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

        2021-04-08 09:34:56林鳳欽
        機(jī)械管理開發(fā) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:非標(biāo)工地機(jī)器人

        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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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€(gè)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(gè)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(gè)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(gè)臟亂差險(xiǎn)象橫生的地方,而是一個(gè)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。

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