張佳樂(lè)， 駱漢賓， 徐 捷

(1. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 拉夫堡大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，英國(guó) 拉夫堡 LE11 3TU)

建筑業(yè)是被公認(rèn)為最“傳統(tǒng)”的行業(yè)之一，其作業(yè)效率遠(yuǎn)低于其他行業(yè)，如汽車制造業(yè)。究其原因，不外乎與建筑產(chǎn)品規(guī)模復(fù)雜、材料及資源利用率低、作業(yè)環(huán)境開(kāi)放等因素相關(guān)。然而，全球經(jīng)濟(jì)(6%GDP)發(fā)展在很大程度上依賴于建筑業(yè)[1]，這意味著該行業(yè)必須打破人力密集型的工作流程來(lái)成倍提高其效率，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度和成本的優(yōu)化[2]。過(guò)去二十年里，學(xué)者們一直試圖通過(guò)兩個(gè)維度來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)——信息(虛擬)維度和物質(zhì)(物理)維度，即通過(guò)建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)[3,4]和自動(dòng)化/機(jī)器人技術(shù)來(lái)推動(dòng)發(fā)展[5]。

由于BIM可應(yīng)用于設(shè)計(jì)到維護(hù)階段的建筑全壽命周期[3,4],建筑業(yè)需要一個(gè)集成的BIM系統(tǒng)用于建筑自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)，自動(dòng)提取建筑細(xì)節(jié)語(yǔ)義模型[6]并結(jié)合“機(jī)器人”元素制定施工方案[7]。同時(shí)，對(duì)施工過(guò)程信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集并可視化[8,9]，使得機(jī)器人可在非結(jié)構(gòu)化的施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境[10]中自動(dòng)完成路徑部署和避障活動(dòng)，根據(jù)預(yù)定目標(biāo)及周圍環(huán)境[11]做出相應(yīng)判斷，動(dòng)態(tài)調(diào)整工作計(jì)劃[7]，最終完成預(yù)設(shè)建筑任務(wù)。

現(xiàn)階段，Architecture/Engineering/Construction (AEC)領(lǐng)域中的BIM應(yīng)用正在逐步加深[12]。它可以與不同領(lǐng)域的其他技術(shù)充分結(jié)合，從而豐富建筑全生命周期的施工作業(yè)。例如，在設(shè)計(jì)階段通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)[13]和多目標(biāo)優(yōu)化[14]。在建設(shè)和維護(hù)階段，控制全過(guò)程能源消耗[15]、集成計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)識(shí)別建筑行為、監(jiān)控施工進(jìn)度[16]、實(shí)時(shí)檢測(cè)和可視化建設(shè)對(duì)象[17,18](Valinejadshoubi, Bagchi, and Moselhi 2019; Braun and Borrmann 2019)等等。除此之外，將BIM應(yīng)用于建筑自動(dòng)化系統(tǒng)的研究也在如火如荼地進(jìn)行。同樣，將機(jī)器人應(yīng)用于建造活動(dòng)在一定程度上也能提升建筑自動(dòng)化程度和生產(chǎn)力水平[19]，促進(jìn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)建造活動(dòng)的可擴(kuò)展性和自適應(yīng)性[20]。

盡管多種類型的建筑機(jī)器人已被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)，如機(jī)器人預(yù)制系統(tǒng)[21]和砌磚機(jī)器人[22]。目前為止，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的協(xié)調(diào)和管理問(wèn)題仍然沒(méi)有解決，導(dǎo)致在將機(jī)器人應(yīng)用于具體施工項(xiàng)目時(shí)會(huì)受到類型及適用范圍等限制[23]。同時(shí)，只有對(duì)機(jī)器人的施工任務(wù)進(jìn)行廣義上的局部/全局規(guī)劃[24]，分層定義任務(wù)，識(shí)別子任務(wù)之間的相互關(guān)系，才能有效地管理和協(xié)調(diào)施工現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人。因此，需要構(gòu)建一個(gè)更加主動(dòng)和多維的控制平臺(tái)，提高機(jī)器人利用率和有效性。

