建筑機(jī)器人及智慧工地應(yīng)用出發(fā)點(diǎn)及著落點(diǎn)

林鳳欽

（深圳市金世紀(jì)工程實(shí)業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518001）

1 建筑業(yè)現(xiàn)狀及背景

建筑行業(yè)是世界上數(shù)字化程度最低、自動化程度最低的行業(yè)之一，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門2020年關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見中指出，建筑業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展提供了有力支撐。但建筑業(yè)生產(chǎn)方式仍然比較粗放，與高質(zhì)量發(fā)展要求相比還有很大差距，因此，需要大力推進(jìn)建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級，加快建造方式轉(zhuǎn)變，推動建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

深圳市建設(shè)科技促進(jìn)中心在2020 年11 月份發(fā)出通知征集關(guān)于工程建設(shè)智能建造領(lǐng)域的新技術(shù)。當(dāng)前，以人工智能、5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈等為代表的“新基建”迎來了快速落地，機(jī)器人、無人機(jī)等智能設(shè)備應(yīng)用愈發(fā)廣泛，為傳統(tǒng)建筑行業(yè)向智能化、數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化升級提供了重要支撐[1]。從2018 年度開始陸續(xù)有博智林機(jī)器人公司、深蘭科技有限公司、中南建設(shè)及南通中南工業(yè)投資有限公司、蘇州大學(xué)、深蘭科技有限公司、綠地集團(tuán)等公司投入研發(fā)建筑機(jī)器人，截至2020 年11月份，碧桂園旗下的博智林公司申請的專利數(shù)達(dá)到2198 件，計(jì)劃目標(biāo)設(shè)定在2021 年度進(jìn)入部分量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?？傆^整個擁有100 多萬建筑工人的深圳建筑市場，除了初步成熟的如抹平機(jī)等可投入實(shí)踐外，大部分機(jī)器人仍處在模型廠演示及改造優(yōu)化階段，在實(shí)際應(yīng)用中還處于不成熟、不標(biāo)準(zhǔn)、不夠經(jīng)濟(jì)的問題，這個不合理現(xiàn)象透露出在培養(yǎng)理論型、學(xué)術(shù)型建筑機(jī)器人上仍有不足。

2 對建筑機(jī)器人及智慧工地的認(rèn)識誤區(qū)及重新定義

一直以來非機(jī)械自動化專業(yè)的朋友或者建筑行業(yè)的同事對建筑機(jī)器人都有一個誤解，以為所謂的建筑機(jī)器人應(yīng)該是一種很高科技的應(yīng)用，實(shí)際上建筑機(jī)器人既可以是一種輔助人工完成加工的設(shè)備，或是半自動化完成一部分工序，又或者高于數(shù)控級別達(dá)到人工智能的機(jī)器人。對建筑機(jī)器人的追求，最初不過是一種簡單的非標(biāo)自動化的改造設(shè)計(jì)，慢慢演變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化了的建筑機(jī)器人。傳統(tǒng)的機(jī)械控制設(shè)備或者非標(biāo)自動化的改造應(yīng)滿足以下要求：

1）結(jié)構(gòu)方式：采用分布型或者集散型的結(jié)構(gòu)方式。

2）控制方式：應(yīng)具有通信方便快捷、操作簡單、系統(tǒng)可靠性較強(qiáng)、一次輸入多次生產(chǎn)能力，工作標(biāo)量誤差能控制在要求范圍內(nèi)。

3）硬件系統(tǒng)：應(yīng)具有造價(jià)低廉、硬件可靠、控制系統(tǒng)簡潔等特點(diǎn)。

4）軟件系統(tǒng)：采用模塊式軟件，具有操作、管理、現(xiàn)場監(jiān)控、系統(tǒng)組態(tài)、報(bào)警管理和設(shè)置等模塊。

