建筑機(jī)器人的前景究竟如何？建筑機(jī)器人發(fā)展背景及意義

在過(guò)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(guó)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(mèng)，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(wèn)題。

建筑業(yè)現(xiàn)狀

隨著人口紅利的消失，中國(guó)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(lái)，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(méi)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(guó)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(wú)幾，在制造業(yè)與服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的背景下，傳統(tǒng)建筑業(yè)逐漸喪失對(duì)年輕一代的吸引力。建筑機(jī)器人的出現(xiàn)也將改變?cè)械膫鹘y(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(yíng)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(lài)于手工作業(yè)，導(dǎo)致建造周期綿長(zhǎng)，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(wèn)題對(duì)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(guò)去20年，美國(guó)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(wú)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(guó)，建筑業(yè)每年造成約40萬(wàn)人的死傷，死亡率極高已成為嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)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(lái)，就現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平來(lái)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(guó)，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(guó)，《2018年上半年全國(guó)建筑業(yè)安全生產(chǎn)形勢(shì)》的通報(bào)指出，全國(guó)事故總量持續(xù)保持在高位，上半年全國(guó)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(guó)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(shì)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(lái)建筑業(yè)不能成功去除這些不利標(biāo)簽，“重塑” 自我形象，勢(shì)必?zé)o法吸引年輕勞動(dòng)力進(jìn)入這一行業(yè)。

美國(guó)勞動(dòng)統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)：過(guò)去12個(gè)月建筑行業(yè)新增33萬(wàn)個(gè)新崗位

80%的建筑公司找不到合適的員工

美國(guó)勞工統(tǒng)計(jì)局報(bào)告顯示，過(guò)去12個(gè)月，美國(guó)建筑行業(yè)新增崗位達(dá)到33萬(wàn)個(gè)。即便建筑業(yè)有著數(shù)十萬(wàn)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(guó)泥瓦匠的平均年齡已達(dá)55歲，若短期內(nèi)無(wú)法吸引更多的年輕人加入，5~10年之內(nèi)該國(guó)便面臨無(wú)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(lái)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?tīng)I(yíng)建過(guò)程的材料浪費(fèi)極為巨大。據(jù)美國(guó)有關(guān)部門(mén)測(cè)算，一棟普通民居建造過(guò)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(guò)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(wú)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(kāi)發(fā)，先開(kāi)挖破壞原有植被，這一方式對(duì)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(duì)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(duì)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(yíng)建開(kāi)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(duì)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(lái)數(shù)字化營(yíng)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(wú)污染的營(yíng)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(zhuān)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(wú)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(zhuān)為解決鉆孔問(wèn)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(duì)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(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)，就可以通過(guò)ipad來(lái)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(huà)， Hadrian X 兩天內(nèi)就可以建好一座房子。它可以讀懂圖紙，通過(guò) 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(guó) 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(wàn)美元(約253萬(wàn)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(wú)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(wú)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?chē)娡磕突鸶采w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(kāi)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(lèi)

早期，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)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(lèi)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(lèi)有測(cè)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(duì)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(duì)于建筑用工程施工車(chē)輛，如挖據(jù)機(jī)、推土機(jī)、壓路機(jī)、渣土車(chē)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(wú)人駕駛等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)相關(guān)車(chē)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(duì)塔吊、起重機(jī)等提舉系統(tǒng)進(jìn)行遙操作改造，通過(guò)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?cè)诮ㄖI(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(wú)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(jué)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(kāi)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(cè)，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(pán)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(zhuān)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(wèn)題。為了能夠更好地實(shí)施營(yíng)建，根據(jù)建筑業(yè)之特性研發(fā)專(zhuān)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(duì)房屋施工的各種特殊需求，進(jìn)行了有效的針對(duì)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(duì)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(shì)，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(lái)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(yíng)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(duì)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(yíng)建則要求各模塊間具有主動(dòng)結(jié)合的能力。

結(jié)語(yǔ)

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(yíng)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(guó)屬于支柱產(chǎn)業(yè)，這一龐大的內(nèi)需市場(chǎng)為我國(guó)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(lái)，我國(guó)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(guó)家大力倡導(dǎo)創(chuàng)新的利好局勢(shì)，建筑機(jī)器人未來(lái)在我國(guó)必將取得長(zhǎng)足的發(fā)展。