方法体系能够有效应用于实际工程，无法满足钢铁企业原料场封闭结构建设的需求。
综上所述，开展钢铁企业原料场封闭结构智能建造关键技术研究迫在眉睫。这不仅是响应国家对钢铁行业环保和智能化发展的政策要求，更是提升钢铁企业核心竞争力，实现可持续发展的必然选择。
二、解决问题的思路与技术方案
为从根本上提升钢铁企业原料场封闭结构建造的数字化与智能化，有效提升建造质量，并达到降本增效的目的，本项目围绕原料场封闭结构的设计、制造、安装及全生命周期管理，展开了全面且深入的关键技术研究，具体技术方案如下图所示：
图1 原料场封闭结构智能建造关键技术与工程应用研究路线图
1.新型结构与储存技术研究：（1）针对钢铁企业ECIA-B/C/D型原料场封闭结构，研发高矢跨比柱面网壳、坡形屋架和多列支承柱面网壳等结构体系；（2）研发新一代环保智能原料储存技术，整合先进的自动化控制系统、智能监测设备和环保措施，实现储存、配料、混匀的一体化操作，解决堆场污染和物料损耗问题。
2.结构智慧优化设计方法研究：（1）提出工艺-几何-力学协同驱动的参数化建模与智慧优化方法；（2）提出“等效弯矩”理论，揭示结构几何参数与结构内力之间的关系；（3）提出针对原料场结构设计的高效单参数优化与多参数耦合优化方法；（4）提出主钢结构-基础-檩条协同精细化设计体系。
3.设计制造安装一体化技术研究：（1）提出设计-制造一体化融合技术，解决从设计到加工无纸化数据交付问题；（2）实现杆件与节点深化设计与数控加工一体化；（2）研发并创建原料场结构构件智能制造生产线；（3）提出原料场结构安装施工方案自动分区分段验算与优化方法。
4.智能建造系统构建：（1）以全生命周期为导向，提出智能建造系统架构；（2）自主研发设计-制造-安装全流程自主知识产权软件，解决工业软件制约性问题；（3）研发生产线智能中控系统和云服务；（4）提出施工安装误差自动验算与控制方法；（5）提出设计-制造-安装全生命周期碳排放计算方法。
三、主要创新性成果
1.针对新型环保智能原料储存技术，构建了与钢铁企业原料场工艺深度融合的高矢跨比柱面网壳、坡形屋架和多列支承柱面网壳等多种创新结构体系。
为满足冶金行业原料特性复杂、品种多、贮量大、储存需求多样等储存需求，中冶赛迪自主研发了B、C、D、E、M等ECIA系列环保原料技术，在用地、投资、数字化智能化管理、运营成本优化等方面具有显著优势，获得了中国、日本美国、巴西、欧盟发明专利授权以及中国专利优秀奖、冶金科学技术奖等奖项。该技术采用了更紧凑的布局，更顺畅的原料物流系统，更高的投资性价比，更高的自动化、智能化水平，是业内唯一能同时实现多品种、高贮量环保高效储存，且储存、配科、混匀一体化，智能化控制的环保料场技术，也是钢铁行业节能降耗、绿色环保改造升级的重点推广技术，并纳入国家环保科技成果名录推广。
图2 钢铁企业ECIA-B/C/D/E型原料场封闭结构
图3 钢铁企业ECIA-M型原料场封闭结构
2.构建了钢铁企业原料场封闭结构工艺-几何-力学协同驱动的高效参数化建模及智慧设计优化方法；研发了具有完全自主知识产权的料场封闭结构智慧设计软件。
系统性地定义了数十种原料场封闭结构的关键几何参数，为复杂结构的优化设计提供了明确的方向和依据。创新性地提出了“等效弯矩”理论，揭示了结构性能与几何形态之间的相互关系。实现了结构厚度或网格尺寸分布能够基于弯矩及内力的变化规律进行动态调整，确保结构在力学性能和材料利用率之间达到最优平衡。提出了基于设备包络线自动判别工艺要求的方法，取代了传统人工放样反复调整的低效方式，将工艺需求与结构找形、计算过程有效融合。通过结构找形的自动调整及实时反馈，确保建模过程与工艺优化的高度协同，实现工艺与结构的一体化建模优化。提出了一种基于机器学习的原料场结构AI代理模型，开创性地将人工智能技术引入到原料场结构设计中，替代了计算复杂且耗时的传统有限元分析过程，实现了对结构性能的高效预测。在如图5所示的三心圆桁架结构示例中，原料场封闭结构智慧设计软件可在短时间内生成成千上万个模型并自动进行方案对比优化，较传统设计方法节省用钢量超过10%。
