建筑机器人及智慧工地应用出发点及着落点

林凤钦

（深圳市金世纪工程实业有限公司， 广东 深圳 518001）

1 建筑业现状及背景

建筑行业是世界上数字化程度最低、自动化程度最低的行业之一，住房和城乡建设部等部门2020年关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见中指出，建筑业是国民经济的支柱产业，为我国经济持续健康发展提供了有力支撑。但建筑业生产方式仍然比较粗放，与高质量发展要求相比还有很大差距，因此，需要大力推进建筑工业化、数字化、智能化升级，加快建造方式转变，推动建筑业高质量发展。

深圳市建设科技促进中心在2020 年11 月份发出通知征集关于工程建设智能建造领域的新技术。当前，以人工智能、5G、工业互联网、物联网、云计算、大数据，区块链等为代表的“新基建”迎来了快速落地，机器人、无人机等智能设备应用愈发广泛，为传统建筑行业向智能化、数字化、网联化升级提供了重要支撑[1]。从2018 年度开始陆续有博智林机器人公司、深兰科技有限公司、中南建设及南通中南工业投资有限公司、苏州大学、深兰科技有限公司、绿地集团等公司投入研发建筑机器人，截至2020 年11月份，碧桂园旗下的博智林公司申请的专利数达到2198 件，计划目标设定在2021 年度进入部分量产，实现产业化。总观整个拥有100 多万建筑工人的深圳建筑市场，除了初步成熟的如抹平机等可投入实践外，大部分机器人仍处在模型厂演示及改造优化阶段，在实际应用中还处于不成熟、不标准、不够经济的问题，这个不合理现象透露出在培养理论型、学术型建筑机器人上仍有不足。

2 对建筑机器人及智慧工地的认识误区及重新定义

一直以来非机械自动化专业的朋友或者建筑行业的同事对建筑机器人都有一个误解，以为所谓的建筑机器人应该是一种很高科技的应用，实际上建筑机器人既可以是一种辅助人工完成加工的设备，或是半自动化完成一部分工序，又或者高于数控级别达到人工智能的机器人。对建筑机器人的追求，最初不过是一种简单的非标自动化的改造设计，慢慢演变为标准化了的建筑机器人。传统的机械控制设备或者非标自动化的改造应满足以下要求：

1）结构方式：采用分布型或者集散型的结构方式。

2）控制方式：应具有通信方便快捷、操作简单、系统可靠性较强、一次输入多次生产能力，工作标量误差能控制在要求范围内。

3）硬件系统：应具有造价低廉、硬件可靠、控制系统简洁等特点。

4）软件系统：采用模块式软件，具有操作、管理、现场监控、系统组态、报警管理和设置等模块。

结合最新技术及新知识的普及，所谓建筑机器人，除了应符合以上条件外，最好能切入智慧制造及5G 新技术的应用。一种定义为采用高程度自动化技术，能替代人工完成精密的且高质量制造，拥有各种最新如3D 打印，5G 等智慧技术的机器人；另一种定义为标准化了的具有多个自由度，能在自动化领域中完成一种通俗作业的具备成熟自我控制系统的机构。

本文所述建筑机器人是广义上的包含非标自动化在内的建筑机器人，而凡有利于提高数字化、自动化的技术应用都是智慧工地的构成要素，如下页图1 所示。

3 建筑机器人及智慧建造系统设计

建筑机器人作为工业机器人范畴里的内容，不仅是在结构上还是在控制系统上，或者是在对新技术的采用上都依赖于成熟的兼容性极强的机械及自动化体系。建筑工地一般要满足的生产建设需求有物料搬运、转移、排序、加工、检测、拆除、警示，并且满足质量、安全、进度、成本、信息沟通各方面的要求。

1）在结构上：可以通过凸轮组、直线导轨完成搬运，通过万向节完成大角度方向的调整，运用平面连杆机构如曲柄滑块实现动作的往复运动，通过夹紧机构夹紧物体；通过螺旋、带、链条传动完成控制行走稳定性，通过齿轮、蜗杆传动缩小建筑机器人体积，通过气动、液压、钢丝索、绳完成承担各负载，通过减速机、制动器、离合器、联轴器、无级变速机、丝杠、滑轨等配合完成施工工艺要求。更有灵活应用的可示教的各种机械手臂完成多变的轨迹运行等。

图1 智慧工地雏形

2）在材料上：可采用轻质铝合金材料替代钢、铁等，采用新型材料附着于局部工作接触面提高建筑成品质量等。

3）在控制系统上：可采用功能强大可拓展且稳定性高的可编程逻辑控制器PLC 或者小巧成本低廉的单片机作为工控机，通过PID 控制原理，配合可开发可自由编辑的触摸屏完成友好的人机界面操控达到稳定控制。

4）在软件设计上：根据各工艺流程编写系统程序流程图，通过系统程序流程图编程。

5）在新技术的应用上：应用5G 通讯、无人机等新技术，与智慧建造相结合，形成新型稳定可远距离操控的建筑机器人，如高空远距离焊接作业，搭建平台与政府监管部门互联等。

