建筑装饰行业专题报告：钢结构“智”造降本空间有多少？

钢结构智能化制造为大势所趋，焊接机器人为当前研发重点。由于劳动人口老化推动用工成本上升，钢结构制造业智能化转型升级为大势所趋。焊接在钢结构整个生产工作量中占有较大比重，且下游质量要求趋严，焊接环节智能化改良对钢结构生产有较大意义，焊接环节机器替代人工为当前研发热点。 目前机器人实现轻钢类角焊缝焊接技术已基本成熟，业内主要聚焦于突破重钢中厚板焊接技术，因此视觉传感技术有利于提升机器人在焊接领域的适应性，以机器视觉为基础的智能焊接方案为当前推进研发的主流技术。 我国钢结构产业标准化程度较低，主营制造且生产规模大的企业相对更适用智能化改造。由于我国钢结构产业具有标准化程度相对较低的特征，智能焊接技术的普及仍应对挑战：1）焊接机器人最大的优势是自动、精准地长时间反复作业，若机器人把大量时间消耗在示教编程阶段，则难以发挥其高效率的优点；2）智能化改造需要前期进行较多研发投入，若应用企业不能达到较高标准度、较大规模的生产，则无法体现其成本摊销。因此，我们认为具备以下特征的钢结构企业能够率先受益于智能化改造：1）主营制造环节，有可能将下游订单中同类型构件进行合并生产，从而提升产线标准化程度；2）企业规模较大，愿意且有能力为技术迭代投入试用和研发。 测算投资回收期及短期/远期场景下的成本摊销，焊接机器替代人工对企业成本的贡献值得期待：我们对机器焊接投资回收期及机器焊接场景的成本节约情况进行测算：1）投资回收期：在单台机器代替1.2倍人工、机器人单日进行2班倒的保守假设下，测算得机器焊接投资回收期为23.8个月； 2）短期情景：仅考虑生产线增加机器人焊接，成本有一定节约，在单台机器代替1.2倍人工、每1万吨产线增加1/3/5台机器使得产能利用率提升至106%/119%/131%情况下，成本由275.20元降至270.25/241.70/218.60元/吨，下降幅度1.80%/12.17%/20.57%；3）远期场景：我们假设未来焊接机器能够对人工焊接实现大规模甚至全面替代，成本有望大幅降低，在保守的单台机器价格30万元、单台机器能够代替1.2倍人工情况下，单吨成本下降幅度为68.4%。 投资建议：鸿路钢构专注钢结构制造加工环节，在全国布局有十大生产基地，截至2023年6月30日，产能500万吨居行业前列。公司长期对智能化改造，进行持续投入，且产品线全面，数据优势丰富，目前已推进楼梯焊接机器人、焊接工业机器人、便携焊接机器人等方面的应用，成为行业内研发应用焊接机器人的先行者之一。基于其率先试水获得先发优势，未来不断研发投入进步，我们认为智能化转型有望助力其成本优势持续提升，长期护城河日益牢固，从而对行业需求的周期波动形成有效对冲。 风险提示：宏观经济波动风险；智能化推进不及预期；下游需求不足风险 1钢结构制造业：智能化转型进行时 1.1我国钢结构产业：标准化程度相对较低 钢结构构件制造包含从原材料入场到成品入库的一系列工艺流程。一个典型的制作流程可以简化为准备、下料、组装、焊接、修整、防腐和入库等步骤。其中，焊接阶段又可接着细化为焊接准备、工位摆放、定位加固、构件焊接、缺陷处理、焊缝检验、堆放和交接等。 图1.钢结构构件制造流程 钢结构构件的样式呈现多样化特点。钢结构构件常见的类型包括H型钢、C型钢、L型钢、圆管、十字型、矩形、箱型、板型、钢索和钢棒等，除此之外还有一些特殊的异型钢结构件，如弯扭构件或不规则曲线构件。同时，当这些钢结构构件被用在结构的各个部位时，又会与不同的连接节点形式进行组合，因此一个工程中往往出现各类不同的钢结构构件，呈现多样的特征。 图2.钢结构构件举例 焊接在钢结构制造工作量中占有较大的比重，智能化转型节省用工成本。21世纪以来，我国人口老龄化程度日趋严重。第七次全国人口普查数据显示，2020年中国65岁及以上人口比重达13.50%，人口老龄化程度已高于世界平均水平（65岁及以上人口占比9.3%），因此从长期动态角度来看，在此趋势下劳动人口老化推动用工成本上升，制造业智能化转型升级为大势所趋，焊接环节具备改造潜力、具有降本需求，焊接机器人为当前研发热点。 