图4 原料场封闭结构工艺-几何-力学协同驱动的参数化建模与智慧优化方法
图5 三心圆桁架结构多参数耦合智慧优化
3.基于变切削面的螺栓球节点精细设计，首创了数控加工设备自身误差消除的智能加工融合技术，建成了国内唯一的网格结构杆件全自动智能加工生产线，实现了智慧设计与智能加工全流程无纸化数据交付和一模到底。
提出了变切削面螺栓球节点精细化设计方法，实现了自动生成加工代码传输至控制数控机床加工，突破了传统手工加工只能采用等切削面设计的局限，大幅提高了螺栓球加工效率与精度。通过精确计算切削量，显著提升了材料利用效率，在保证节点力学性能的基础上，可大幅降低螺栓球用钢量，为绿色制造提供了技术支撑。提出杆件套料优化与数控加工一体化方法，有效解决了传统设计与制造流程中的耗时长、易出错、原料利用率低等问题。构建了螺栓球新型智能化加工系统，研发了新型钻铣刀与倒角技术，搭建了无线连通和在线监视系统，提升了螺栓球数控机床的加工效率，降低了加工车间的人力成本。研发了国内首套钢铁企业原料场封闭结构杆件智能制造生产线，实现了杆件的自动套料、自动下料、自动组装、智能视觉寻迹焊接、自动抛丸、自动喷漆烘干、自动喷码包装和码垛，提升了杆件加工的自动化程度。研发了带有视觉识别系统的智能焊接机器人，改变了传统半自动焊接工艺，实现了网架杆件的自动化柔性焊接，一次探伤合格率100%，提高了焊接质量。
图6 螺栓球节点传统等切削面设计与变切削面精细设计
图7 螺栓球节点传统人工加工与精细化数控加工
图8 国内首条螺栓球网架全自动智能制造生产线
4.建立了工艺-设计-加工-运输-安装-运维-碳排放计算的料场封闭结构智能建造系统架构，形成了具有自主知识产权的料场封闭结构全生命周期智能建造软硬件协同平台。
实现了国内首套钢铁企业原料场封闭结构工厂智能制造中控系统。运用工业互联网技术，综合运用多种网络通信协议，构建了钢铁企业原料场封闭结构智能中控系统。真正实现了钢铁企业原料场封闭结构的全流程智能制造，提高了钢铁企业原料场封闭结构制造加工的效率和质量，减少了人工成本，降低了生产过程安全隐患。通过实时量化采集设备运行能耗数据，准确计算生产线的能源消耗水平和碳排放指标，促进了钢铁企业原料场封闭结构的生产制造过程低碳化。
图9 原料场封闭结构智能制造系统部分界面展示
四、应用情况与效果
在经济效益方面，自项目成果投入应用以来，已在80多个工程项目中得到广泛使用，总造价高达96亿。在社会效益方面，本项目成果显著。设计效率较常规方法提高可达90%，主体结构工程造价降低可达8%；构件加工、安装的效率和精度均有明显提升；实现工业软件的纯国产自主替代，对保护环境、减少碳排量意义重大，降低了资源消耗和环境影响，推动钢铁企业向绿色化、数字化和智能化方向发展。
主要研发团队获得专利授权61件(其中发明专利16件)，在审查发明专利3件，主编国家规范1部，软著19部，省部级工法3项，发表论文33篇(其中SCI论文6篇)。该成果由上海市土木工程学会组织专家鉴定，评为达到“国际领先”水平。
信息来源：中冶赛迪集团有限公司
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