高層建筑自動化和機器人研究開發40年及今后優先發展方向*

馬智亮，蔡詩瑤

(清華大學土木工程系，北京 100084)

0 引言

在建筑行業，自動化與機器人技術能協助或替代工人以更安全、更高效、更準確的方式開展作業，從而提高生產效率、解決勞動力短缺的問題。20世紀70年代末，日本開始研發建筑現場施工自動化與機器人，80年代開始應用，同時國際上迅速跟進，距今已超過40年。近年來，隨著我國經濟的迅速發展和人口老齡化，建筑項目出現了“用工荒”的現象。從整體情況看，全國建筑工地工人年齡在40歲以上的占到總人數的50%以上，而年輕人不愿意加入建筑行業中來的現象也比較普遍，無論從解決建筑用工的角度，還是從建筑業轉型升級的角度出發，發展建筑自動化和機器人的需求顯得更加迫切，特別是針對高層建筑施工。

高層建筑具有體量大、功能復雜等特點，不僅在建造階段需要使用大量的勞動力，在運維階段也有同樣的需求。因此，在建造階段和運維階段采用建筑自動化和機器人技術是必然的出路。

為了推進高層建筑自動化和機器人的應用，有必要進一步研究開發高層建筑自動化和機器人新技術。一方面，雖然經過了40多年的發展，但是無論是在國外還是國內，高層建筑自動化和機器人的應用還很有限。另一方面，作為高層建筑自動化和機器人支撐技術的信息通訊技術在這期間已經有重大發展。為此，不僅有必要對過去40年高層建筑自動化和機器人技術的發展進行系統總結，而且有必要明確新技術條件下高層建筑自動化和機器人技術的優先發展方向。

本文旨在總結過去40年高層建筑自動化和機器人研究發展狀況，并指出今后的優先發展方向。為此，首先將基于文獻調研，系統地分析40年來高層建筑自動化和機器人研究開發所取得的成果；接著，將基于廣泛的信息檢索，總結商業應用的程度；然后，將分別基于問卷調研、專家研討會和對關鍵技術的梳理，闡述高層建筑自動化和機器人今后的優先發展方向。

1 技術研究工作和成果綜述

為總結40年來高層建筑自動化和機器人研究開發所取得的成果，本文采用了數據庫檢索和文獻計量法。所檢索的數據庫包括Scopus和ISARC(international symposium on automation and robotics in construction)會議論文集。經試檢索，發現前者可以涵蓋主流數據庫Web of Science和Engineering Village。ISARC會議是自1984年以來唯一專門針對建筑自動化與機器人領域的會議，由于該會議早期的論文并未收錄在Scopus等主流數據庫中，因此將其作為補充數據庫。得到檢索結果后，通過人工篩選過濾，排除不相關領域(如生物、醫學、農業等領域)的論文，最終獲得177條文獻記錄。包含的論文發表于1986—2019年，來源于63個不同的期刊或會議論文集。

文獻計量法是一種統計分析方法，其目的是通過對大規模文獻著錄數據的處理，快速識別和建立文獻概念之間的聯系，將科學領域的知識結構可視化[1]。這里選用VOSviewer作為文獻分析工具，將177篇論文的文獻著錄數據導入VOSviewer中，生成關鍵詞聚類網絡圖，如圖1所示。其中的結點表示論文中包含的主要關鍵詞，結點半徑大小代表關鍵詞出現的相對頻度，圓點之間的距離反映關鍵詞之間關聯性強弱。根據文獻計量學的理論可知，每一個聚類代表一個研究方向，聚類中的包含關鍵詞則提示了該方向的主題。所以，這些論文中包含了3個主要研究方向，即：鋼梁安裝、自動化施工與運輸、外墻作業。

圖1 關鍵詞聚類網絡[2]

經對3個主要研究方向所包含的論文摘要進行細讀，得到每個研究方向包含的論文篇數。過去40年，高層建筑自動化和機器人研究開發的研究成果集中在外墻作業(93篇，52.5%)、自動化施工與運輸(26篇，14.7%)和鋼梁安裝(15篇，8.5%)等3個方向上，如圖2所示。

圖2 主要研究方向論文分布[2]