結(jié)合最新技術(shù)及新知識的普及，所謂建筑機(jī)器人，除了應(yīng)符合以上條件外，最好能切入智慧制造及5G 新技術(shù)的應(yīng)用。一種定義為采用高程度自動化技術(shù)，能替代人工完成精密的且高質(zhì)量制造，擁有各種最新如3D 打印，5G 等智慧技術(shù)的機(jī)器人；另一種定義為標(biāo)準(zhǔn)化了的具有多個自由度，能在自動化領(lǐng)域中完成一種通俗作業(yè)的具備成熟自我控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)。

本文所述建筑機(jī)器人是廣義上的包含非標(biāo)自動化在內(nèi)的建筑機(jī)器人，而凡有利于提高數(shù)字化、自動化的技術(shù)應(yīng)用都是智慧工地的構(gòu)成要素，如下頁圖1 所示。

3 建筑機(jī)器人及智慧建造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建筑機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人范疇里的內(nèi)容，不僅是在結(jié)構(gòu)上還是在控制系統(tǒng)上，或者是在對新技術(shù)的采用上都依賴于成熟的兼容性極強(qiáng)的機(jī)械及自動化體系。建筑工地一般要滿足的生產(chǎn)建設(shè)需求有物料搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移、排序、加工、檢測、拆除、警示，并且滿足質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本、信息溝通各方面的要求。

1）在結(jié)構(gòu)上：可以通過凸輪組、直線導(dǎo)軌完成搬運(yùn)，通過萬向節(jié)完成大角度方向的調(diào)整，運(yùn)用平面連桿機(jī)構(gòu)如曲柄滑塊實(shí)現(xiàn)動作的往復(fù)運(yùn)動，通過夾緊機(jī)構(gòu)夾緊物體；通過螺旋、帶、鏈條傳動完成控制行走穩(wěn)定性，通過齒輪、蝸桿傳動縮小建筑機(jī)器人體積，通過氣動、液壓、鋼絲索、繩完成承擔(dān)各負(fù)載，通過減速機(jī)、制動器、離合器、聯(lián)軸器、無級變速機(jī)、絲杠、滑軌等配合完成施工工藝要求。更有靈活應(yīng)用的可示教的各種機(jī)械手臂完成多變的軌跡運(yùn)行等。

圖1 智慧工地雛形

2）在材料上：可采用輕質(zhì)鋁合金材料替代鋼、鐵等，采用新型材料附著于局部工作接觸面提高建筑成品質(zhì)量等。

3）在控制系統(tǒng)上：可采用功能強(qiáng)大可拓展且穩(wěn)定性高的可編程邏輯控制器PLC 或者小巧成本低廉的單片機(jī)作為工控機(jī)，通過PID 控制原理，配合可開發(fā)可自由編輯的觸摸屏完成友好的人機(jī)界面操控達(dá)到穩(wěn)定控制。

4）在軟件設(shè)計(jì)上：根據(jù)各工藝流程編寫系統(tǒng)程序流程圖，通過系統(tǒng)程序流程圖編程。

5）在新技術(shù)的應(yīng)用上：應(yīng)用5G 通訊、無人機(jī)等新技術(shù)，與智慧建造相結(jié)合，形成新型穩(wěn)定可遠(yuǎn)距離操控的建筑機(jī)器人，如高空遠(yuǎn)距離焊接作業(yè)，搭建平臺與政府監(jiān)管部門互聯(lián)等。

4 建筑機(jī)器人及智慧建造在“三管三控一協(xié)調(diào)”上的應(yīng)用

根據(jù)建筑行業(yè)各工序的需求，建筑機(jī)器人大致有工地搬運(yùn)機(jī)器人、地磚鋪貼機(jī)器人、墻紙鋪貼機(jī)器人、砌磚機(jī)器人、測繪機(jī)器人、砌墻機(jī)器人、預(yù)制板機(jī)器人、施工機(jī)器人、鋼梁焊接機(jī)器人、混凝土噴射機(jī)器人、施工防護(hù)機(jī)器人、地面鋪設(shè)機(jī)器人、抹灰機(jī)器人、裝修機(jī)器人、清洗機(jī)器人、隧道挖掘機(jī)器人、拆除機(jī)器人、鋼筋捆綁機(jī)器人、巡檢機(jī)器人、鋁模安裝機(jī)器人、爬架自動爬升設(shè)備等等在內(nèi)的龐大家族。