图3.钢结构机器焊接流程 下游质量要求趋严，焊接环节智能化改良对钢结构生产意义较大。根据张春等人2023年发表的《装配焊接机器人在立体停车设备钢结构加工中的应用》，机器人装配焊接精度和焊缝质量明显高于人工装配焊接。一方面，当前越来越多项目对钢结构产品的质量要求趋严，智能焊接更好地满足下游需求；另一方面，智能焊接能够提升产品良率，同样有利于减少钢材的报废从而节省材料成本。 表1.机器人焊接与人工焊接质量对比表 1.2焊接机器人主流技术中，利用视觉传感着重解决厚板焊接 目前整个钢结构行业主要有三种解决方案，其优缺点如下表： 表2.当前焊接机器人三项主流技术方案 分别看三种焊接方案： （1）基于快速离线编程示教的智能焊接方案：通过采用离线编程技术和示教系统来提高焊接精度并降低成本。在半自动人工干预情况下，需要结合焊缝周围的零件结构形式，对焊接构件每条焊缝的焊接工艺进行设置，不仅费时费力，而且不够精确。但在离线编程环境下，通过设计算法对焊缝的关联零件特征进行识别，结合焊接工艺参数库，可自动生成焊缝的合理焊接工艺参数，提升机器人自动化焊接质量。 然而，这种方案的应用面较窄，仅适用于固定结构及大批量生产的钢结构件。由于离线编程和示教系统需要较长时间进行编程和调试，尤其是在复杂的焊接任务中切换时间过长、对于人工的依赖性较高，从而也会降低焊接生产的效率。 （2）基于机器视觉在线识别的智能焊接方案：利用机器视觉技术来识别和跟踪焊接对象，从而实现更加自动化和智能化的焊接过程。按照设备的功能，整个系统可分为机器人系统、弧焊系统、激光视觉系统、软件系统4大部分。其中，激光视觉系统对焊接效果起到相对重要的作用。在系统搭建过程中激光视觉系统反复应用尝试，使得机器人具备获取不同焊缝的空间位置信息和路径规划的能力，搭建一套适合焊接机器人的激光视觉系统，能够灵活地解决传统机器人遇到的（例如厚板焊接等）各种难题，从而减少了人工干预和技能要求。激光视觉系统的硬件有：六轴机器人本体、电气控制柜（包含运动控制器、驱动器、工控机）、激光视觉系统、焊接系统（包含数字焊机、送丝机、焊枪等），如图： 图4.机器人焊接系统结构图 同时，这种方案对于对前道工序精度和视觉识别算法的要求也更高。基于机器视觉在线识别的智能焊接方案在前期需要大量的硬件和软件投入（包括高分辨率的摄像机、图像处理器、计算机等设备，以及相关的图像处理和控制系统软件），并且由于涉及到多个领域的技术，如图像处理、模式识别、控制工程等，从而要求技术人员掌握多方面的专业知识和技能。 （3）基于BIM模型和机器视觉的智能焊接方案：通过BIM模型、3D相机技术以及高精度机器视觉识别和焊缝跟踪技术，引导机器人完成自动焊接。其中工艺数据库的构建是该方案的重点，包括机器人焊接工艺数据库，包含导入的模型信息、典型特征的焊接工艺参数和工艺参数匹配规则等。模型信息源于计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）系统，经现场试件反复多次试验形成典型特征的最优工艺参数，基于模型进行焊缝关联零件的特征梳理，基于特征表达焊缝的工艺。焊接工艺数据库构建包括模型的零件数据、焊缝数据、焊缝队列、焊缝节点、隔板索引信息、隔板轮廓三维数据信息和型材端部三维数据信息等。 图5.基于钢结构BIM模型的焊缝自动识别技术示意图 上述方案也存在诸如技术要求高、成本较高等多种局限性。由于涉及BIM技术、机器视觉技术、机器人技术等多个技术和系统，调试和维护的难度较大，需要专业人员和技术支持。此外，方案所需的设备和技术较为先进，因此初始投资成本较高，可能不适用于小型企业和项目。 图6.钢结构焊接加工方案及智能技术在焊接工艺的应用 目前机器人实现轻钢类角焊缝焊接技术已基本成熟，业内主要聚焦于突破重钢中厚板焊接技术。