林鳳欽

（深圳市金世紀(jì)工程實業(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)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國經(jīng)濟持續(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，機器人、無人機等智能設(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、綠地集團等公司投入研發(fā)建筑機器人，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)達到2198 件，計劃目標(biāo)設(shè)定在2021 年度進入部分量產(chǎn)，實現(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等可投入實踐外，大部分機器人仍處在模型廠演示及改造優(yōu)化階段，在實際應(yīng)用中還處于不成熟、不標(biāo)準(zhǔn)、不夠經(jīng)濟的問題，這個不合理現(xiàn)象透露出在培養(yǎng)理論型、學(xué)術(shù)型建筑機器人上仍有不足。

2 對建筑機器人及智慧工地的認(rèn)識誤區(qū)及重新定義

一直以來非機械自動化專業(yè)的朋友或者建筑行業(yè)的同事對建筑機器人都有一個誤解，以為所謂的建筑機器人應(yīng)該是一種很高科技的應(yīng)用，實際上建筑機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)控級別達到人工智能的機器人。對建筑機器人的追求，最初不過是一種簡單的非標(biāo)自動化的改造設(shè)計，慢慢演變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化了的建筑機器人。傳統(tǒng)的機械控制設(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、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)具有造價低廉、硬件可靠、控制系統(tǒng)簡潔等特點。

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)的機構(gòu)。

本文所述建筑機器人是廣義上的包含非標(biāo)自動化在內(nèi)的建筑機器人，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 建筑機器人及智慧建造系統(tǒng)設(shè)計

建筑機器人作為工業(yè)機器人范疇里的內(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的機械及自動化體系。建筑工地一般要滿足的生產(chǎn)建設(shè)需求有物料搬運、轉(zhuǎn)移、排序、加工、檢測、拆除、警示，并且滿足質(zhì)量、安全、進度、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，通過萬向節(jié)完成大角度方向的調(diào)整，運用平面連桿機構(gòu)如曲柄滑塊實現(xiàn)動作的往復(fù)運動，通過夾緊機構(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器人體積，通過氣動、液壓、鋼絲索、繩完成承擔(dān)各負載，通過減速機、制動器、離合器、聯(lián)軸器、無級變速機、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械手臂完成多變的軌跡運行等。

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作為工控機，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界面操控達到穩(wěn)定控制。

4）在軟件設(shè)計上：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、無人機等新技術(shù)，與智慧建造相結(jié)合，形成新型穩(wěn)定可遠距離操控的建筑機器人，如高空遠距離焊接作業(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，建筑機器人大致有工地搬運機器人、地磚鋪貼機器人、墻紙鋪貼機器人、砌磚機器人、測繪機器人、砌墻機器人、預(yù)制板機器人、施工機器人、鋼梁焊接機器人、混凝土噴射機器人、施工防護機器人、地面鋪設(shè)機器人、抹灰機器人、裝修機器人、清洗機器人、隧道挖掘機器人、拆除機器人、鋼筋捆綁機器人、巡檢機器人、鋁模安裝機器人、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)揮的作用遠遠不止于此，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、PM2.5 揚塵監(jiān)測及定點定時自動控制噴霧防塵系統(tǒng)、監(jiān)控基坑支護、外爬架、樓面異動情況并第一時間發(fā)出報警、工人越界外圍欄洞口安全報警等等，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 在進度質(zhì)量成本控制方面

以某個工程項目為例，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)品要價兩萬元，項目部最終決定自己非標(biāo)設(shè)計，經(jīng)過設(shè)計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器人，兼顧空間安全檢測的自動爬架機器人、以及更加成熟的半自動化的工地搬運機器人都可以大大提高工程質(zhì)量以及進度。

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，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，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，而設(shè)計一種簡易的可較遠距離焊接機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)濟效益，如深圳市金世紀(jì)工程實業(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)同保障項目進度的優(yōu)勢，如利用移動手機遠程及時審批并遠程監(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化管理保證項目進度質(zhì)量。

又如采用鋁模板支撐的體系，設(shè)計時已經(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構(gòu)組成的分揀流水線承擔(dān)挑選任務(wù)，再運輸?shù)较乱粋€工程項目重復(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 建筑機器人及智慧建造應(yīng)用的難點要點

5.1 難點

圖5 紅圈項目管理信息平臺

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器本身成本而且依賴于成熟的機械自動化技術(shù)體系并實現(xiàn)一定功能的建筑機器人，更大的難點在于物料排序工序，鑒于當(dāng)前建筑機器人及應(yīng)用市場需求遠未達到這個需求，暫且不展開討論。

建筑機器人不能有效推向成熟市場的原因是造價因素，這也是自動化設(shè)計在建筑機器人應(yīng)用上的瓶頸，國內(nèi)目前的機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，但造價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，造價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，造價偏高，而應(yīng)用于狹窄住宅小區(qū)墻面抹灰的機器人仍處于模型階段，容易空鼓，且造價高昂笨重不穩(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)負責(zé)室內(nèi)整層抹灰作業(yè)，其優(yōu)點為節(jié)省材料，如若每小時作業(yè)效率能與人工作業(yè)效率持平，才有推向市場的可能性，手動抹平機如下頁圖8 所示。

下頁圖9 功能強大造價達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)境中的實時變化，而幾乎不需要編程。而現(xiàn)實情況是，大多數(shù)情況下機器人很難適應(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)計摸索。

圖7 自動抹平機

圖8 手動抹平機

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)來負擔(dān)，施工企業(yè)動力不足并未體驗到新技術(shù)應(yīng)用帶來的經(jīng)濟效益。

非標(biāo)自動化在建筑市場上自發(fā)地成熟，才能進一步實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，最終達到建筑機器人。然而由于非標(biāo)開發(fā)也有風(fēng)險，開發(fā)商和客戶不肯承擔(dān)風(fēng)險也承擔(dān)不起風(fēng)險，加之建筑行業(yè)與機械自動化產(chǎn)業(yè)有一定程度的跨界，存在建筑行業(yè)方面的人才對機械自動化認(rèn)識不足等問題，使得好長一段時間建筑業(yè)自動化程度很低。

5.2 要點

建筑機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)濟利益，政府部門有效監(jiān)管，工人易于操作且釋放負荷，管理者減少壓力等。

從施工企業(yè)有著某方面強烈愿望的改造項目開始，先由自身公司有一定水平的工程師實現(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)團隊產(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，才能推出成熟產(chǎn)品。而最終研發(fā)實際應(yīng)用的能降低成本的建筑機器人，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)的尋求建筑機器人的標(biāo)準(zhǔn)化流程。

6 結(jié)論與展望

實踐證明，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)化了的建筑機器人尚未實現(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。建筑機器人既遠遠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，自動化技術(shù)和建筑機器人是對當(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，在更遠的未來與人工智能物聯(lián)的結(jié)合，到那時建筑工地將不再是一個臟亂差險象橫生的地方，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。