文／馮歷華 佛山市順德區(qū)碧桂園物業(yè)發(fā)展有限公司 廣東佛山 528000

引言：

綠色建筑、裝配式建筑、BIM 技術(shù)等，是實現(xiàn)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要抓手，在我國應(yīng)用多年但仍有較大的研究和推廣空間，他們既是經(jīng)驗技術(shù)的積累，更是創(chuàng)新技術(shù)的迭代。智能建筑機器人同樣作為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段之一，是對傳統(tǒng)人工建筑的重大革新，是綠色建筑、裝配式建筑、BIM 技術(shù)的落地措施，應(yīng)用價值和前景巨大。

1、建筑領(lǐng)域中智能機器人應(yīng)用價值

建筑機器人指應(yīng)用服務(wù)于土木工程、房屋建筑領(lǐng)域的機器人,它可以極大提高建設(shè)工程的效率、質(zhì)量和安全性。

建筑行業(yè)是我國經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，是典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，所面臨的瓶頸性問題日漸凸顯，具體表現(xiàn)為：勞動力資源短缺、勞動力老齡化、建筑施工危險事故、建筑施工人員健康安全等問題。因此，砌磚搬運機器人、砂漿/膩子/油漆噴涂機器人、墻面天花打磨機器人、建筑廢物再利用機器人、建筑垃圾清掃機器人等應(yīng)運而生。建筑業(yè)內(nèi)職業(yè)傷害、勞動力強度較大的操作得以替代，環(huán)境污染的問題得以緩解，人工施工質(zhì)量參差不齊的情況得以避免，而且能自動檢測問題、標準化作業(yè)、提高效率，助力解決工地上“危、繁、臟、重”四大難題。舉例來說，某品牌測量機器人2min 即可完成單個房間實測，測量精度在±1mm 內(nèi)，作業(yè)效率與測量準確率大大優(yōu)于人工；混凝土施工機器人產(chǎn)品線由智能隨動式布料機及地面整平、地面抹平機器人等組合而成，通過聯(lián)動施工整個混凝土施工班組人員可由傳統(tǒng)的12 人減少至8 人；外墻噴涂機器人通過自動噴涂作業(yè)，便能避免傳統(tǒng)噴涂的高墜風險，最大噴涂效率可達300 m2/h。

由此可見，智能建筑機器人讓建筑工程每一個環(huán)節(jié)的性能要素得到不同程度的提高，包括但不限于效率、品質(zhì)、安全、成本等。住建部等部門發(fā)布的《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》、《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》、《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等政策文件，智能建造已成為國家發(fā)展戰(zhàn)略之一。通過新一代信息技術(shù)驅(qū)動，以工程全生命周期系統(tǒng)化集成設(shè)計、精益化生成施工為主要手段，整合工程全產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈和創(chuàng)新鏈，實現(xiàn)工程建筑高效益、高質(zhì)量、低消耗、低排放的建筑工業(yè)化。智能機器人作為其中關(guān)鍵性內(nèi)容之一，積極推進建筑機器人在生產(chǎn)、施工、維保等環(huán)節(jié)與裝配式建筑相配套的建筑機器人應(yīng)用，市場需求前景進入全新的發(fā)展階段。根據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，預(yù)計到2025 年，市場規(guī)模會突破3.8 億美元。

隨著市場的進一步打開，智能機器人的應(yīng)用將在建筑行業(yè)內(nèi)普及，需求量激增，市場潛能巨大，將有效推動建筑產(chǎn)業(yè)向工業(yè)化、綠色環(huán)保、智能建造轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2、建筑領(lǐng)域中智能機器人應(yīng)用問題

從建筑行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，對施工精度、施工質(zhì)量、操作技術(shù)的要求不斷提高，但中國的建筑機器人技術(shù)還處于發(fā)展階段，對于大部分地區(qū)、建筑工程項目而言，仍然屬于新興領(lǐng)域，大部分智能化技術(shù)還停留在表層階段。想要讓智能機器人在建筑領(lǐng)域中充分發(fā)揮作用，需要對現(xiàn)行的技術(shù)不斷進行完善和創(chuàng)新，智能化程度和應(yīng)用范圍需要得到進一步提高和擴大。