而以“三管三控一協(xié)調(diào)”為目標(biāo)的工程建設(shè)包括：投資控制、進(jìn)度控制、質(zhì)量控制、安全管理、合同管理、信息管理以及建筑工地現(xiàn)場各方的協(xié)調(diào)。

4.1 智慧工地

以塔式起重機(jī)平臺作為智慧建造在應(yīng)用上的一個可能大集成為例：塔式起重機(jī)本身作為建筑行業(yè)常見的一種設(shè)備，從最初對結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度方面的考慮，再搭載各種起重量、幅度，力矩、高度、回轉(zhuǎn)、傾角變形檢測傳感器等輔助監(jiān)控，到近幾年的伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造，再到近2 年作為平臺搭載監(jiān)控設(shè)備，與政府部門的互聯(lián)互通，應(yīng)用效果顯著。從其發(fā)展歷程來看，本身就是一種廣義上的“建筑機(jī)器人”的改造再開發(fā)，然而塔吊作為一種特殊特大型的設(shè)備，其可在智慧工地建造方面發(fā)揮的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，我們可以設(shè)想一個基于塔吊平臺的智慧建造系統(tǒng)，它包括了安全帽檢測提醒、具有身份辨認(rèn)功能的工人數(shù)量清點(diǎn)、PM2.5 揚(yáng)塵監(jiān)測及定點(diǎn)定時(shí)自動控制噴霧防塵系統(tǒng)、監(jiān)控基坑支護(hù)、外爬架、樓面異動情況并第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警、工人越界外圍欄洞口安全報(bào)警等等，智慧工地幫助并釋放和解決了大量管理上的壓力和漏洞。

4.2 在進(jìn)度質(zhì)量成本控制方面

以某個工程項(xiàng)目為例，當(dāng)?shù)卣蟀惭b泥頭車自動洗車設(shè)備，經(jīng)過市場調(diào)查，市面上成熟產(chǎn)品要價(jià)兩萬元，項(xiàng)目部最終決定自己非標(biāo)設(shè)計(jì)，經(jīng)過設(shè)計(jì)采購安裝最終投入應(yīng)用，該可拓展式泥頭車洗車系統(tǒng)（圖2 和下頁圖3），研發(fā)周期2 d，成本為1 300元，功能綽綽有余，價(jià)格與市場成品相比相差將近15 倍，因此非標(biāo)自動化在建筑市場上更接地氣，建筑機(jī)器人要想獲得推廣，首先要降低成本。

又如搭載了焊接質(zhì)量檢測功能的自動焊接機(jī)器人，兼顧空間安全檢測的自動爬架機(jī)器人、以及更加成熟的半自動化的工地搬運(yùn)機(jī)器人都可以大大提高工程質(zhì)量以及進(jìn)度。

4.3 在安全信息管理方面

下頁圖4 所示，該工字鋼焊接作業(yè)位于高度100 多米的屋頂懸挑半空中，焊接作業(yè)人員只靠安全帶及臨時(shí)爬架板支撐，在此環(huán)境下焊工往往只焊接內(nèi)側(cè)的工字鋼搭接點(diǎn)，疏漏了兩側(cè)及外側(cè)焊接面，在其上支撐了外立面鋼管腳手架，如若存在虛焊或者焊接質(zhì)量不過關(guān)，加上外立面腳手架受力異常的情況下，有可能導(dǎo)致腳手架整體倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，即保證不了質(zhì)量又對作業(yè)人員安全造成一定的風(fēng)險(xiǎn)，而設(shè)計(jì)一種簡易的可較遠(yuǎn)距離焊接機(jī)器人可以有效解決此類問題。

圖2 可拓展式泥頭車洗車系統(tǒng)

圖3 二次優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)化后泥頭車洗車系統(tǒng)

圖4 工字鋼焊接作業(yè)

