建筑装备智能化应用现状分析及展望

郭庆军，贾 哲，郝倩雯 西安工业大学 建筑工程学院

导语：

智能化建造是建筑业发展的重要方式，建筑业的快速发展要求建筑装备不断变革。本文通过分析建筑业发展的背景及需求，阐释建筑装备智能化发展的必要性，并介绍国内外典型的路桥和房屋智能建筑装备，总结影响智能建筑装备发展的因素，为智能建筑装备发展和建筑业绿色发展提出建议。

建筑业是最古老的行业之一，古代的建设者们创造出了诸如长城、金字塔、赵州桥、卫城等雄伟壮观、经久耐用的建筑。18世纪开始的工业革命带动了建筑业的快速发展，钢筋、混凝土的产生促使建筑的规模、高度日益增大。然而，在过去的数千年建筑历史中，建造过程并没有发生本质变化，依然是以人工操作为主要方式，惟一变化是以电力或柴油驱动装置取代了人力。建筑业在向更大规模发展时，必将以更加智慧的方式进行建造，而建筑装备的智能化发展是实现智慧建造的重要方式。

智能建筑装备已成为建筑业突破人力劳作的利器，智能化被纳入世界诸多国家的发展战略中。在美国总统科技顾问委员会（PCAST）2011年6月提交的《确保美国在先进制造业中的领导地位》报告中，提出启动“先进制造业振兴计划AMI”，振兴美国在先进制造业中的领导地位，即：美国先进制造业国家战略和美国GE工业互联网。法国新工业、英国未来制造业预测、德国工业4.0和日本制造基础技术振兴基本法，都提出了以智能化和自动化推动制造业快速发展。中国以“中国制造2025”和“工业互联网+”行动计划“组合拳”应对德国工业4.0，并迎接新一轮产业革命。

2017年7月国务院发布的《新一代人工智能发展规划》中提出，到2030年我国人工智能在理论、技术与应用方面达到世界领先水平。2017年8月住建部发布的《住房城乡建设科技创新“十三五”专项规划》要求积极推动智慧建造技术，发展施工机器人、智能施工装备，开展建筑智能传感等关键技术的研发。智能化装备必将是未来建筑业发展的趋势和国际竞争的制高点。

01 建筑装备智能化发展的必要性

建筑业发展背景

建筑业作为国民经济支柱产业之一，在国民经济中有着不可或缺的先导作用。建筑业总产值每年都在增长（图1），2007～2011年我国建筑业总产值年平均增速高达20%，之后增速大幅度下降；2016年建筑业总产值为19.36万亿元，同比增长7.1%，占国民生产总值的26%。建筑业面临严峻态势，一方面经济发展放缓致使企业经济效益降低，另一方面建筑业总产值增速明显下降。截至2015年，我国建筑业从业人员达5 000万，日本和美国建筑业从业人员约为500万，中国建筑工人平均产值与美国、日本对比相差近10倍。

近10年来，建筑企业运营状况呈现出利润增长、产值利润率下降的局面，建筑业产值利润率维持在3.5%上下；从中投顾问发布的《2017～2021年中国建筑业投资分析及前景预测报告》可以看出，建筑类企业所签订的合同总额增速放缓，新签合同额呈现出不增反降的趋势。2015年，全国建筑类企业签订合同总额为338 001.42亿元，比上年增长4.49%，增速已连续5年下降。其中，2015年度建筑类企业新签合同额为184 401.54亿元，占签订合同总额的54.56%，比上年下降0.12%，增速同比上年降低5.71%。建筑业投资利润在近五年急速降低。

图1 我国2007～2016年建筑业总产值

面临发展速度放缓、人力成本产出投入比过高、企业利润率降低的现状，建筑业对装备的发展提出新的要求。企业必须打破传统发展模式，以智能建筑装备作为突破点，寻找新的利润点。