關于外墻作業自動化與機器人研究，由于論文數量較多，為了方便快速理解，本研究再次采用了文獻計量學方法，對該方向的論文進行關鍵詞聚類分析，得到4個子聚類，可以歸納為4個子研究方向，分別為爬壁、檢測、清潔、安裝。其中前者代表外墻作業通用的爬壁機器人，后三者表示分別用于檢測、清潔、安裝的機器人。

關于自動化施工與運輸，可以分為自動化施工系統和自動化運輸系統兩個方面，前一方面相關論文主要來自日本，德國、荷蘭、韓國等其他國家也有相關研究，典型的自動化施工系統由4個部分組成，即：同步爬升結構，用于物料的垂直升降和水平輸送的運輸系統，信息控制系統，以及其他用于特定施工任務的集成子系統，如鋼結構組裝、焊接、預制構件安裝系統等。自動化運輸系統的相關研究包括：集成在自動化施工系統中的吊裝系統，建筑材料自動化運輸系統，機器人塔式起重機系統，以及對施工升降電梯進行了自動化與機器人改造。

關于鋼梁安裝的研究論文1篇來自臺灣大學，主要成果為用于鋼梁的“機器人安裝系統”(robotic assembly system，RAS)，該系統能進行鋼梁安裝過程中的旋轉、對位、螺栓連接和安放4種自動操作，從而自動放置鋼梁就位，并進行初步連接，減少了工人的高空作業；其余14篇來自同一個項目，該項目名為“基于機器人的高層建筑施工自動化”(robot-based construction automation for high-rise building，RCA)，由韓國大學和韓國科學技術院共同主導，論文分別反映項目概念設計和關鍵技術研究、原型系統研發以及現場應用和驗證3個階段。

通過閱讀原文，本研究分析了這些論文所反映的研究開發的成熟度。將研究成果的成熟度劃分為以下4個階段：概念設計即仿真、實驗室原型系統、工程試用、實際項目應用，結果如圖3所示。其中，將屬于同一研究項目的論文成果合并，用一個圓表示，圓的面積與該項目的論文數量成正比。圓心的橫坐標代表論文的發表年份，縱坐標代表研究成果的成熟度。當同一項目中包含多篇論文時，橫坐標為其發表年份的平均值，縱坐標為其最新成果的成熟度?？梢?，絕大多數研究最終只發展到實驗室原型系統和工程試用階段。尤其是近10年來，本次綜述涉及的論文中尚未有能達到實際項目應用的成果。

圖3 研究成果成熟度分布[2]

2 產品類別和典型產品綜述

為了把握建筑自動化與機器人典型產品案例，本研究通過以下數據源進行了檢索：產品目錄類文獻、網頁、行業報告，檢索范圍不限于高層建筑，共獲得提供建筑自動化與機器人產品的企業105家，如表1所示。值得注意的是，有的施工企業也已提供建筑自動化和機器人產品，但大部分是日本企業。此外，本研究還嘗試檢索了建筑自動化與機器人相關的國際展覽，以及建筑自動化與機器人領域相關協會的成員單位，但是在檢索后并未獲得有效數據。

表1 提供建筑自動化與機器人產品企業類別[3]

在上述企業中，提供高層建筑施工相關產品的企業有27家，主要包括3類：工程機械企業(3家，占11.1%)、施工企業(12家，占44.4%)和建筑自動化與機器人企業(12家，占44.4%)，如表2所示。

表2 高層建筑自動化與機器人相關產品類別及其生產企業[3]

值得補充的是，雖然沒有在上述文獻檢索中被找到，經調查，發現我國的一些骨干施工企業近年也研究開發了一些建筑自動化與機器人產品，并在實際過程中成功應用，涉及種類包括：集成化施工平臺系統、焊接機器人、鋼結構智能制造系統、大尺度3D打印機、旋轉施工電梯等[5]。

3 支撐技術和現實需求

為了把握建筑自動化與機器人的發展需要，需要了解兩方面的情況，即支撐技術和現實需求。前者是建筑自動化與機器人發展的技術基礎，也有助于認識建筑自動化與機器人的發展規律，后者反映建筑自動化與機器人發展的現實需求。