對信息溝通管理的重視也可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，如深圳市金世紀(jì)工程實(shí)業(yè)有限公司在用的紅圈管理信息平臺（圖5）發(fā)揮了其高效協(xié)同保障項(xiàng)目進(jìn)度的優(yōu)勢，如利用移動手機(jī)遠(yuǎn)程及時(shí)審批并遠(yuǎn)程監(jiān)控，省掉中間一系列發(fā)傳真紙質(zhì)簽名再回復(fù)繁瑣問題，并在減掉一部分人力的前提下精細(xì)化管理保證項(xiàng)目進(jìn)度質(zhì)量。

又如采用鋁模板支撐的體系，設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)按邏輯順序給出每個特定部件編碼并生成二維碼標(biāo)簽于部件上（圖6），現(xiàn)場拆模完畢后可以自由裝車，省掉重復(fù)按順序擺放的煩惱，在基地工廠由滾輪及簡單分揀機(jī)構(gòu)組成的分揀流水線承擔(dān)挑選任務(wù)，再運(yùn)輸?shù)较乱粋€工程項(xiàng)目重復(fù)利用，可節(jié)省大量的人力來反復(fù)擺放排序的問題，減輕周轉(zhuǎn)材料基地及工地現(xiàn)場的工作壓力。

5 建筑機(jī)器人及智慧建造應(yīng)用的難點(diǎn)要點(diǎn)

5.1 難點(diǎn)

圖5 紅圈項(xiàng)目管理信息平臺

圖6 鋁模板支二維碼標(biāo)簽

一般的建筑工藝需求不僅在有效降低機(jī)器本身成本而且依賴于成熟的機(jī)械自動化技術(shù)體系并實(shí)現(xiàn)一定功能的建筑機(jī)器人，更大的難點(diǎn)在于物料排序工序，鑒于當(dāng)前建筑機(jī)器人及應(yīng)用市場需求遠(yuǎn)未達(dá)到這個需求，暫且不展開討論。

建筑機(jī)器人不能有效推向成熟市場的原因是造價(jià)因素，這也是自動化設(shè)計(jì)在建筑機(jī)器人應(yīng)用上的瓶頸，國內(nèi)目前的機(jī)器人多停留在模仿國外及抄襲階段，雖然技術(shù)成熟穩(wěn)定性強(qiáng)，但造價(jià)極其高昂且大而笨重，工作效率低，并不適應(yīng)講究快節(jié)奏高效率且用工成本相對低廉的國內(nèi)環(huán)境。

下頁圖7 所示為人工輔助的自動抹平機(jī)，造價(jià)1 萬元，雖然獲得一定范圍的成功，但對于普遍應(yīng)用意義上的施工工序來說，造價(jià)偏高，而應(yīng)用于狹窄住宅小區(qū)墻面抹灰的機(jī)器人仍處于模型階段，容易空鼓，且造價(jià)高昂笨重不穩(wěn)定。一個熟練抹灰工平均1 h可以抹灰墻面6 m2，要想獲得高于人工的作業(yè)及經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)想為帶有可替換夾具及作業(yè)工具為一體的小型流水線施工作業(yè)負(fù)責(zé)室內(nèi)整層抹灰作業(yè)，其優(yōu)點(diǎn)為節(jié)省材料，如若每小時(shí)作業(yè)效率能與人工作業(yè)效率持平，才有推向市場的可能性，手動抹平機(jī)如下頁圖8 所示。

下頁圖9 功能強(qiáng)大造價(jià)達(dá)13 萬元的管道檢測設(shè)備，如通過非標(biāo)改造為一種結(jié)構(gòu)簡單但具有無線可視兼顧有毒氣體探測的產(chǎn)品，則很有可能將成本降低到千元大關(guān)。