第一，建筑機器人的智能化程度有待提升。建筑行業(yè)相對特殊，在實際施工過程中可能會面臨不同的工作環(huán)境，在傳統(tǒng)的施工過程中施工技術(shù)人員能夠根據(jù)實際的情況轉(zhuǎn)變施工技術(shù)、調(diào)整施工方案。但現(xiàn)行的建筑機器人更多是按照事先規(guī)劃好的工作模式和工作路線進行，在應(yīng)急處理等方面還存在一定的缺陷，而且大部分建筑工程項目的現(xiàn)場較為復雜，外界因素也可能對機器人的正常運行造成干擾。另外，從現(xiàn)行的建筑機器人的工作情況來看，依然對人力資源有著較強的依賴，需要工作人員從旁進行控制，圖1 為智能膩子打磨機，這種機器人工序單一、功能固化，且需要工作人員輔助監(jiān)控[1]。因此，在后續(xù)的發(fā)展過程中還需要進一步提高智能機器人的識別能力、抗干擾能力，讓其可以在復雜的工作環(huán)境中運行，自主作業(yè)，并且保證工作的穩(wěn)定性。以裝配式建筑為例，現(xiàn)階段智能機器人的路徑規(guī)劃算法并沒有和裝配式建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)有效結(jié)合，機器人在處理環(huán)境信息數(shù)據(jù)上效率較低。配送運輸機器人作為當前建筑工地中主要使用的智能機器人之一，路徑規(guī)劃算法、境信息處理精度也需要進一步改善和提高。

圖1 智能膩子打磨機

第二，建筑機器人的應(yīng)用程度較低。建筑行業(yè)中涵蓋了多種不同類型、不同專業(yè)的施工環(huán)節(jié)，如：樁基、主體、安裝、園建、配套等等多方面內(nèi)容。目前已上線的建筑機器人從事的工序相對單一、分散，沒有形成機器人之間的協(xié)同操作和聯(lián)動。據(jù)部分數(shù)據(jù)顯示，目前建筑機器人可處理的建筑工程工作量僅為1%。因機器人研發(fā)和采購成本較高，但使用規(guī)模較小，成本分攤較大，目前大部分應(yīng)用僅在當?shù)卣⒂兄悄芙ㄖ?、有綠色建筑指標或者打造當?shù)貥藯U的項目，普通建筑項目應(yīng)用較少，很多建筑工程項目對智能機器人的認識程度不足，使用者有較大的疑慮，因此出現(xiàn)“叫好不叫座”的情況。目前，急需擴大建筑機器人的應(yīng)用，通過成功結(jié)果導向增加使用者的信心，通過應(yīng)用規(guī)模擴大減少綜合成本，通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累研發(fā)更多符合需求的智能化建筑機器人。

3、建筑領(lǐng)域中智能機器人應(yīng)用解決思路

近幾年來，國家在城鎮(zhèn)化建設(shè)上取得了突出的成績，同時也帶動了建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑機器人作為建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要抓手，需要在建筑領(lǐng)域中呈現(xiàn)智慧化、全局化、系統(tǒng)化、交互性等特點，確保建筑業(yè)向綠色、精準、標準、智能發(fā)展。

3.1 提高機器人的智能程度

3.1.1 強化三維激光掃描技術(shù)，精準定位

想要讓建筑機器人的智能化程度進一步提高，需要強化智能機器人信息處理效率和信息整合能力。智能機器人根據(jù)獲取到的信息進行信息整合、信息建模，最終實現(xiàn)三維空間的運動規(guī)劃?，F(xiàn)階段智能機器人中使用的傳感器功能效果相對較弱。打造出基于視覺反饋的運動控制，可以讓智能機器人更好地完成路徑規(guī)劃工作，提高環(huán)境掃描效率。三維激光掃描儀在數(shù)據(jù)收集、模擬仿真、人機交互上效果突出，將其和智能機器人SLAM 算法相結(jié)合，可以在環(huán)境掃描的同時，形成全局環(huán)境地圖并且在最短時間內(nèi)完成路徑規(guī)劃[2]。另外，5G 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也可以引入其中，借助物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，可以讓信息傳輸速度和處理效率得到進一步提高，讓智能機器人在建筑項目設(shè)計、施工、運維等不同階段環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用，全面擴大應(yīng)用范圍。以碧桂園的某個施工項目為例，項目中應(yīng)用的測量機器人已經(jīng)能針對不同戶型、施工階段、施工場景進行3D 測量密集點云的語義分割，自動識別并去除“企口、線盒、水管墻面”等元素。在施工測量過程中，它會在3D 圖像空間中將施工房間識別成“天花”“墻面”“地面”“飄窗”“門洞”等構(gòu)件。