在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，建筑行業(yè)中BIM與自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合是不可避免的。這意味著將需要用于建筑自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)的集成“非人性化” BIM系統(tǒng)，以便在整個(gè)生命周期中將BIM模型與機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備無(wú)縫連接。目前利用機(jī)器人進(jìn)行建設(shè)活動(dòng)很大程度上仍依賴于既定的部署和運(yùn)行流程，并不具備可基于動(dòng)態(tài)變化的自我調(diào)節(jié)機(jī)制，也沒(méi)有利用其他平臺(tái)進(jìn)行宏觀調(diào)控。由于需要考慮的因素較多，相對(duì)完善的以建筑機(jī)器人導(dǎo)向的BIM框架(Robotic Construction Building Information Model, RcBIM)很難建立。

本文旨在通過(guò)對(duì)BIM和建筑機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的演繹性文獻(xiàn)綜述，提供一些初步的思想和見(jiàn)解，初步對(duì)全面面向機(jī)器人建筑的BIM框架進(jìn)行描述，從而為知識(shí)體系做出貢獻(xiàn)，以描述基本要素并促進(jìn)可能的工作流程以進(jìn)行實(shí)際實(shí)施。

1 建筑領(lǐng)域機(jī)器人替代人的趨勢(shì)

施工機(jī)器人的研究始于1977年，1982年便設(shè)計(jì)出了首個(gè)可應(yīng)用于敷設(shè)防火層的建筑機(jī)器人SSR-1，并進(jìn)行了初步的施工驗(yàn)證[25]。自此之后，建筑機(jī)器人便逐漸代替人來(lái)完成分配混凝土、安裝墻板、移動(dòng)建材等簡(jiǎn)單作業(yè)。近期，STCP(Scalable TCP)技術(shù)又將增材制造、外骨骼系統(tǒng)、類人機(jī)器人技術(shù)等結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的又一次重大飛躍[26]。使得機(jī)器人能夠完成高復(fù)雜度和高效率的建筑任務(wù)，特別是配備高精度傳感器和人工智能技術(shù)時(shí)。在此基礎(chǔ)上，集成多任務(wù)機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)可以從物理、感官、思維三方面推動(dòng)該領(lǐng)域的智能化發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)在建筑領(lǐng)域取代人力的趨勢(shì)正在經(jīng)歷從操作層面到組織層面的轉(zhuǎn)變。

1.1 “物理”替代：通用能力與先進(jìn)能力

能夠被代替工地工人的建筑機(jī)器人所進(jìn)行的操作任務(wù)，往往是受時(shí)間、空間及物理要求限制下的對(duì)簡(jiǎn)單工具的使用操作，即“通用任務(wù)”。不同的通用任務(wù)所對(duì)應(yīng)不同的動(dòng)作集可用常見(jiàn)指標(biāo)來(lái)量化。

與通用任務(wù)相反，某些僅能由熟練工人操作大型建筑機(jī)器來(lái)完成的，或新出現(xiàn)的、用傳統(tǒng)方法無(wú)法完成的任務(wù)，被稱為“現(xiàn)今任務(wù)”。上述兩者的區(qū)別在于，前者是指對(duì)機(jī)器人強(qiáng)度、速度、精度等能力要求高于通用任務(wù)的常規(guī)機(jī)械施工活動(dòng)，后者則是基于現(xiàn)有尖端技術(shù)對(duì)現(xiàn)有建筑設(shè)計(jì)和實(shí)施方式進(jìn)行優(yōu)化的活動(dòng)。

事實(shí)上，施工現(xiàn)場(chǎng)的施工機(jī)械早已取代了部分工人。因此，將這些機(jī)械升級(jí)為機(jī)器人在時(shí)間、成本和技術(shù)上是可行的。

