自動化技術在建筑裝修工程中的應用

吳文凱,趙寒濤,李 麒,董 莘

(黑龍江省科學院智能制造研究所,哈爾濱 150090)

0 引言

建筑業在科技革新的推動下,作為勞動密集型的傳統產業具有巨大的升級空間,要推進新型城市建設,需發展智能建造,推廣綠色建材、裝配式建筑及鋼結構住宅[1]。裝修工程是建筑業的重要組成部分,傳統的施工方法與手段存在機械化程度低、生產效率低、質量不穩定、依賴成熟技術工人等缺點,限制了其發展,而將自動化技術應用于建筑裝修工程中,可全面提升其智能化、自動化程度,推動智能建造的發展。

裝修裝飾工程是建筑物完成主體結構建造后通過進一步作業達到投入使用目的所需的施工工程,包括建筑地面工程、抹灰工程、門窗工程、吊頂工程、輕質隔墻工程、飾面工程、幕墻工程、涂飾工程、裱糊與軟包工程、細部工程等[2],具有項目繁雜、工程量大、周期長、人工量大、造價高等特點,普遍存在機械化施工程度與生產效率低及施工質量不穩定的問題,其生產效率與施工質量主要取決于管理制度的完善程度及施工人員的技術水平,故亟需提升施工作業的機械化、自動化、智能化水平,利用重復精度較高的自動化施工設備,保障施工質量與效率,節約工程成本。建筑業對裝修施工作業自動化的需求體現在以下幾個方面。

1)重體力作業的機械化替代。室內裝修工程同其他建筑工程類似,存在重體力作業,涉及設備、物料的搬運與使用,對工人的體力有著較高的要求。許多工序需要登高作業,存在諸多的安全隱患。而機械化施工作業可以有效提高工作效率,節省人工,減少安全隱患。

2)保證高精度的施工作業。裝修施工工程是對毛坯建筑物不平整、歪斜結構面或線進行找平修正、補平等,單純依靠人工進行測量施工精度有限,人為引入誤差波動較大,難以保證高效完成高精度作業。引入自動化測量技術,結合機械化的高重復精度,是保證高精度作業的重要途徑。

3)技術工種工序的自動化替代。裝修工程許多工序作業如抹灰、刮膩、鋪磚等對技術工人的要求較高,高度依賴數量有限、培養周期長的熟練技術工人,導致施工質量及生產效率相互制約,難以實現高效高質量工程。開發專用的自動化設備及配套工藝技術,操作便捷,不依賴工人作業,可達到更高質量、更高水平、更高效率的施工。

4)質量驗收自動化。裝修工程完成施工后需要進行檢測驗收,質檢人員按照規定的標準流程作業,采用專業的檢測測量儀器進行驗收。但部分檢測指標的幾何尺寸無法實現窮盡測量,采用抽取檢測結果則可能遺漏有缺陷的位置。隨著技術的發展,視覺檢測技術已成功應用于裝修工程質量驗收中,可以更加直接全面地檢測參數,實現質量驗收自動化,全面提升效率。

5)施工作業的數字化與信息化。裝修工程質量與施工管理水平密切相關,采集、整理、統計、分析、管理施工數據是智能建造必不可少的環節。構建自主可控的工程項目管理平臺,建立企業、行業大數據中心,提供大數據分布式云存儲、高效處理及計算,創建全息數字化模型,對工程建造全過程數據流、工作流進行管控是工程施工實現數字化與信息化發展的主要趨勢[3]。

1 自動化技術的應用

將各種先進的自動化技術如傳感器測量、人工智能、自動控制、視覺識別、機器人等引入到建筑業中是未來的發展趨勢。以下自動化技術已應用于裝修工程中,實現了數字化、智能化建設。

1.1 BIM建筑信息模型技術

BIM(Buildig Information Modeling)是建筑信息建模技術,是利用信息技術將工程/設施通過數字化處理,將各式信息以3D形式用于協助或解決工程不同生命周期階段各種問題[4]。BIM模型中每一個構件都包含具體信息,包括材料、單價、重量、廠家、進度、負責人等,并在建筑設計、施工、運維的每個階段中進行精細化管理。

BIM全壽命周期模型直觀可視,通過三維圖形可以完整地表達建筑的空間位置關系及構件的幾何形狀,可視化地呈現所有參數報表及建設效果圖,幫助完成項目設計、建造、運營決策。在裝修施工中應用BIM技術,可將CAD設計圖紙轉化成可視化三維模型,使人們及時發現設計或施工中存在的問題,實現各部門的信息溝通共享,通過計算工程用料、用量來提高效率,保障項目順利進行。

1.2 SLAM建圖導航技術

SLAM技術(Simultaneous Localization and Mapping)即時定位與地圖構建技術,一般是指機器人在未知環境中從一個未知位置開始移動,在移動過程中根據位置及地圖進行自身定位,建造增量式地圖,是實現機器人自主定位及導航的重要技術[5]。