3.1.2 深入研究專家系統(tǒng)，智能作業(yè)

圖2 建筑智能機器人

為了提高建筑機器人的智能化程度，必須對智能機器人的信息處理系統(tǒng)進行更加全面、高效地優(yōu)化，其中最關(guān)鍵的就是“專家系統(tǒng)”。專家控制系統(tǒng)是建立在數(shù)據(jù)庫的專家控制系統(tǒng)，它的基本原理就是將外部的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比較，通過比較和分析，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的科學控制。建立基于數(shù)據(jù)庫的專家控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)機器人的動態(tài)行為，并能利用數(shù)據(jù)庫中的信息進行現(xiàn)場環(huán)境的處理。這意味著，在這一技術(shù)的支持下，智能機器人在接收到外部的信息時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場的情況，在數(shù)據(jù)庫中對傳遞過來的信息進行快速的比對分析、調(diào)取整合，尋找最優(yōu)的解決對策，然后根據(jù)最優(yōu)方案進行處理，從而實現(xiàn)合理化和高效的控制，保證系統(tǒng)的性能得到最大程度優(yōu)化，促進智能化建筑的真正落地。以碧桂園生產(chǎn)項目中應(yīng)用到的地面整平機器人為例，借助專家系統(tǒng)，施工人員只需要將把場地面積、混凝土相關(guān)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，智能機器人可以借助雙自由度自適應(yīng)系統(tǒng)，穩(wěn)定地在鋼筋混凝土上施工作業(yè)[3]，并且基于內(nèi)置GPS 定位功能和專家系統(tǒng)，選定待作業(yè)區(qū)域后，機器人可自動設(shè)定整平規(guī)劃路徑，把控實時位置，實現(xiàn)混凝土地面的全自動無人化整平施工。

除了這一技術(shù)手段之外，深度學習技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等技術(shù)也可以引入到智能機器人體系中，打造出計算機視覺。借助攝像機、電腦打造出機器視覺，配合圖形處理技術(shù)，讓智能機器人的自主適應(yīng)環(huán)境能力得到更好提高。通過這些技術(shù)手段，開發(fā)出一套適用于計算機的智能處理系統(tǒng)，并將其運用到智能建筑中，讓智能機器人擁有獨立的分析能力，而這種分析能力，可以讓它更加適應(yīng)復雜的工程環(huán)境。

圖3 地坪漆涂敷機器人

3.2 擴大建筑機器人的應(yīng)用范圍

提高建筑機器人的智能水平與擴大建筑機器人的應(yīng)用范圍是相輔相成的關(guān)系。提高建筑機器人的智能水平必然帶動建筑機器人的進一步應(yīng)用；但提高建筑機器人的智能化水平離不開實例的應(yīng)用和數(shù)據(jù)的積累。

3.2.1 推廣智能巡檢，積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在建設(shè)項目的過程中，智能機器人不僅可以為施工工作提供幫助，在施工監(jiān)督和施工管理等方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。智能機器人具備機器人作業(yè)和進度信息實時上報，借助機器人本身的智能系統(tǒng)可以對施工現(xiàn)場的各項信息進行有效的分析，在發(fā)現(xiàn)任何不正常的地方，都會第一時間做出預(yù)警，防止出現(xiàn)任何不可預(yù)知的情況。人臉識別技術(shù)是一種典型的智能系統(tǒng)，將其應(yīng)用在智能機器人系統(tǒng)中，可以打造出智能巡檢系統(tǒng)，減輕施工管理人員的工作壓力，實現(xiàn)遠程云監(jiān)管，在路徑規(guī)劃技術(shù)水平得到落實的基礎(chǔ)上，可以打造出固定的巡檢路線，對現(xiàn)場施工人員進行管控。在實際應(yīng)用過程中，聚焦工程維護、秩序安保、環(huán)境維護、施工服務(wù)、綜合管理、施工助手等方面，智能巡檢機器人可以針對不同施工場景做出快速配置，讓巡檢工作流程更加順暢。通過對施工人員、施工設(shè)備、施工工序、施工質(zhì)量等進行全周期、全方位的智能巡檢，在實現(xiàn)建造自動化的同時，實現(xiàn)了全過程自動化智能管理[4]，而且能積累大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為“專家系統(tǒng)”的對比分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后續(xù)研發(fā)更智能的機器人提供大量的參考信息。