建筑业发展需求

（1）人力资源紧缺。“人口红利”的出现，致使劳动密集型产业快速发展，而建筑业正是其中之一。目前从事建筑业的劳动力大多出生于1960～1970年代，占建筑行业整体劳动力的60%。自2010年后，我国适龄劳动人口占总人口的比重一直处于下降的趋势。面临老龄化速度的加快、劳动力人口短期内增加慢的情况，改变生产方式、提升施工效率是解决施工企业发展的主要途径，智能建筑装备会在其中发挥重要作用。

（2）施工安全。建筑业成为继采矿业后的第二高危行业。据统计，2016年全国共发生房屋市政工程生产安全事故634起，死亡735人。尽管建筑企业投入的安全文明施工费占施工总成本的5%，但由于建筑施工“产品固定、人员流动性大，作业环境恶劣、体力劳动繁重，工艺变化大、规则性差”的特点造成安全事故高发，人员伤亡不可避免。发展智能装备机械、减少使用人力资源不仅可以降低施工安全成本，而且可以降低施工过程中的安全风险。

（3）保证建筑质量。建筑业与制造业同为生产行业，制造业使用工业机床进行量化生产，并且有完善的质量监控、检测标准；而建筑施工是一次性的项目活动，多以手工操作为主，往往施工装备简陋，施工质量受人为因素影响较大。质量检测由监理工程师掌握，没有统一的量化标准，发生质量事故后社会影响大。利用智能建筑装备，可减少人为因素的影响，统一施工质量标准，实现精益化生产。

（4）建筑难度。目前全球最高建筑为828 m的迪拜哈利法塔，哈利法塔的基础桩身达到110 m、混凝土泵送高度超过600 m。建筑高度的增加使得施工难度变大，基坑深度、混凝土泵送高度和爬模高度的增加对建筑装备提出更高的要求。并且随着设计形状、材料和工艺的变化，建筑装备需要不断适应建筑施工的需求。

面对上述建筑业现状以及发展需求，智能建筑装备的发展可以同时满足成本、质量、安全的要求，弱化人为因素的影响，使建筑业走向工业化道路，实现建筑标准化生产方式。

02 智能化建筑装备发展现状

国外发展现状

智能建筑装备的研发工作始于20世纪70年代，1978年日本研制出世界第一台建筑机器人，经过40年的发展，国外智能装备研发技术日趋成熟、种类繁多。较为典型的智能建筑装备可分为两大类：路桥建筑装备和房屋建筑装备。在路桥建筑方面，智能化装备主要分为压实、摊铺、挖掘和检测等；房屋建筑方面，智能建筑装备主要应用于钢结构、混凝土的砌筑和拆迁等作业。

道路建筑装备

智能压实（Intelligent Compaction，简称IC）指的是使用配备场测量系统与反馈控制功能的振动压路机，对土壤、骨料基层或者沥青路面材料等进行的压实。可以实时动态显示彩色编码的压路机位置、碾压次数、压路机速度、振动轮的振幅和振动频率。一些系统还装备振动仪器、红外温度传感器与自动反馈控制器。压路机上搭载的文件系统，也能用相应的彩色编码实时显示刚度与路面温度等信息。

在智能压实领域，最早的研究起始于1974年，Heinz博士通过在压实机械上安置加速度传感器来检测土石料的压实状态。智能压实是利用现场测量系统与反馈控制系统，对铺设路面的基层、垫层、面层等材料进行压实。通过集成测量、文档记录、控制系统等，实现压实过程的实时监测与纠正。德国宝马格公司Variomatic智能压实系统可以视地层刚度的不同进行沥青路面定向振动压实。国外工程机械企业对智能压实装备的应用已趋近成熟（表1），智能压实能够充分解决局部压实密度、稳定度与强度不合理的问题。

2004～2015年，美国共在177个项目中使用了IC技术及相应的设备，2016年有55个IC项目被各州、县列入计划。中国近年来先后推出了中华人民共和国交通运输行业标准：《铁路路基填筑工程连续压实系统技术规程》，《公路路基填筑工程连续压实系统技术条件》、《公路沥青路面智能压实系统技术要求》。国内IC压实在道路建筑中得到了快速推广和应用，对保障道路建设质量起到了积极良好的作用。