中厚板焊接的焊接面积较大，无法一次性完成焊接，故一般多采用多层多道焊和多层单道焊。使用传统焊接机器人多层多道焊和多层单道焊时主要存在的难题有：1）在前一道焊道焊接完成后再示教下一条焊道，这需要工人高强度的示教工作，反而降低焊接效率；2）采用多层焊接时会存在热量积累，随着焊接层数和道数的累加，由于焊缝坡口会产生未知的形变，采取预先规划的路径往往会偏离实际焊缝。在此基础上，视觉传感技术有利于加强焊缝位置修正效果，提升机器人在焊接领域的适应性，以机器视觉为基础的技术方案为当下焊接机器人应用方案热点。 1.3什么样的企业适用智能化改造？ 建筑钢结构构件标准化程度较低，导致智能焊接技术的普及仍应对挑战。焊接机器人最大的优势是自动、精准地长时间反复作业，而这一特性能够与标准化的构件更加适配。当构件种类多、标准程度低时，应用焊接机器人把大量的操作时间消耗在示教编程阶段，导致焊接辅助时间长，焊接作业时间短，焊接机器人在规定工作时间和开始阶段，难以发挥焊接机器人高效率的优点。同时，由于智能化改造需要前期进行较多研发投入，机器替代人工最大的优势在于成本摊销，较高标准度、较大规模的生产也能够更多受益。 因此，我们认为具备以下特征的钢结构企业能够率先受益于大规模智能化改造： （1）主营制造，能够实现同类构件较大规模生产。当前行业内钢结构企业分为主营工程与主营制造两种，其中前者需要根据单个项目进行设计-生产-加工-组装，标准化程度较低；后者专注加工制造，可以将下游各类订单中同类型构件进行合并生产，从而提升产线的标准化程度。 图7.钢结构中游产业主要上市公司 （2）经营规模大，有能力为技术迭代投入试用和研发费用。机器替代人工技术需要大量投入研发，例如视觉传感系统需要配备机器人采用构件进行反复尝试方能完善数据，在此过程中会产生钢废料等研发成本。因此愿意进行长期投入的企业能够更有效地突破智能化改造中的各种困难，且如果能达成自主研发则有望降低外采成本、增加与自身生产的适配度。 展望未来，参考日本钢结构智能化发展历程，国内在钢结构产业智能化方面或有较大的发展潜力： 日本的钢结构智能化发展相对较早，主要系积极推进构件标准化工作。上个世纪80年代中期，日本开始推行住宅部品化、集成住宅，政府制定了一系列政策对住宅构配件采取标准化、工厂化、系列化生产。后续日本国土交通省发布了《钢结构建筑技术标准》，旨在推进日本钢结构标准化。在钢结构智能制造和加工技艺方面，日本积极举办各类研讨会、大会和技术交流会，广泛开展院企合作，促进新材料成果转化，致力于推动产业升级和技术创新。许多日本企业致力于研发和生产高端焊接设备，如激光焊接设备、自动化焊接设备等，为钢结构建筑的施工提供优质的技术支持。 日本的钢结构精度要求较高，推动机器人煤接技术在钢结构领域得到了广泛应用。 在日本，机器人焊接构件的坡口为机加工，坡口精度较高，焊接间隙允许偏差要求达到±0.5 mm，而我国GB 50205—2017《钢结构工程施工质量验收规范》中焊接间隙允许偏差要求为±1.0 mm，GB 50661-2011《钢结构焊接规范》中焊接间隙允许偏差要求更宽松为±2.0 mm。相比较而言，我国钢结构构件装配偏差大、坡口加工精度低，不利于保证机器人焊接质量，可能在一定程度上限制了机器人焊接在钢结构行业的应用。 我国重视钢结构智能化发展，未来产业政策有望继续推动。2023年全国建筑钢结构行业大会召开，中国建筑金属结构协会会长郝际平表示，钢结构行业要以工业化、信息化和智能化为共同目标，充分发挥科技创新支撑引领作用，通过创新成果试点示范应用，大力推动钢结构行业智能化发展。例如智能化焊接方面。可以构建完善的焊接数据库，开发智能编程软件，提升焊接机器人智能化程度，逐步解决钢结构机器人焊接技术应用的难题。与日本相比，我国智能化进展尽管存在一定差距，但随着政策支持和技术创新方面不断进步，钢结构产业标准化程度与焊接精度有望持续改进，进而推动产业结构调整和市场拓展。 图8.2023年6月全国