針對支撐技術，本研究通過檢索Scopus數據庫，并對結果數據進行文獻計量學分析獲得支撐技術的情況。在檢索時不僅限于高層建筑，而是將范圍擴大到了整個建筑自動化與機器人領域，這是由于二者所依賴的支撐技術是基本一致的。初步獲得檢索結果后，通過篩選排除無關領域的論文，最后獲得5 522條文獻記錄，其發表時間在1974—2019年。用文獻計量分析工具CiteSpace，將5 522篇論文的文獻著錄數據導入其中進行可視化處理。具體地，采用CiteSpace提供的文獻共引分析法(document co-citation analysis，DCA)進行聚類分析。一般來說，論文中引用的參考文獻為論文提供了知識基礎。而支撐技術正是建筑自動化與機器人技術發展的知識基礎之一，因此，有望使用DCA進行支撐技術的識別。利用DCA方法生成的參考文獻共同引用網絡如圖4所示。根據共引文獻中的關鍵詞，CiteSpace自動識別出7個主要的共引聚類。其中，有3個聚類屬于具體技術，即計算機視覺(computer vision，#0)、無線射頻識別(radio frequency identification，RFID，#5)和增材制造(additive manufacturing，#6)；有2個聚類屬于特定施工模式下的施工任務，即施工裝配(construction assemblies，#1)、非現場施工(off-site construction，#4)；其余2個為具有特定功能或特點的機器人系統，即自動化系統(automated system，#2)和移動系統(mobile system，#3)。

圖4 文獻共引聚類網絡圖[6]

針對每一類具體技術，可以列出對應的技術術語。例如，針對計算機視覺，可以列出的技術術語包括：maintenance phases; deep learning; automated concrete delamination assessment; machine learning; SLAM-driven robotic mapping; predicting safety hazard; point cloud; robust control approach; teaching robot; facility operation。而針對每個術語，可以統計其被引用的歷史(見圖5)。

圖5 技術術語的引用歷史舉例[6]

可以看出，每個時期所使用的支撐技術有所不同。例如，增材建造、BIM等技術是2010年開始才被應用在建筑自動化與機器人的研究開發中?？梢岳斫猓录夹g的應用必將增強建筑自動化與機器人系統的能力，從而使建筑自動化與機器人系統能被應用于解決更加復雜的問題。

針對現實需求，我們采用了針對專家進行問卷調查的方法加以把握。改革開放40年以來，我國建設了一大批高難度的超高層建筑，在世界范圍內取得了巨大的成就。這些成就的取得離不開我國先進施工企業在工程技術方面的快速進步和來自大量實際工程的經驗積累。不少企業一直在探索各種先進技術在施工中應用的可能性，已有企業開始在高層建筑施工中使用自動化與機器人技術，或對此十分感興趣。因此，本研究將來自我國高水平施工企業的高級工程師作為問卷調查的對象，通過他們了解自動化與機器人技術在我國高層建筑中的應用現狀、主要需求與影響因素。

設計的問卷包括4個部分：答卷人個人信息，該部分包括答卷人工作年限、工作經歷等；答卷人對高層建筑自動化與機器人技術當前應用情況和總體看法；需求評價，請答卷人對20項潛在需求的重要程度進行評分(按1～5分打分，1分代表非常不需要，5分代表非常需要)；影響因素評價，請答卷人對21項潛在影響因素的重要程度進行評分(按1～5分打分，1分代表非常不重要，5分代表非常重要)。

問卷調查于2018年6月至8月進行。在此期間，在中國建筑業協會和中國土木工程學會的幫助下，本研究以郵件、短信的方式向這兩個組織的專家委員會成員發放網絡問卷。作為我國建筑業最具影響力的協會和學會，國內絕大多數先進施工企業及其專家都是其會員，其專家委員會成員對行業技術均有深入、透徹的理解。在此期間，共發放問卷795份，回收問卷121份，其中有13份問卷中答卷人表示對建筑自動化與機器人完全不了解，僅回答了個別問題，因此將其剔除。最終得到有效問卷108份，有效回復率為13.6%。考慮到有效回復率較低，本研究進一步聯系了未填寫問卷的專家，詢問未填寫的原因，除了少數專家由于退休、離職等個人原因，對建筑行業當前的發展不關心或不了解外，大多數專家表示沒有了解和應用過建筑自動化與機器人，因此無法判斷。答卷人從職位看88.9%為總工程師或副總工程師、總經理或副總經理，工作年限10年以上的占到81.4%。