摊铺机实现智能化应用的关键技术主要为四个方面：CAN总线、自动找平、行走控制技术与GPS定位。国外企业自20世纪80年代开始在摊铺机上采用数字式调平、行走控制技术，装载电子传感器，实现摊铺机的无人操作及故障智能诊断功能。国外智能摊铺机的代表产品有戴纳派克F181CS、福格勒2500等。

挖掘机的智能化发展目前集中于操作方式的改变，通过引进遥控技术和无人驾驶技术，减小或消除作业人员的安全风险。悉尼大学是最早研究智能挖掘机的机构之一，通过分析挖掘机铲斗运动所需的相互作用力和作业环境接触面的指标，使用特定的控制程序进行接触力的调节，使铲斗在指定工作范围内正常运行（图2①）。

检查和维护民用基础设施是另一项重要的研究活动。对建筑框架、复杂屋顶、离岸平台、桥梁等的检测，是一个广泛而有价值的工作领域。ROMA系列的攀登智能机器人（图2②）能够在复杂的3D环境中行驶，利用激光遥测仪和彩色摄像机执行多项检测传感任务，将现场数据实时传输到后台监测系统。攀爬机器人研制的关键问题是抓握方法的研究，目前有抓爪、电磁铁、吸盘等方法。

表1 国外智能压实装备

房屋建筑装备

钢结构建筑物通过焊接进行搭建，主要焊接方式是柱对柱焊接和柱对梁焊接。日本WR移动式机器人（图2③）可以执行各类型的柱对柱焊接，能够应用于圆形、方形、H型和箱形截面构件的焊接，钢板厚度可达100 mm；对于柱对梁焊接，则可以通过搭建临时平台进行钢材的焊接和运输。

图2 道路建筑及钢结构建筑智能装备

混凝土机械装备的研究以日本的产品为代表，通过移动操纵器执行预制混凝土构件的吊装和混凝土摊铺、抹面等功能。鹿岛建设公司的“强力手”机器人可以提起建筑中的大体积材料，例如混凝土墙等。竹中建设公司的SurfRob摊铺装备（图3①）和鹿岛建设公司的混凝土抹面机（图3②），已经开始在日本的建筑工地上使用，能够释放大量的劳动力。

砌筑工艺方面也已开展了大量的研究工作。欧盟项目ROCCO开发了一个大型、高荷载液压自由度机器人进行砌筑工作，砌筑高度可达到10 m，负重达到500 km。该砌筑机器人在顶部配备自动跟踪激光遥测仪，通过读入预置程序获得初始砌筑位置信息和砌筑顺序。2015年美国Construction Robotics公司研制出SAM100新型砌筑装备（图3③），SAM采用算法、传感器和激光，能够以毫秒响应实时校正在手臂上引起的移动，从而确定砖块的位置。

关于拆迁装备，瑞典Umea大学提出ERO机器人系统（图3④），它可以如同用橡皮擦掉铅笔笔迹一样“擦除”掉混凝土结构，可以让整个拆迁过程更加环保。ERO机器人利用自身高压水枪喷向混凝土结构，使混凝土结构在高压下产生裂缝，进而使混凝土结构中的水泥与钢筋分离开来，击碎并收集混凝土块，达到拆除目的。ERO机器人可以回收打包砂石和水泥，使得拆除后的材料可以进行再利用。

图6～9 房屋建筑砌筑及拆迁智能装备

国内发展现状

我国在智能装备领域的研究起步较晚，并且主要集中于制造业领域，对于智能建筑装备的关注不足。目前只有少数大学、研究所和大型机械设备企业在开展相关研发项目，并且面向建筑施工的成果较少。我国智能建筑装备的研究集中在路桥建筑方面，例如压路机、摊铺机、挖掘机、推土机以及起重机等，研发出一批具备复合功能、遥控操作或无人驾驶机械，能够满足施工、抢险、军用和其他工程领域，有效减少人力资源使用，确保人员安全；此外也在房屋建筑方面研发出装饰机器人和焊接机器人等智能装备。

