在過去一年的時(shí)間里,房地產(chǎn)龍頭企業(yè)碧桂園在機(jī)器人領(lǐng)域頻頻進(jìn)行大動(dòng)作,斥800億巨資投入機(jī)器人領(lǐng)域。董事會(huì)主席楊國強(qiáng)更是在1月份的年會(huì)上宣布了碧桂園最新業(yè)務(wù)架構(gòu)。重點(diǎn)布局的就是建筑機(jī)器人,作為建筑工人出身的他,一直有一個(gè)科技夢,認(rèn)為重復(fù)的高強(qiáng)度勞動(dòng)應(yīng)該得到改善,機(jī)器人造房子只是時(shí)間問題。
建筑業(yè)現(xiàn)狀
隨著人口紅利的消失,中國的建筑業(yè)面臨著巨大的人工成本壓力,以及高危、生產(chǎn)效率低等一系列難題。近百年來,雖然自然科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域的革新不斷,建筑本身的形態(tài)和功能也大不相同,但建筑施工的業(yè)態(tài)形式卻始終沒有出現(xiàn)顯著的變化。建筑行業(yè)是世界上數(shù)字化程度最低、自動(dòng)化程度最低的行業(yè)之一。在既有的現(xiàn)代化技術(shù)體系中,最有可能承擔(dān)起建筑業(yè)革新重任的便是機(jī)器人技術(shù)。
據(jù)美國總承辦商協(xié)會(huì)調(diào)查,目前有70%的建筑公司陷入缺乏技術(shù)工人的窘境,因?yàn)楝F(xiàn)在愿意從事那些臟活累活的人寥寥無幾,在制造業(yè)與服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的背景下,傳統(tǒng)建筑業(yè)逐漸喪失對年輕一代的吸引力。建筑機(jī)器人的出現(xiàn)也將改變原有的傳統(tǒng)建筑模式。
建筑機(jī)器人發(fā)展背景及意義
提高生產(chǎn)效率
建筑機(jī)器人是營建效率急需提升的必由之路。在現(xiàn)在的建筑施工中,雖然已有大量機(jī)械設(shè)備參與,但更多的工序還是有賴于手工作業(yè),導(dǎo)致建造周期綿長,少則數(shù)月,多至數(shù)年。飽受低效之苦,只有11%的承包商認(rèn)為工地非常高效。建筑物流方面的問題對勞動(dòng)生產(chǎn)率產(chǎn)生50%及以上的影響,還有設(shè)計(jì)返工、項(xiàng)目數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和溝通失誤等等因素。
過去20年,美國建筑業(yè)平均年生產(chǎn)率增加僅僅只有1%
而采用機(jī)器人技術(shù),可使建造效率大獲提升。以歐美的標(biāo)準(zhǔn)民居為例,傳統(tǒng)人工作業(yè)的平均建造周期約為6~9個(gè)月,但若采用最新的機(jī)器人3D打印技術(shù),建造周期可大幅縮短至1~2天。
這意味著遭遇地震、恐怖襲擊、泥石流等災(zāi)難后,可以快速完成居所重建,保障居民的基本生存條件,這在以往是無法想象的。
2保障人員安全
建筑機(jī)器人是保障施工人員安全、提升工作品質(zhì)的必然選擇。建筑業(yè)是公認(rèn)的高危行業(yè),傷亡率僅次于礦山與交通事故之后。例如在美國,建筑業(yè)每年造成約40萬人的死傷,死亡率極高已成為嚴(yán)重的社會(huì)問題。
另外,建筑施工人員的工作條件極差,繁重的操作,充斥著泥漿、粉塵、噪聲、震動(dòng)等工作環(huán)境,極大地危害著從業(yè)人員的身心健康,導(dǎo)致職業(yè)病高發(fā)。若要將建筑工人從中解脫出來,就現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平來看,機(jī)器人技術(shù)或是破解這一難題最佳,也可能是唯一的途徑。
在英國,建筑行業(yè)造成了31%的工作死亡和10%的重大工傷。在南非,建筑工地每年造成150人死亡,大約400人受傷。在中國,《2018年上半年全國建筑業(yè)安全生產(chǎn)形勢》的通報(bào)指出,全國事故總量持續(xù)保持在高位,上半年全國建筑業(yè)共發(fā)生生產(chǎn)安全事故1732起、死亡1752人。
各個(gè)國家建筑施工死亡率
勞動(dòng)力短缺的必然選擇
建筑機(jī)器人是人力資源日益短缺的必然選擇。隨著社會(huì)老齡化趨勢的不斷加速,青壯年勞動(dòng)力的供給將日益緊缺。加之建筑業(yè)所具有的“危、繁、臟、重”屬性,若未來建筑業(yè)不能成功去除這些不利標(biāo)簽,“重塑” 自我形象,勢必?zé)o法吸引年輕勞動(dòng)力進(jìn)入這一行業(yè)。