3.2.2 加強技術(shù)集成，增加作業(yè)協(xié)同

不僅如此，在人機交互、多機協(xié)作方面的能力也需要得到提高，才能夠更好地投入到建筑施工環(huán)節(jié)中。在建筑施工現(xiàn)場，建筑機器人多機施工系統(tǒng)可以通過“BIM+FMS+WMS+建筑機器人”四部分協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)更高的作業(yè)效率、更穩(wěn)定的施工質(zhì)量、更節(jié)能的作業(yè)方式以及更高的環(huán)保素質(zhì)。BIM 系統(tǒng)相當于一個智能施工任務(wù)規(guī)劃中心，結(jié)合項目主數(shù)據(jù)，規(guī)劃出機器人施工的路徑；FMS 系統(tǒng)相當于“指揮官”，能實現(xiàn)機器人實時監(jiān)控、物料下發(fā)調(diào)配以及作業(yè)路徑的完整流程；WMS 系統(tǒng)可實現(xiàn)物流類機器人全自動調(diào)度、智能電梯自動控制、物料消耗的精確管理與數(shù)據(jù)化監(jiān)控，對工地物料消耗的管理可以精確到任一樓棟、樓層、戶型，使用了多少涂料、多少塊瓷磚。在工序執(zhí)行的全過程中，WMS 會使物料數(shù)據(jù)與BIM 協(xié)同平臺做出的計劃相匹配，通過數(shù)字化管理減少建筑材料的浪費，降低廢棄物的產(chǎn)生。另外，通過伺服系統(tǒng)、傳感器、控制器、輪系單元、AI、導航系統(tǒng)、視覺算法、機器人管理軟件等技術(shù)與監(jiān)理管理工作有機融合，打造出基于模糊自適應(yīng)的運動控制算法、智能視覺傳感器、機器人集群作業(yè)規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)、建筑機器人作業(yè)仿真系統(tǒng)，確保項目高效安全地運行[5]。隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累和研究，在未來發(fā)展過程中，可以根據(jù)建筑實際需求打造出多機協(xié)同作業(yè)的智能機器人，為建筑行業(yè)提供多方位的防護。

3.2.3 強化政策支撐，降低綜合成本

綠色建筑、裝配式建筑、智慧城市等政策已推行一段時間，各類政策相繼出臺，但針對建筑機器人的政策還相對較少，項目應(yīng)用的推力仍然不足。推動建筑業(yè)向數(shù)字設(shè)計、智能施工、建筑機器人等方面轉(zhuǎn)型，通過打造智能建造產(chǎn)業(yè)集群，催生一批新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式。一方面，需要通過政府出臺更多系統(tǒng)性的引導文件和扶持政策，帶動更多的房產(chǎn)項目試用建筑機器人，通過推廣項目數(shù)量擴大應(yīng)用范圍，從而形成建筑機器人的集群效應(yīng)，以此降低成本；另一方面，通過將建筑機器人、BIM 技術(shù)和裝配式建造相結(jié)合的方式，對樓棟的施工工序進行綜合有序地拆分和穿插，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、標準化、模塊化的生產(chǎn)，促使綜合成本降低，施工安全和質(zhì)量進一步提升。這樣，才能讓智能建筑機器人朝著綠色化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、精準化、互控化的方向發(fā)展。

結(jié)語：

綜上所述，在建筑機器人智能化提升和應(yīng)用范圍擴大的相互作用下，機器人應(yīng)用中存在問題的將逐步解決，為我國建筑行業(yè)向工業(yè)化、綠色環(huán)保、智能建造轉(zhuǎn)型發(fā)展提供有效的保障。在一系列政策措施推動下，憑借規(guī)模優(yōu)勢和大力投入，預(yù)計未來幾年，以建筑機器人為代表的智能建造技術(shù)在我國將迎來快速發(fā)展的黃金時期。