1.2 “感官”替代：對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性

盡管機(jī)器人技術(shù)水平已得到大幅度提升，但建筑工地的大部分重復(fù)性和危險(xiǎn)工作目前仍由工人手動(dòng)完成。機(jī)器人自動(dòng)化的挑戰(zhàn)取決于施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況[27]。制造業(yè)中的機(jī)器人是在封閉結(jié)構(gòu)的環(huán)境中完成自動(dòng)化生產(chǎn)和組裝作業(yè)，而建筑活動(dòng)通常是在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，受環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的影響較大[28]。為了避免現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)環(huán)境的不確定性，研究者提出在工廠中利用機(jī)器人完成預(yù)制構(gòu)件后現(xiàn)場(chǎng)組裝這一施工策略[29]。然而，總有一些不可避免的露天施工任務(wù)需要機(jī)器人完成，如基礎(chǔ)和地基作業(yè)。表1基于兩者之間相對(duì)的“動(dòng)態(tài)”和“靜態(tài)”特征，從3個(gè)不同角度比較了建筑(現(xiàn)場(chǎng))和制造(非現(xiàn)場(chǎng))機(jī)器人的實(shí)施需求。

表1 建筑業(yè)和制造業(yè)對(duì)機(jī)器人需求的異同

在設(shè)計(jì)過(guò)程中(表1)推進(jìn)“定制化”“信息化”“模塊化”是雙方共同的目標(biāo)。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)建筑早期設(shè)計(jì)階段更考慮外界條件的“可變性”，即如何適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，制造傾向于將過(guò)程整體化來(lái)反映流程的“不變性”和“階段性”[30,31]。

建筑業(yè)更關(guān)注建造、維護(hù)和拆卸階段機(jī)器人的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，制造業(yè)則更關(guān)注機(jī)器人在生產(chǎn)線上的固定操作。隨著施工復(fù)雜性的增加，施工過(guò)程中的“動(dòng)態(tài)”因素將逐步多樣化。為了在設(shè)備、計(jì)劃、建筑產(chǎn)品和環(huán)境等因素實(shí)時(shí)變化的情況下提高建造安全水平和生產(chǎn)效率，機(jī)器人應(yīng)具備態(tài)勢(shì)感知能力以完成設(shè)備跟蹤、目標(biāo)定位、碰撞檢測(cè)等適應(yīng)性任務(wù)[32]。因此，需要增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)當(dāng)前施工過(guò)程狀態(tài)信息的感知能力(如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力、熱等)，使機(jī)器人能夠像人類一樣適應(yīng)建筑工地的非結(jié)構(gòu)化、混亂的工作環(huán)境。

1.3 “思維”替代：人機(jī)一體化

提高控制精度和采用標(biāo)準(zhǔn)化模型是機(jī)器人控制研究的必然趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，建筑業(yè)主要關(guān)注的是如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在建造活動(dòng)中的自動(dòng)反饋行為，而制造業(yè)主要關(guān)注的是機(jī)器人如何更快地對(duì)突發(fā)變化做出反應(yīng)，即提高其瞬態(tài)響應(yīng)水平。兩者的響應(yīng)性都與自動(dòng)化程度有關(guān)，取決于控制邏輯設(shè)計(jì)、硬件計(jì)算能力，以及嵌入的算法和技術(shù)處理數(shù)據(jù)的智能程度等。

通常，不同程度自動(dòng)化機(jī)器人包括但不限于以下三類:

(1)由操作員實(shí)時(shí)伺服控制的遠(yuǎn)程操作機(jī)器人；

(2)按固定程序進(jìn)行自動(dòng)操作的預(yù)編程機(jī)器人；

(3)可自主理解并執(zhí)行任務(wù)的感知-執(zhí)行機(jī)器人。

當(dāng)操作者直接對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或預(yù)設(shè)固定程序時(shí)，較簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng)便可完成復(fù)雜的任務(wù)。然而，大部分機(jī)器人系統(tǒng)耗時(shí)且錯(cuò)誤率高，在操作者判斷錯(cuò)誤或缺乏實(shí)時(shí)人工指令時(shí)，缺乏完成預(yù)定義任務(wù)以外任務(wù)的自主性和智能性[33]。因此，如何賦予機(jī)器人以“人類智能”來(lái)支持決策從而提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和效率成為研究者們所面臨的棘手問(wèn)題。