道路建筑装备

在智能压实方面，徐工研制的YZC12A型双钢轮振动压路机，是基于“九·五计划施工机械一条龙项目”的产品。该产品创新性地开发了十挡振幅、振动轴旋向智能控制、智能洒水与振动控制等新技术和新结构，安装进口压实度在线检测及输出系统。我国第一台智能压实装备，也是我国首台智能建筑装备，是国防科技大学于2000年研制的无人驾驶振动压路机，该产品进行了多个关键技术创新，如无人驾驶、智能控制与适应能力等。无人驾驶压路机能够根据施工地面的情况改变振动速率，自主完成点火、起步、变速、转向、倒车、停车等

操作，可根据不同的施工路况调整压实参数，保证工程质量与施工效率。

西安依恩驰（ENH）网络技术有限公司依托自有的《公路数字化施工解决方案》、《大坝数字化施工解决方案》、《机场数字化施工解决方案》、《铁路智能压实解决方案》成熟技术，通过RDC远程设备调试平台、自主创新的高精度北斗/GPS定位系统，基于CMV的压实监测系统创造出智能化全过程施工方案，已成功应用于公路、水电站、机场、高铁等国家基础建设领域，数字化施工如图4所示。

图4 公路数字化施工示意

国内智能摊铺机在电子监控与故障检测方面的技术研究虽然起步较晚，但发展很快。2007年后，国内企业纷纷投入大量资金筹建一流的国家级实验室，以国际品牌产品为标杆，同时与国内的具有行业优势和科研积累的高校合作，全面提升摊铺机与压路机技术水平与智能化，近年来有作业的安全性，保证了员工的身心健康。了长足的进步，如徐工、三一等企业的摊铺机、压路机与国外水平保持同步，质量与可靠性大幅提升，数字化网络技术得到了普遍应用。

智能挖掘机在国内研发进度较快，并且在装备智能化提升的同时，注重产品的绿色和安全保障。徐工在2012年上海国际工程机械展上展出的无线遥控型ET110步履式挖掘机（图5），对所有操作动作和基础电气功能进行遥控操作改进，并且根据具体工程需要保留人工驾驶功能。ET110采用轮式行驶与步履运动相结合的复合型底盘，既可全轮驱动，亦可步履行进，适用于各种复杂地形条件下的工程施工与抢险工作，也能够在市政工程、岩土工程等一般装备不能使用的工程中作业，可以通过变换不同的部件，快速实现挖掘、起重、破碎、钻孔等多种作业功能的交替。

2015年北京国际工程机械展上厦工展出了XG822i无人驾驶挖掘机（图6）和XG958i无人驾驶装载机，两款装备可通过自学习和智能记忆再现功能实现自动作业；具备自动怠速、工况适应自调节功能，实现节能10%以上；利用“互联网+”功能，能够对装备进行远程调度、维修和升级，装备拥有自检与远程协助检测等多重检测功能，实现安全舒适的精准操控方式。

山推展出的DE17R无人驾驶推土机（图7），无线遥控距离达到1 km。装备配置两种智能系统——电控静压驱动传动系统和智能匹配系统，能根据负荷变化自动调整性能，实现装备的节能与高效。可应用于建筑拆除、垃圾填埋、抢险救援、军事排雷、核能、水泥以及冶金生产等危险、恶劣、高温的工作环境。DE17R在上海老港垃圾填埋场使用过程中克服潮湿、恶臭等恶劣的作业环境，提升了垃圾填埋

图5 ET110步履式挖掘机

图6 XG822i无人驾驶挖掘机

图7 DE17R无人驾驶推土机

徐工推出的G1系列起重机（图8）是全球首款运用三维吊装方案智能规划系统的起吊机械。只需向显示器输入吊装重量、起始终止的幅度和高度信息，系统将自动推荐可行性工况，降低人为失误风险；运用智能臂架技术，节省作业时间40%以上，令吊装更安全。该装备突破50 t级起重机5节伸缩臂的限制，将伸缩臂延长至6节，最大高度拓展至50 m；同时采用双动力驱动行驶技术，输出扭矩较传统双动力提升3倍，爬坡能力提升30%。