美國勞動(dòng)統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù):過去12個(gè)月建筑行業(yè)新增33萬個(gè)新崗位
80%的建筑公司找不到合適的員工
美國勞工統(tǒng)計(jì)局報(bào)告顯示,過去12個(gè)月,美國建筑行業(yè)新增崗位達(dá)到33萬個(gè)。即便建筑業(yè)有著數(shù)十萬計(jì)的崗位空缺,而80%的建筑公司都找不到合適的工人。澳大利亞2015年該國泥瓦匠的平均年齡已達(dá)55歲,若短期內(nèi)無法吸引更多的年輕人加入,5~10年之內(nèi)該國便面臨無工可用的尷尬局面。
構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的時(shí)代訴求
建筑機(jī)器人是構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的時(shí)代訴求。建筑業(yè)屬于資源需求極為密來的行業(yè),而傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式又流于粗放,建材使用不能精確控制,導(dǎo)致營建過程的材料浪費(fèi)極為巨大。據(jù)美國有關(guān)部門測算,一棟普通民居建造過程的材料浪費(fèi)率高達(dá)40%。
事實(shí)上,若采用建筑機(jī)器人代替人工施工,通過合理現(xiàn)劃和精細(xì)化作業(yè),可大幅減少原材料浪費(fèi),甚至實(shí)現(xiàn)零浪費(fèi),利用機(jī)器人技術(shù)也可以實(shí)施老舊建筑材料的回收再利用。這些無形之中將會(huì)降低建筑成本,也符合構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的時(shí)代價(jià)值要求。
實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展
建筑機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的有效途經(jīng)。傳統(tǒng)建筑施工均為“侵入式”開發(fā),先開挖破壞原有植被,這一方式對于自然環(huán)境的破壞性很大。另一方面,建筑施工期間產(chǎn)生的固體垃圾、廢水、有毒有害物化學(xué)物質(zhì)也會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生很大危害。此外,水泥、鋼材、玻璃等原材料的生產(chǎn),對于環(huán)境的污染也很大。
在倡導(dǎo)環(huán)保的時(shí)代大背景下,如何實(shí)現(xiàn)更具環(huán)境友好性的營建開發(fā)、減少垃圾及廢物排放、提高原材料的利用率,均是時(shí)代對于建筑業(yè)革新的迫切要求。而以建筑機(jī)器人為代表的未來數(shù)字化營建技術(shù),有望徹底重塑建筑業(yè)的面貌,實(shí)現(xiàn)真正的綠色環(huán)保、無污染的營建。
搭建設(shè)計(jì)概念與實(shí)體間直接溝通的橋梁
從建筑技術(shù)的演進(jìn)與革新的角度出發(fā),機(jī)器人技術(shù)有望搭建起連接設(shè)計(jì)概念與實(shí)體之間直接溝通的橋梁,使得建筑師的構(gòu)想能夠更為快速地變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。正如ETH Zurich的建筑與數(shù)字建造專家Gramazio & Kohler所認(rèn)為的那樣,以建筑機(jī)器人為代表的數(shù)字化建造(Digital fabrication) 技術(shù)是連接數(shù)字世界和物質(zhì)世界的有力工具,它讓在虛擬環(huán)境進(jìn)行的創(chuàng)意和設(shè)計(jì),從數(shù)字信息進(jìn)一步變成物質(zhì)的現(xiàn)實(shí)。建筑機(jī)器人技術(shù)在重復(fù)生產(chǎn)上更有效率,也可在非標(biāo)準(zhǔn)建造上實(shí)現(xiàn)人手所無法實(shí)現(xiàn)的可能性。
全球重點(diǎn)建筑機(jī)器人企業(yè)
挪威 nLink
傳統(tǒng)的作業(yè)方式依靠人工+沖擊鉆,效率低下缺乏精度并且昂貴。挪威 nLink的移動(dòng)機(jī)器人專為解決鉆孔問題而設(shè)計(jì),適用于各種建筑工地環(huán)境。