必須強(qiáng)調(diào)的是，要求應(yīng)用于建筑現(xiàn)場(chǎng)的所有機(jī)器人均具有高智能在成本和技術(shù)角度上來(lái)講是不現(xiàn)實(shí)的。例如，在施工過(guò)程中，當(dāng)傳感器感知到與計(jì)劃相悖的突發(fā)情況時(shí)，機(jī)器人應(yīng)執(zhí)行不同程度的自適應(yīng)措施，協(xié)助工程師快速應(yīng)對(duì)緊急情況，做出最優(yōu)決策[34]。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景(如基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目)和建設(shè)生命周期[35]等來(lái)選擇應(yīng)用建筑機(jī)器人的智能化水平，這也與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、當(dāng)?shù)匚幕?、政策等因素有關(guān)。因此，基于各種約束因素的多層次的人-機(jī)器人集成架構(gòu)(圖1)有望部署在現(xiàn)場(chǎng)，以更好地適應(yīng)施工組織和外界條件的變化[36]。

圖1 基于各種決定因素的自動(dòng)化級(jí)“人機(jī)一體化”體系結(jié)構(gòu)

2 基于BIM的機(jī)器人建造案例研究

隨著機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)不斷席卷AEC行業(yè)，當(dāng)前以人為核心的BIM建造模式需要變革以適應(yīng)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)的方法和工具，能夠生成輔助和促進(jìn)機(jī)器人作業(yè)和建筑自動(dòng)化的信息流，達(dá)到提高施工效率的目的。本文利用以下3個(gè)典型案例，對(duì)BIM與機(jī)器人的融合理念過(guò)程做進(jìn)一步闡述。

2.1 基于BIM的建筑3D打印案例

增材制造技術(shù)近年來(lái)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件自動(dòng)化生成的全新嘗試[37]。本文選取的案例來(lái)自南加州大學(xué)[38]，其中涉及到的輪廓工藝(Contour Crafting，CC)[39,40]是目前主流的增材制造技術(shù)。本案例提出了一個(gè)可處理建造全部信息的BIM軟件平臺(tái)POCSAC，將CC硬件設(shè)施與軟件進(jìn)行整合最大化機(jī)器人建筑3D打印效益。

POCSAC軟件旨在從原始BIM模型中提取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以生成適用于不同硬件單元的機(jī)器人操作和控制指令。總體流程如圖2所示。

圖2 基于BIM的CC系統(tǒng)應(yīng)用流程

(1)首先，在Autodesk Revit中完成模型設(shè)計(jì)，并利用行業(yè)基礎(chǔ)類(Industry Foundation Classes，IFC)框架(可定義和存儲(chǔ)與項(xiàng)目相關(guān)的位置、模型的幾何和參數(shù)信息以及層次結(jié)構(gòu)等)對(duì)現(xiàn)有BIM參數(shù)(如機(jī)器人族、材料規(guī)格)進(jìn)行擴(kuò)展。

(2)然后，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)以確保從不同建設(shè)階段的IFC文件中提取出正確信息。所提取的信息應(yīng)包括各種模型特征(如組件參數(shù)和材料數(shù)據(jù))和其他系統(tǒng)(如機(jī)械或電氣系統(tǒng))的建筑和結(jié)構(gòu)組件等。

(3)然后，對(duì)所設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行切片，得到可用于機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析的各層幾何形狀和材料類型。使用Lin-Kernighan (LK)算法作為刀具路徑優(yōu)化算法，在現(xiàn)有CC系統(tǒng)的約束下生成并優(yōu)化機(jī)器人刀具路徑，控制機(jī)器人完成建筑3D打印。

(4)最后，自動(dòng)生成施工過(guò)程報(bào)告添加至模型中，供后續(xù)竣工建筑運(yùn)維工作參考。

在基于BIM的通用自動(dòng)化施工的發(fā)展過(guò)程中，BIM平臺(tái)與自動(dòng)化施工系統(tǒng)之間缺乏數(shù)據(jù)互操作性成為迫在眉睫的問(wèn)題。此外，還需要定制和擴(kuò)展BIM平臺(tái)，以充分利用自動(dòng)化施工系統(tǒng)提供的新機(jī)會(huì)。自動(dòng)化施工系統(tǒng)的各個(gè)組件必須與定制的BIM系統(tǒng)兼容。以上也是基于BIM的3D打印平臺(tái)研發(fā)中所面臨的典型問(wèn)題，因此，該案例提出通過(guò)POCSAC軟件將BIM技術(shù)與具體3D打印集成的新框架。在此框架中，POCSAC軟件平臺(tái)是主要的同時(shí)，使用IFC模型分析數(shù)據(jù)也是解決上述之間數(shù)據(jù)互操作性問(wèn)題的關(guān)鍵鏈接點(diǎn)。此外，為擴(kuò)展BIM模型插入新數(shù)據(jù)和參數(shù)也十分必要。