室內裝修工程智能化施工需要機器人具有較強的自主性,能夠進行自身導航并進行定位施工,因此SLAM技術的應用尤為重要。目前,SLAM系統主要基于視覺、激光雷達、超聲波雷達及慣性導航傳感器等硬件設備進行環境感知與探測,通過測量機器人當前所在位置方位與周圍墻面、立柱、障礙物的距離,進行不斷掃描以建立環境地圖。基于慣性導航傳感器定位設備所在位置,生產自動規劃的行駛路徑與施工定位點,為高精度施工進行準確定位。

1.3 機器視覺技術

機器視覺技術是通過光學裝置及非接觸式傳感器自動接收、處理一幅真實物體的圖像,獲得所需信息并將其用于控制機器運動的裝置[6]。

裝修工程需要進行自動化設備站位定位,傳統的人工作業通過激光投線儀等設備進行手動找正,而自動化施工可實現自動測量定位,借助機器視覺技術,在結構光的照射環境下,通過工業相機對測量對象進行圖像采集,結合模式識別技術對施工對象的幾何要素、表面平整度、光潔度等進行檢測,引導末端執行機構調整角度校正作業姿態,對已完成施工的對象進行測量檢驗以評價是否符合施工要求,從而實現自動化施工及指標檢測功能。

2 裝修機器人的發展

自動化技術在建筑裝修工程中的應用越來越多,適用于各種工程施工的裝修機器人不斷涌現,成為智能建造不可或缺的重要組成。按施工類型主要分為以下幾種:

2.1 噴涂機器人

裝修噴涂作業相較于滾涂具有更高的效率,但作業過程污染較大,采用機器人替代人工能夠減少對施工人員的身體損害。不同于工業噴涂機器人相對固定的方式,裝修噴涂機器人具有自行規劃施工路徑并自動移動的功能。

2007 年,研究人員開發了室內裝修機器人(如圖1)用于墻面噴漆,采用機械臂作為動作機構,可進行油漆混合噴涂,實現顏色的調配[7]。

圖1 室內裝修機器人

2018年,研究人員開發了用于室內墻壁噴漆的機器人Pictobot(如圖2),它是一種基于激光掃描引導的可移動6自由度機器手噴涂系統,通過三維激光掃描儀識別環境地形,可避免油漆等有害物質被人體攝入的風險及危害[8]。

圖2 Pictobot機器人

我國研發的室內噴涂機器人能夠對墻面、天花板及石膏線等結構進行乳膠漆的底漆、面漆噴涂,實現室內噴涂的自動化(如圖3)。

圖3 我國研制的室內噴涂機器人

2.2 抹灰機器人

抹灰工程是對毛坯墻面進行灰漿的抹涂、刮平作業,實現對墻面凹凸、歪斜粗的找平,以彌補澆筑過程后產生的表面缺陷。抹灰工程工序十分重要,是后續刮膩子、噴漆及貼磚的必要作業,施工量大,占用人工多,找正要求高,工人熟練程度對其施工質量影響較大。抹灰施工機器人的出現大大提高了墻面施工的自動化程度及質量。目前較為成熟的抹灰機械產品主要為鋼絲繩吊掛式及齒輪齒條式抹灰機(如圖4),能夠將砂漿涂覆于墻面再進行振實刮平作業的半自動化,在一定程度上實現了人工替代,但仍存在生產效率低、抹灰密實程度不均勻、功損相對較高等問題[9]。

抹灰工程“智能裝備+產業工人”模式采用砂漿輸送泵+機械噴涂機+刮平機器人3種設備組合使用(如圖5),實現了砂漿自出罐泵送至樓層、噴涂上墻至抹面成型的人機融合作業。

圖5 抹灰機器人

機器人抹灰系統(如圖6)已應用于某項目的地下室主配電機房墻面抹灰工程中。由供料設備、送料管、抹灰機器人等部分組成,通過BIM建模提前布放的定位激光線,實現機器抹灰。

圖6 機器人抹灰系統

2.3 鋪磚機器人

墻面與地面裝飾磁磚的鋪貼是裝修工程的重要組成部分,要求磚塊間表面平整、接縫均勻、水平垂直,對工人的技術水平要求很高。

智能機器人協作鋪磚系統(如圖7)基于CSPACE實時仿真控制系統及MATLAB/Simulink開發,利用機器臂完成取磚、抹灰、鋪貼等一系列動作,完成地磚鋪貼施工。

圖7 智能機器人協作鋪磚系統

地磚鋪貼機器人CA80(如圖8)利用綜合激光導航、視覺識別、標高定位等技術實現了機器人的自主行走、精準移位、規劃鋪貼,進行瓷磚膠鋪設、地磚運輸、地磚鋪設施工過程自動化作業。還開發了一款用于室內墻磚鋪貼的自動化機器人(如圖9)。

圖8 磚鋪貼機器人CA80

圖9 墻磚鋪貼機器人

2.4 其他建筑裝修機器人

除上述裝修機器人外,研究人員根據不同的市場需求開發了各類產品,如地面整平機器人、墻面打磨機器人、膩子涂覆機器人等。這些機器人處于不同的開發與應用階段,對建筑裝修工程的智能化、自動化升級起到重要的推動作用,是智能建造的必然發展趨勢。

3 結束語

針對智能制造的發展趨勢,分析了室內裝修工程對于施工自動化的需求,介紹了自動化技術在建筑裝修中的應用及主要的機器人產品,以期促進建筑裝修的智能化、自動化的發展。