他們使用成本相對低廉的標(biāo)準(zhǔn)化元件進(jìn)行生產(chǎn),操作系統(tǒng)則完全由自己設(shè)計(jì)。與現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)相比,系統(tǒng)更友好,工人們只需經(jīng)過簡單培訓(xùn),就可以通過ipad來遙控機(jī)器人了。
目前租用他們機(jī)器人一天的花費(fèi)大概為2000美金。在各種實(shí)際操作中,挪威 nLink比傳統(tǒng)的人工方式普遍能快5-10倍。
澳大利亞 Fastbrick Robotics
澳大利亞科技公司 Fastbrick Robotics 設(shè)計(jì) 3D 建筑機(jī)器人 Hadrian X,工作效率是人工的 4 倍。24 小時(shí)連續(xù)工作的話, Hadrian X 兩天內(nèi)就可以建好一座房子。它可以讀懂圖紙,通過 3D 掃描技術(shù),精確地計(jì)算出每一塊磚頭的位置,比建筑工人精準(zhǔn)不少。
美國 ConstructionRobotics
位于紐約維克多Construction Robotics公司,在科羅拉多州恩格爾伍德市的一個(gè)建筑工地上,工人們花了幾周時(shí)間學(xué)習(xí)如何操作砌磚機(jī)器人SAM(半自動(dòng)泥水匠,Semi-Automated Mason)。該機(jī)器人價(jià)值40萬美元(約253萬元),能在8小時(shí)內(nèi)砌好3000塊磚石,是普通工人工作量的數(shù)倍。
但 SAM 并非完全無需人力支援,建筑工人仍需將磚塊運(yùn)送到輸送帶上,然后 SAM 才能以機(jī)械手臂將砂漿打漿,再把磚塊放到墻上。而另一個(gè)建筑工人需要清理多余的砂漿,所以暫時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致工人無工可做。
日本清水建設(shè)
1982年,日本建筑公司清水建設(shè)“鋼骨架噴涂耐火覆蓋材料的SSR—Ⅰ型機(jī)器人”曾是世界上第一臺(tái)實(shí)際應(yīng)用于建筑施工的機(jī)器人。之前公開了一處實(shí)驗(yàn)設(shè)施,那里匯集了一批將 “上崗” 的建筑機(jī)器人,包括自動(dòng)焊接的 “焊接機(jī)器人” 和安裝天花板的 “天花板施工機(jī)器人”。
建筑機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域及種類
早期,歐美等發(fā)達(dá)國家對于建筑機(jī)器人的研究從未中斷,但遺憾的是這些設(shè)備一直未能投入應(yīng)用。 直到近幾年,才陸續(xù)有一些系統(tǒng)走出實(shí)驗(yàn)室,被應(yīng)用于實(shí)際之中。
如今的建筑機(jī)器人種類不斷增多,應(yīng)用的領(lǐng)域有混凝土預(yù)制大板生產(chǎn)線、鋼筋骨架成型、模板組合與拆卸、大型容器組裝、焊接及噴漆、混凝土布料、空調(diào)風(fēng)管檢查及清理、外墻飾面檢查、地面壓光與清掃等等。種類有測繪機(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、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、巡檢機(jī)器人等在內(nèi)的龐大家族。
◆◆具有代表性◆◆
墻體砌筑機(jī)器人
墻/地面施工機(jī)器人
清拆/清運(yùn)作業(yè)機(jī)器人
3D打印建筑機(jī)器人
飛行建造機(jī)器人系統(tǒng)
發(fā)展措施與建議
(1)加速傳統(tǒng)建筑設(shè)備的機(jī)器人化改造
對現(xiàn)有的建筑施工設(shè)備進(jìn)行機(jī)器人化改造,是發(fā)展建筑機(jī)器人技術(shù)并使其快速投入應(yīng)用的一條捷徑。例如,對于建筑用工程施工車輛,如挖據(jù)機(jī)、推土機(jī)、壓路機(jī)、渣土車等,可基于遙操作、自主導(dǎo)航與避障,路徑規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制、智能環(huán)境感知、無人駕駛等技術(shù)對其進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)相關(guān)車輛操作的遙控化、半自主化,甚至完全自主化,減少操作人員的工作負(fù)擔(dān)、優(yōu)化工作環(huán)境、提升作業(yè)安全性和效率,推進(jìn)施工作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化。參照這一模式, 亦可考慮對塔吊、起重機(jī)等提舉系統(tǒng)進(jìn)行遙操作改造,通過遠(yuǎn)程遙控操作徹底解除施工人員的安全威脅。