然而，要真正實(shí)現(xiàn)基于BIM的完美3D打印，仍然有很多問(wèn)題需要解決，具體如下：

(1)開(kāi)發(fā)更全面的刀具路徑優(yōu)化系統(tǒng)以擴(kuò)大由BIM驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人數(shù)量；

(2)設(shè)計(jì)一種工具，使得無(wú)需更改硬編碼命令便可將BIM模型用于任何機(jī)器人控制系統(tǒng)，以使其特定的機(jī)器人控制系統(tǒng)獲得與用戶輸入相關(guān)的可理解命令，從而相應(yīng)地生成最終命令；

(3)POCSAC軟件作為用于從BIM到機(jī)器人的施工操作控制的軟件系統(tǒng)，應(yīng)具有使用先前生成的信息生成最佳施工過(guò)程的能力，同時(shí)涵蓋場(chǎng)地布局規(guī)劃和確?，F(xiàn)場(chǎng)物料正常輸送的能力。

2.2 基于BIM的組件裝配作業(yè)

預(yù)制和組裝作為建筑工業(yè)化的關(guān)鍵解決方案，自1980年起已在AEC行業(yè)中得到廣泛實(shí)施[41]。自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)已成為預(yù)制階段生產(chǎn)線的主要方式，而在組裝階段則很難應(yīng)用。某案例[42]將BIM平臺(tái)配置為核心，以集成施工現(xiàn)場(chǎng)，機(jī)器人屬性和任務(wù)信息以生成機(jī)器人裝配任務(wù)模型，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人裝配構(gòu)建塊以提高計(jì)劃效率和組裝精度?？梢允褂昧鞒炭蚣?圖3)完成基于任務(wù)級(jí)別計(jì)劃的所有步驟，以完成機(jī)器人組件的組裝。

圖3 基于BIM的機(jī)器人裝配應(yīng)用流程框架

(1)首先，建立一個(gè)新的機(jī)器人裝配任務(wù)描述模型，包括任務(wù)幾何信息、進(jìn)度信息、工地信息和機(jī)器人信息。IFC標(biāo)準(zhǔn)解決了前三個(gè)信息之間的相互關(guān)系，后一個(gè)依賴于新的實(shí)體“ifcRoboticAssembly”是根據(jù)IFC的擴(kuò)展機(jī)制模型定義的。關(guān)鍵點(diǎn)在于新的“ifcRoboticAssembly”實(shí)體的屬性信息包括在IFC模型中增添了機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)器人幾何模型和機(jī)器人坐標(biāo)系這三個(gè)定義。同時(shí)“ifcRobotWorkSchedule”實(shí)體可在IFC中表示機(jī)器人的組裝過(guò)程及相應(yīng)的機(jī)器人控制指令。

(2)使用場(chǎng)景建模和校準(zhǔn)來(lái)準(zhǔn)確描述機(jī)器人、施工現(xiàn)場(chǎng)和裝配任務(wù)在空間中的位置關(guān)系，并使用信號(hào)化(編碼)目標(biāo)方法進(jìn)一步處理重建的模型。將建筑任務(wù)模型統(tǒng)一到機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系中，以測(cè)量和計(jì)算每個(gè)磚塊坐標(biāo)點(diǎn)。然后，補(bǔ)充機(jī)器人組裝計(jì)劃以形成IFC數(shù)據(jù)文件所需的其他信息。

