建筑结构解决方案中的激光切割

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文/范大鹏·武汉华工激光工程有限责任公司

建筑一直以美、艺术和奇迹为目标。要实现这些目标，中国古代的卯榫结构（图1）是中国木质古建筑常用的结构，这种结构也常用于家具的制作，其特点是不使用钉子，而是利用卯榫加固物件，体现出中国古老的文化和智慧。

图1 中国古代卯榫建筑局部示例

本文主要研究使用激光切割制成的贯穿管材和梁之间的现代中国式新型建筑项目（图2），取代传统的木材卯榫结构，其目标是提高建筑行业生产效率和建筑精度。

图2 采用激光切割制成的钢材用互穿接头示例

建筑业、工业部门和环境的可持续性发展

在全球范围内，建筑业对环境产生了重大影响，占二氧化碳总排放量的42%。因此，未来我们将不得不建造更多新的基础设施：桥梁隧道、可再生能源设施（光伏、储能箱）、体育场馆等。

因此，提高建筑业的效率是确保可持续未来的关键因素。为此，有必要采用综合解决方案，考虑材料、施工方法和设计的选择。

在本文中，您将了解其中一种解决方案：互穿接头，这也是仿照中国传统木质建筑，使用金属管材和型材激光切割制成卯榫结构，见图3。这种连接管材和结构型材的创新方法只能通过激光切割技术有效实现，旨在减少材料的使用，减轻结构并加快安装速度。

图3 互穿接头之间的装配精度≤1mm

互穿接头的概念

中国式现代建筑项目的研究主题：首先是钢结构创新连接的激光技术，然后是用于管状结构的光纤激光切割技术，旨在解决在管材表面焊接结构元件时出现的脆性问题。

为了克服管材表面焊接结构元件时出现的脆性问题，制造商被迫通过额外的加固元件来增加装配的复杂性，例如焊缝、螺栓、板等，这不仅会增加结构的重量，还会增加施工时间和成本。

钢结构创新连接的激光技术和用于管状结构的光纤激光切割技术展示了如何通过梁内的元件来增加接头的强度，而不会使用额外的加固元件来加固结构。其结果是结构更轻，安装时间更短。

为什么选择激光切割

鉴于传统技术在切割倾斜度、精度和效率方面的局限性，如果不使用激光技术，就不可能从标准直接接头切换到斜接接头。为了创建斜接接头，必须以非常高的精度和准确的激光切割头倾斜角度对工件进行切割和倒角，见图4。

图4 采用华工激光TP12041F 重管激光切管装备切割大型管材和型材

使用TP12041F-6000W 重型激光切管装备（图5）加工较大的管材和型材，制成的结构接头使建筑业安装更加高效。

图5 TP12041F-6000W 四卡盘重载激光切管装备

TP12041F-6000W 能够对直径达 406mm 的管材和□300mm×300mm 型材进行自动 3D 激光切割，生产可在现场组装和焊接的结构部件，无需进一步微调，切割时间非常短、切割精度非常高，在任何情况下都可以在设计阶段预测结构。

3D 激光切管装备在现代建筑机械设备（重型塔吊）中的优势

在现代钢结构中，选择使用3D 激光机来生产结构部件正是由使复杂的建筑项目可行的需求决定的。

如今，在单个细节上发现许多不同的工艺并不少见，例如槽、孔、斜面和切割成各种几何形状，见图6。此外，在创建结构接头时，创建管道和梁连接接头所需的切割几何形状可能非常复杂。

图6 采用华工激光3D 激光切割技术加工的零件

在传统工艺中，制造如此复杂的零件需要多个专用系统和多个操作员，但通过3D 激光切割，它们可以在一个步骤中完成，无需返工，并且具有显著、优越的精度和质量。

由于3D 激光切割，不仅可以根据接头的几何形状制作所需的槽口，还可以根据正确的倾斜度制作倒角，以保证焊接填充材料的渗透，见图7。

图7 采用3D 激光技术加工的零件焊接后的成品组件

使用这些用于连接管道的创新解决方案，可以显著减轻结构，节省生产成本并提高可持续性，图8 为湖南常德某客户现场采用华工激光3D 激光切割装备为国内某龙头工程机械企业生产最新式的重型塔吊零件。

图8 采用华工激光3D 激光切割装备生产最新式的重型塔吊零件

结束语

3D 激光切割技术不仅仅可以用在建筑行业中大型结构元件中的贯穿结构和卯榫结构等，还有机床框架、工业车辆、光伏电池板的支撑结构、货架等等。其精度远高于传统工艺所能达到的精度，即使在具有特殊横截面管材（异形）的情况下也是如此。

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