(2)促進(jìn)即有機(jī)器人技術(shù)在建筑業(yè)中的應(yīng)用
目前研發(fā)的很多機(jī)器人技術(shù)均屬于通用技術(shù)。它們在建筑業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。例如,在環(huán)境感知與建模方面,可利用無人飛行器(UAV)、輪式/履帶機(jī)器人等移動(dòng)平臺(tái)搭載激光雷達(dá),結(jié)構(gòu)光攝像頭、3D視覺等環(huán)境感知設(shè)備,基于多源信息融合、同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建(SLAM) 等環(huán)境建模技術(shù),實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)外結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的自主列繪與3D建模;利用UAV井配合SLAM技術(shù),實(shí)現(xiàn)土方開挖、廢料清運(yùn)及結(jié)構(gòu)物施工進(jìn)度及工程量的實(shí)時(shí)監(jiān)測,為大尺度施工作業(yè)中多設(shè)備任務(wù)優(yōu)化與協(xié)調(diào)提供鋪墊。再如,基于機(jī)械手,移動(dòng)機(jī)器人底盤搭建的通用移動(dòng)操作平臺(tái),有望替代人工完成諸如砌筑,抹灰、平整、拋光、編織、鋪貼、鉆孔等很多操作。
(3)大力推動(dòng)建筑業(yè)專用機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)
毋庸置疑,建筑業(yè)有其獨(dú)有的特殊性,故通用技術(shù)不可能解決所有問題。為了能夠更好地實(shí)施營建,根據(jù)建筑業(yè)之特性研發(fā)專用建筑機(jī)器人,是極其必要的。例如,3D打印建筑機(jī)器人的突出代表“輪廓工藝”技術(shù),針對房屋施工的各種特殊需求,進(jìn)行了有效的針對設(shè)計(jì),最終才成就了該系統(tǒng)直接打印包括水電管線在內(nèi)的完整房屋的能力。噴漿機(jī)器人、ERO混凝土回收機(jī)器人等,均是針對建筑業(yè)的特殊需要定制研發(fā)的。這一方面的工作,后續(xù)要進(jìn)一步加大力度。
(4)協(xié)同推進(jìn)適應(yīng)于機(jī)器化隨工的新型建筑結(jié)構(gòu)及建材研究
為了充分發(fā)揮建筑機(jī)器人的優(yōu)勢,傳統(tǒng)的建筑形式與施工模態(tài)必然要作出相應(yīng)的改變。目前來看較為可行的選徑是采用模塊化結(jié)構(gòu),利用機(jī)器人進(jìn)行模塊的預(yù)制、組裝,這將大幅減小機(jī)器人的作業(yè)難度,同時(shí)可有效提高新建筑的營建速度。另外,新型建材的研發(fā)也要同步推進(jìn)。例如,3D打印建筑機(jī)器人對于混凝上的流動(dòng)性、凝固速度等有很高的要求;實(shí)施飛行營建則要求各模塊間具有主動(dòng)結(jié)合的能力。
結(jié)語
建筑機(jī)器人作為一個(gè)具有極大發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù),有望實(shí)現(xiàn)“更安全、更高效、更綠色、更智能”的信息化營建,整個(gè)建筑業(yè)或借機(jī)完成跨越式發(fā)展。建筑業(yè)在我國屬于支柱產(chǎn)業(yè),這一龐大的內(nèi)需市場為我國建筑機(jī)器人的發(fā)展壯大提供強(qiáng)有力的保障。數(shù)年來,我國在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人以及機(jī)器人通用技術(shù)方面已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗(yàn),并儲(chǔ)備了大量人才,加之國家大力倡導(dǎo)創(chuàng)新的利好局勢,建筑機(jī)器人未來在我國必將取得長足的發(fā)展。
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制造業(yè)
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原文標(biāo)題:2天一套房 | 是誰讓建筑工人在將來“無磚可搬”?
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