(3)IFC文件應(yīng)包括組裝任務(wù)模型、站點(diǎn)和機(jī)器人的信息及每個(gè)積木的放置3D坐標(biāo)。核心步驟是轉(zhuǎn)換放置點(diǎn)并通過(guò)特定的界面程序向機(jī)器人發(fā)送控制指令。

在基于BIM的常規(guī)機(jī)器人裝配研究中，如何快速計(jì)劃和執(zhí)行多樣化的個(gè)性化機(jī)器人裝配任務(wù)成為一個(gè)重要問(wèn)題。大量研究仍處于應(yīng)用階段，無(wú)法解決不同軟件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換，應(yīng)通過(guò)統(tǒng)一的格式來(lái)支持大量組裝任務(wù)的需求，這帶來(lái)了BIM對(duì)基于IFC的機(jī)器人組裝任務(wù)形成新的統(tǒng)一表達(dá)和擴(kuò)展規(guī)則的需求。關(guān)于上述情況，該案例建立了基于IFC的機(jī)器人裝配任務(wù)描述模型包含計(jì)劃所需的所有信息(幾何信息、進(jìn)度信息、站點(diǎn)信息和機(jī)器人信息等)，具體方法是通過(guò)定義新實(shí)體“ifcRoboticAssembly”將IFC文件擴(kuò)展為形成用于機(jī)器人裝配任務(wù)，構(gòu)建任務(wù)幾何信息和進(jìn)度信息以及定義機(jī)器人的完整描述框架，“ifcRobotWorkSchedule”實(shí)體代表機(jī)器人的組裝過(guò)程并記錄相應(yīng)的機(jī)器人控制指令。此外，還開(kāi)發(fā)了一個(gè)特定的程序界面，以根據(jù)包含施工現(xiàn)場(chǎng)、機(jī)器人屬性和任務(wù)的IFC文件生成機(jī)器人控制程序。

與傳統(tǒng)的人工操作相比，基于BIM的機(jī)器人組裝活動(dòng)可將構(gòu)建時(shí)間減少至原來(lái)的1/10～1/18。在組裝精度足夠的基礎(chǔ)上，機(jī)器人構(gòu)建的整體效率得到了提高(詳細(xì)數(shù)據(jù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[43])。機(jī)器人裝配的BIM任務(wù)模型的描述在一定程度上填補(bǔ)了IFC機(jī)器人組裝任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的空白，為制造和組裝設(shè)計(jì)開(kāi)辟了嶄新的路徑，從而為將“BIM設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C(jī)器人構(gòu)造”提供了有效的途徑。但是，仍然存在很多問(wèn)題需要探索，例如解決單個(gè)機(jī)器人的多任務(wù)計(jì)劃和多個(gè)機(jī)器人的多任務(wù)計(jì)劃等。

2.3 基于BIM的協(xié)作焊接作業(yè)

焊接是制造和建筑中最基礎(chǔ)的操作之一，特別是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑而言。但是，在動(dòng)態(tài)焊接工作單元或復(fù)雜任務(wù)中使用機(jī)器人解決方案還存在一些陷阱。因此，與靈活的人機(jī)協(xié)作相關(guān)的完整信息流對(duì)于提高人和機(jī)器人流程的效率非常有價(jià)值，可以提高整體生產(chǎn)率。SARKKIS機(jī)器人公司和波爾圖大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種用于結(jié)構(gòu)鋼制造的協(xié)作焊接系統(tǒng)(圖4)，該系統(tǒng)根據(jù)BIM標(biāo)準(zhǔn)生成并將任務(wù)分配給操作員和焊接機(jī)器人[43]，核心為協(xié)作焊接單元，該單元可以從BIM文件中提取信息，并使用空間增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)加快梁附件的組裝速度，并使用3D傳感系統(tǒng)來(lái)提高焊接質(zhì)量和無(wú)碰撞路徑規(guī)劃器，用于確保焊接機(jī)器人的安全操作。系統(tǒng)主要流程如下：

圖4 基于BIM的協(xié)同焊接應(yīng)用流程框架

(1)首先使用Tekla軟件處理CAD和BIM信息，輸出是包含相應(yīng)IFC文件用于生產(chǎn)的項(xiàng)目執(zhí)行信息；

(2)將IFC數(shù)據(jù)解析并轉(zhuǎn)換為可用的信息，基于IFC、CAD數(shù)據(jù)和焊接規(guī)范生成感興趣矢量以執(zhí)行IFC定義的焊接操作；