機(jī)器人要想盈利和生產(chǎn)，它們需要能夠適應(yīng)環(huán)境中的實(shí)時(shí)變化，而幾乎不需要編程。而現(xiàn)實(shí)情況是，大多數(shù)情況下機(jī)器人很難適應(yīng)和改變環(huán)境。假設(shè)在工廠等受控環(huán)境中（圖10 為鋼筋籠焊接作業(yè)），該焊接流程可以做到快速完成，因此要想達(dá)到工廠的流水線作業(yè)而又不消耗高成本，還是要通過非標(biāo)設(shè)計(jì)摸索。

圖7 自動抹平機(jī)

圖8 手動抹平機(jī)

圖9 管道檢測設(shè)備

圖10 鋼筋籠焊接作業(yè)

智慧建造本身之所以能得到推廣在于政府的強(qiáng)力干預(yù)和行政支持，當(dāng)前有效的智慧工地監(jiān)控平臺傾向于政府的監(jiān)管，但成本由施工企業(yè)來負(fù)擔(dān)，施工企業(yè)動力不足并未體驗(yàn)到新技術(shù)應(yīng)用帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

非標(biāo)自動化在建筑市場上自發(fā)地成熟，才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，最終達(dá)到建筑機(jī)器人。然而由于非標(biāo)開發(fā)也有風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)商和客戶不肯承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)也承擔(dān)不起風(fēng)險(xiǎn)，加之建筑行業(yè)與機(jī)械自動化產(chǎn)業(yè)有一定程度的跨界，存在建筑行業(yè)方面的人才對機(jī)械自動化認(rèn)識不足等問題，使得好長一段時(shí)間建筑業(yè)自動化程度很低。

5.2 要點(diǎn)

建筑機(jī)器人及智慧工地建設(shè)要想獲得更大的成功應(yīng)用，應(yīng)滿足各方需求，施工企業(yè)獲得經(jīng)濟(jì)利益，政府部門有效監(jiān)管，工人易于操作且釋放負(fù)荷，管理者減少壓力等。

從施工企業(yè)有著某方面強(qiáng)烈愿望的改造項(xiàng)目開始，先由自身公司有一定水平的工程師實(shí)現(xiàn)非標(biāo)自動化的改造嘗試，再與專業(yè)研發(fā)公司的專業(yè)研發(fā)工程師獲得理論及技術(shù)上的更大支持。通過專業(yè)公司專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品與建筑施工企業(yè)基于自身利益驅(qū)動改造的非標(biāo)自動化有效找到結(jié)合點(diǎn)，才能推出成熟產(chǎn)品。而最終研發(fā)實(shí)際應(yīng)用的能降低成本的建筑機(jī)器人，從而降低成本，提升生產(chǎn)力，生產(chǎn)力的提高必然導(dǎo)致用工成本的降低，從而有更大驅(qū)動力自發(fā)的尋求建筑機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化流程。

6 結(jié)論與展望

實(shí)踐證明，非標(biāo)自動化在建筑工地上可以得到很好的應(yīng)用且已經(jīng)獲得部分的成功，標(biāo)準(zhǔn)化了的建筑機(jī)器人尚未實(shí)現(xiàn)。而基于5G 的智慧工地建設(shè)已經(jīng)初見雛形，拓展空間巨大。

2018 年，我國已經(jīng)超過美國，成為世界第一建筑大國，建筑機(jī)器人及智能建造在建筑市場上雖然不能一蹴而就，但前景光明。建筑機(jī)器人既遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上完全替代人工的作用，也離不開人的操作和控制，在工人數(shù)量減少以及在工人素質(zhì)提高更新迭代的同時(shí)，自動化技術(shù)和建筑機(jī)器人是對當(dāng)前以及未來建筑行業(yè)解決方向和途徑，一旦生產(chǎn)力提高，用工成本自然會下降，這一切的發(fā)生有賴于通訊技術(shù)及5G等新技術(shù)的發(fā)展成型，在更遠(yuǎn)的未來與人工智能物聯(lián)的結(jié)合，到那時(shí)建筑工地將不再是一個臟亂差險(xiǎn)象橫生的地方，而是一個更加符合人類文明建設(shè)的舒適環(huán)境。建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級了的建筑行業(yè)未來可期。