图8 徐工G1起重机

房屋建筑装备

2011年，河北工业大学与河北建工集团依托863计划研制的C-ROBOT机器人是我国第一套建筑板材安装智能装备（图9），经过不断的改良，该产品已更新至第四代。C-ROBOT由板材辅助搬运机械臂、移动装置以及6自由度串并联混合结构板材安装操作机械臂组成。机器人在安装作业中采用结构光视觉系统对已安装板材与待安装板材之间的位置关系进行检测，利用动态视觉伺服导引操作机械手完成安装。同时为防止机器碰撞、提高板材位置检测和机械臂定位的准确度，加强机器的安全性能，C-ROBOT还配备超声波、激光测距、双轴倾角等多种传感装置。

由唐山开元机器人公司研发的MICROBO是一款便携式、全自动焊接装备（图10），具有易搬运、易安装、易操作和应用范围广的特点。MICROBO配备焊丝接触智能感应装置，能准确获取焊接构件的板材厚度、坡口角度、根部间隙、焊缝长度、位置偏差量等信息，有效解决平焊、横焊、立焊三种焊接方式的10余种坡口形式焊缝，机身自带芯片能自动获取最合适的电流电压、焊接速度、焊接时间、摆幅、层数等焊接参数，最终完成多层多道焊接。

03 我国智能建筑装备发展的思考

（1）以国家产业发展为指引。智能装备的发展是提高我国先进制造能力和促进制造业快速发展的迫切要求。对于建筑业来说，建筑智能装备的发展显得尤为重要。伴随“十三五规划”、“中国制造2025”和“一带一路”战略的实施，我国各行业迎来高速发展，“一带一路”沿线国家基础建设将为国内建筑类各行业发展带来机遇，建筑装备制造企业应把握历史机遇，以国家产业发展为指引，提升产品智能水平，增强自身竞争实力。

（2）以市场需求为依托。工程机械行业的智能化发展是国家发展的迫切要求，也是社会和市场的内在需求。《2017年中国自动化及智能制造市场白皮书》对中国智能制造市场趋势做出了全面解读，将智能装备、工业互联等关键词作为未来发展的重点方向。对于建筑业来说，建筑智能装备的发展更应充分考虑市场需求，以市场需求为依托，结合移动互联网和大数据技术的发展大势，推进建筑智能装备的发展。

（3）以基础研究为支撑。人机理解与协作、环境与工况自主适应，是建筑智能装备前沿探索的核心方向，也是实现建筑装备智能化的基础，必须在自主协同、人机交互等方面做好基础研究。我国建筑智能装备质量良莠不齐，与国外先进装备存在差距，应对装备制造标准进行研究和制定，同时加强术语和通用技术要求等相关标准的探索，来规范和指导建筑智能装备的研发工作，以智能产品标准框架为指引，以基础研究为支撑，推进建筑装备智能化的发展。

图9 C-ROBOT-I板材安装机

（4）以产品研发为核心。智能产品的研发始终是智能化发展的核心，我国智能化发展正在经历高速发展时期。目前智能装备在制造业等其他领域成果丰富，但功能较为单一，不符合建筑业的生产方式，智能化建筑装备应充分利用已有智能装备，通过多领域交叉学习实现功能整合，满足建筑业生产要求并促进新装备的研发。人工智能的深度融合与智能产品的研发探索才刚起步，应把握人工智能深度融合对建筑智能产品研发的重要性，强化人工智能技术在建筑智能装备研发中的创新优势，推动互联网和现场生产深度融合，加快促进建筑智能装备产品研发。

图10 MICROBO焊接机

04 结语

未来的建筑规模将发生深刻变化，随之带来的是生产方式的变化，而建筑装备的智能化发展对于项目建设变得至关重要。所有利益方都必须正视我国建筑装备发展所存在的问题，将智能化、标准化和信息化相结合，实现建筑业和服务业、信息业之间的产业融合，实现建筑业转型升级。从技术和施工需求两方面理解建筑装备智能化发展的内涵，构建合理、系统的发展体系，确保智能化发展顺利进行，从而加快我国智能化发展进程。