(3)集成空間增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Spatial Augmented Reality，SAR)系統(tǒng)和BIM系統(tǒng)直接將上下文信息提供到需要的環(huán)境位置，使得操作員可幫助機(jī)器人明確焊接正確位置；

(4)此外，用于機(jī)器人焊接的基于激光的高精度定位系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)器人中編程的光束參考系進(jìn)行調(diào)整，隨后將生成機(jī)器人的焊接軌跡；

(5)最后利用從計(jì)算機(jī)輔助制造軟件獲得的信息，最佳地控制機(jī)器人系統(tǒng)及其軌跡。

3 討 論

以上三個(gè)案例研究均代表了BIM和機(jī)器人技術(shù)在建筑領(lǐng)域協(xié)同研究的最新嘗試。在每個(gè)案例研究中，都可以看到BIM框架的建立主要是為了支持信息交換、軟件開(kāi)發(fā)、硬件操作和工序程序。盡管這些框架可能會(huì)因具體的施工任務(wù)而有所不同，但它們都具有相同的基本概念和原則，即統(tǒng)一的機(jī)器人建筑導(dǎo)向BIM模型(RcBIM)。該RcBIM模型將人和機(jī)器人重新定義為建筑信息要素，在人-機(jī)器人一體化的條件下，規(guī)范各類建筑項(xiàng)目在建筑全生命周期內(nèi)的操作活動(dòng)。

RcBIM模型概念的E-R(Entity Relationship)圖如圖5所示。對(duì)于任何給定類型的建筑結(jié)構(gòu)，RcBIM模型都可以明確其設(shè)計(jì)方案、施工方案和運(yùn)營(yíng)模式。RcBIM為模型與接收外部約束信息的智能中央處理單元之間的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)信息交換提供了不同的接口。該模型的一個(gè)顯著特點(diǎn)是將勞動(dòng)力(人)、機(jī)器人和專業(yè)設(shè)備區(qū)分開(kāi)來(lái)，將其分別定義為施工過(guò)程中建筑信息的不同執(zhí)行要素。目前，機(jī)器人處于勞動(dòng)力(人)和專業(yè)設(shè)備覆蓋范圍的重疊部位，隨著自動(dòng)化程度的上升，機(jī)器人將逐步遠(yuǎn)離設(shè)備范疇，在一定程度上代替部分工人。以上便構(gòu)成了RcBIM概念的基礎(chǔ)。在IFC格式文件中進(jìn)行編碼時(shí)，RcBIM模型使得上位軟件具有適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和魯棒性，可為較復(fù)雜的多建筑任務(wù)傳遞信息流。

圖5 具有外部信息交換機(jī)制的機(jī)器人建筑導(dǎo)向BIM模型概念

當(dāng)前BIM模型主要針對(duì)于規(guī)劃和設(shè)計(jì)信息(操作程序、建筑要素部署、材料供應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)操作人員安排、機(jī)器人路徑規(guī)劃和目標(biāo)規(guī)劃、國(guó)家和地方法規(guī)和規(guī)范)，難以通過(guò)生成并管理上述信息來(lái)指揮機(jī)器人完成建設(shè)/運(yùn)營(yíng)任務(wù)。因此，需要利用基于機(jī)器人的面向任務(wù)的建筑信息，特別是新定義機(jī)器人實(shí)體來(lái)豐富和擴(kuò)展傳統(tǒng)的IFC標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法，如概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)，最終可以在實(shí)踐中通過(guò)智能中央處理單元的“設(shè)計(jì)模塊”實(shí)現(xiàn)。這可能會(huì)加速新的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的發(fā)展，例如用于BIM建模軟件平臺(tái)的機(jī)器人插件(包括機(jī)器人模型庫(kù))，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和自主化。最終輸出為目標(biāo)建筑結(jié)構(gòu)的完整設(shè)計(jì)方案，以及機(jī)器人的構(gòu)造方案和操作模式。