限于篇幅，這里僅展示各潛在需求重要程度得分，如圖6所示。左側小提琴圖表示了需求重要程度得分的分布情況。其中，小提琴圖右側列出了得分平均值和排名，其中排名前10位的用粗體顯示。

圖6 各潛在需求重要程度得分分布情況[7]

4 技術優先發展方向

在上述問卷調查中，回答者雖然是技術專家，但不一定是建筑自動化與機器人方面的專家，因此，給出的評估只能反映基于他們對建筑自動化與機器人認識的實際過程應用需求，技術上是否可行有待確認。專門組織了高水平專家研討會，討論和分析行業優先發展方向與關鍵挑戰，為該領域今后的研究、開發與應用提供更明確的參考。

2018年11月在北京組織召開了建筑自動化與機器人國際專家研討會。國際國內本領域最前沿、最具影響力的學者共13人應邀參加了本次研討會，包括7位大學教授和6位產業界專家。受邀專家覆蓋該領域發展較為活躍的國家和地區，包括中國、美國、德國、加拿大、日本，其專業背景包括土木工程、機械工程、計算機科學等。研討會主要分為兩個階段，即特邀報告、專題討論，開展情況如下。

首先，每位專家進行30分鐘的特邀報告，介紹自己在建筑自動化與機器人領域的最新研究進展。此外，向專家介紹了本研究前期問卷調查的情況，為下一階段的討論提供參考。這一階段的主要目的是相互了解、明確會議目標，為后續交流討論的順利開展打下基礎。

然后，開展專題討論。參與討論的專家共11人。為保證交流和討論的順利進行，將11位專家按照其常用語言分為兩組，包括中文組(6名專家)和英文組(5名專家)。專題小組討論包括3個部分。第1部分時長30min，每位專家綜合考慮施工實踐、經濟可行性、自動化與機器人技術所提供的技術可行性等，各自列出高層建筑施工自動化與機器人技術領域的3個優先發展方向和3個關鍵挑戰，可以參考但不限于問卷調查中得到的主要需求和影響因素。第2部分時長60min，每位專家介紹自己列出的內容，并逐一解釋提出的理由，并在小組內共同討論。第3部分時長60min，每位專家對優先發展方向和關鍵挑戰進行投票(各3票)，然后統計投票結果，并形成每組前3名的優先發展方向和關鍵挑戰列表。

限于篇幅，這里僅展示2個小組經討論形成的優先發展方向，分別如表3和表4所示。

表3 優先發展方向(中文組)[2]

表4 優先發展方向(英文組)[2]

可以發現，其結果與問卷調查中確定的主要需求是比較一致的。其中，“預制構件安裝”“高空作業的安全控制”和“施工設備的安全控制”在問卷調查中排名前10；“施工質量檢查”“鋼結構作業(安裝、涂裝、焊接等)”兩項則在調查中排名前10；僅有“外墻施工與維護”一項在問卷中未進入前10。

5 結語

新時期、新條件下發展建筑自動化與機器人有必要借鑒過去，并形成對未來的謀劃。本文基于文獻調研，系統地分析40年來高層建筑自動化和機器人研究開發所取得的成果，總結了商業應用的程度；基于問卷調研、專家研討會和對關鍵技術的梳理，闡述了高層建筑自動化和機器人今后的優先發展方向。主要結論如下。

1)過去40年，高層建筑自動化和機器人研究開發的研究成果集中在外墻作業(93篇，52.5%)、自動化施工與運輸(26篇，14.7%)和鋼梁安裝(15篇，8.5%)等3個方向，絕大多數研究最終只發展到實驗室原型系統和工程試用階段。

2)BIM、增材制造等新興技術的應用必將增強建筑自動化與機器人系統的能力，從而使建筑自動化與機器人系統能被應用于解決更加復雜的問題。

3)高層建筑自動化和機器人今后的優先發展方向包括：預制構件安裝、外墻施工與維護、施工質量檢查、高空作業的安全控制、施工設備的安全控制、鋼結構作業(安裝、涂裝、焊接等)。