使用接口程序從IFC中提取三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和施工規(guī)劃信息，迅速轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的控制指令，即同時(shí)進(jìn)行的獨(dú)立無(wú)碰撞機(jī)器人/組操作，上述操作均可在建造前后通過(guò)BIM平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬和修正。

在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)傳感器/計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)時(shí)識(shí)別并監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況，使得機(jī)器人(或操作員)能夠及時(shí)修正計(jì)劃指令中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并能夠自主(或半自主)規(guī)劃并操作后續(xù)動(dòng)作，這就是同步定位和映射。即通過(guò)傳感器感知機(jī)器人姿態(tài)和位置信息，連續(xù)輸入建筑空間參數(shù)，構(gòu)建離散的工作空間，通過(guò)場(chǎng)地和機(jī)器人之間的自動(dòng)標(biāo)記，反映場(chǎng)地和機(jī)器人的動(dòng)態(tài)變化，生成任務(wù)標(biāo)簽。

很多情況下，3D增強(qiáng)/虛擬和物理現(xiàn)實(shí)的混合可作為一種通信媒介，為離散組件實(shí)現(xiàn)多階段動(dòng)態(tài)布局。這有助于最小化資源分配/材料移動(dòng)和迭代布局的總成本，并保證建造過(guò)程的可視化。

總的來(lái)說(shuō)，RcBIM模型可在建筑活動(dòng)的全生命周期中有效推動(dòng)閉環(huán)工作流(圖6)。

圖6 RcBIM模型在建設(shè)全壽命周期內(nèi)的閉環(huán)工作流

4 結(jié)論和展望

正如制造業(yè)歷史發(fā)展證明，在不久的將來(lái)，AEC行業(yè)有可能成為信息化和自動(dòng)化的主流。在此之前，針對(duì)信息化和機(jī)器人相關(guān)技術(shù)與方法的研究已分別進(jìn)行了幾十年的積累，當(dāng)這些積累達(dá)到一定程度時(shí)，二者的融合是必然的趨勢(shì)。因此，在當(dāng)前以BIM為中心的信息化模式下，為自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)具有重要意義。

本文從文獻(xiàn)綜述的角度闡述了傳統(tǒng)的以人為核心的BIM應(yīng)用和機(jī)器人在建筑中的逐步替代過(guò)程，并通過(guò)三個(gè)最新的案例研究提出了BIM和機(jī)器人融合的主張。從這些案例研究中提煉出了統(tǒng)一的機(jī)器人建筑導(dǎo)向BIM模型的概念，即RcBIM模型為信息交換、軟件開(kāi)發(fā)、硬件控制、工作過(guò)程生成和實(shí)施等提供了一個(gè)全面的框架。因此，從本文中可得出以下結(jié)論：

(1)為了切實(shí)實(shí)現(xiàn)基于BIM的機(jī)器人建造活動(dòng)，需要將人和機(jī)器人定義為常規(guī)BIM模型中的協(xié)同建筑信息元素，推動(dòng)當(dāng)前的“無(wú)勞動(dòng)力因素BIM模式”向“人機(jī)一體化BIM模式”轉(zhuǎn)變。

(2)基于RcBIM模型采用閉環(huán)的建設(shè)全壽命周期工作流，其中包括機(jī)器人建造的自動(dòng)化設(shè)計(jì)、機(jī)器人虛擬操作模擬和代碼生成、自適應(yīng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)機(jī)制和自動(dòng)化操作服務(wù)，以及基于IFC的信息流。

(3)RcBIM模型為輔助技術(shù)和系統(tǒng)(如傳感、通信和決策系統(tǒng))之間的無(wú)縫互操作提供有效支持，從而保證建造活動(dòng)的準(zhǔn)確和有序。這種RcBIM模型的適用性和效率的前景仍有待于通過(guò)未來(lái)對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展、新軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)、針對(duì)復(fù)雜建造場(chǎng)地的機(jī)構(gòu)綜合、信息處理邏輯和應(yīng)用新材料的機(jī)器人設(shè)計(jì)、先進(jìn)的傳感器、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如5G)的應(yīng)用來(lái)明確。