4 建筑机器人及智慧建造在“三管三控一协调”上的应用

根据建筑行业各工序的需求，建筑机器人大致有工地搬运机器人、地砖铺贴机器人、墙纸铺贴机器人、砌砖机器人、测绘机器人、砌墙机器人、预制板机器人、施工机器人、钢梁焊接机器人、混凝土喷射机器人、施工防护机器人、地面铺设机器人、抹灰机器人、装修机器人、清洗机器人、隧道挖掘机器人、拆除机器人、钢筋捆绑机器人、巡检机器人、铝模安装机器人、爬架自动爬升设备等等在内的庞大家族。

而以“三管三控一协调”为目标的工程建设包括：投资控制、进度控制、质量控制、安全管理、合同管理、信息管理以及建筑工地现场各方的协调。

4.1 智慧工地

以塔式起重机平台作为智慧建造在应用上的一个可能大集成为例：塔式起重机本身作为建筑行业常见的一种设备，从最初对结构刚度、强度方面的考虑，再搭载各种起重量、幅度，力矩、高度、回转、倾角变形检测传感器等辅助监控，到近几年的伺服驱动系统改造，再到近2 年作为平台搭载监控设备，与政府部门的互联互通，应用效果显著。从其发展历程来看，本身就是一种广义上的“建筑机器人”的改造再开发，然而塔吊作为一种特殊特大型的设备，其可在智慧工地建造方面发挥的作用远远不止于此，我们可以设想一个基于塔吊平台的智慧建造系统，它包括了安全帽检测提醒、具有身份辨认功能的工人数量清点、PM2.5 扬尘监测及定点定时自动控制喷雾防尘系统、监控基坑支护、外爬架、楼面异动情况并第一时间发出报警、工人越界外围栏洞口安全报警等等，智慧工地帮助并释放和解决了大量管理上的压力和漏洞。

4.2 在进度质量成本控制方面

以某个工程项目为例，当地政府要求安装泥头车自动洗车设备，经过市场调查，市面上成熟产品要价两万元，项目部最终决定自己非标设计，经过设计采购安装最终投入应用，该可拓展式泥头车洗车系统（图2 和下页图3），研发周期2 d，成本为1 300元，功能绰绰有余，价格与市场成品相比相差将近15 倍，因此非标自动化在建筑市场上更接地气，建筑机器人要想获得推广，首先要降低成本。

又如搭载了焊接质量检测功能的自动焊接机器人，兼顾空间安全检测的自动爬架机器人、以及更加成熟的半自动化的工地搬运机器人都可以大大提高工程质量以及进度。

4.3 在安全信息管理方面

下页图4 所示，该工字钢焊接作业位于高度100 多米的屋顶悬挑半空中，焊接作业人员只靠安全带及临时爬架板支撑，在此环境下焊工往往只焊接内侧的工字钢搭接点，疏漏了两侧及外侧焊接面，在其上支撑了外立面钢管脚手架，如若存在虚焊或者焊接质量不过关，加上外立面脚手架受力异常的情况下，有可能导致脚手架整体倒塌的风险，即保证不了质量又对作业人员安全造成一定的风险，而设计一种简易的可较远距离焊接机器人可以有效解决此类问题。

图2 可拓展式泥头车洗车系统

图3 二次优化标准化后泥头车洗车系统

图4 工字钢焊接作业

对信息沟通管理的重视也可以产生经济效益，如深圳市金世纪工程实业有限公司在用的红圈管理信息平台（图5）发挥了其高效协同保障项目进度的优势，如利用移动手机远程及时审批并远程监控，省掉中间一系列发传真纸质签名再回复繁琐问题，并在减掉一部分人力的前提下精细化管理保证项目进度质量。

又如采用铝模板支撑的体系，设计时已经按逻辑顺序给出每个特定部件编码并生成二维码标签于部件上（图6），现场拆模完毕后可以自由装车，省掉重复按顺序摆放的烦恼，在基地工厂由滚轮及简单分拣机构组成的分拣流水线承担挑选任务，再运输到下一个工程项目重复利用，可节省大量的人力来反复摆放排序的问题，减轻周转材料基地及工地现场的工作压力。

5 建筑机器人及智慧建造应用的难点要点

5.1 难点

图5 红圈项目管理信息平台

图6 铝模板支二维码标签

一般的建筑工艺需求不仅在有效降低机器本身成本而且依赖于成熟的机械自动化技术体系并实现一定功能的建筑机器人，更大的难点在于物料排序工序，鉴于当前建筑机器人及应用市场需求远未达到这个需求，暂且不展开讨论。

建筑机器人不能有效推向成熟市场的原因是造价因素，这也是自动化设计在建筑机器人应用上的瓶颈，国内目前的机器人多停留在模仿国外及抄袭阶段，虽然技术成熟稳定性强，但造价极其高昂且大而笨重，工作效率低，并不适应讲究快节奏高效率且用工成本相对低廉的国内环境。

下页图7 所示为人工辅助的自动抹平机，造价1 万元，虽然获得一定范围的成功，但对于普遍应用意义上的施工工序来说，造价偏高，而应用于狭窄住宅小区墙面抹灰的机器人仍处于模型阶段，容易空鼓，且造价高昂笨重不稳定。一个熟练抹灰工平均1 h可以抹灰墙面6 m2，要想获得高于人工的作业及经济效益，设想为带有可替换夹具及作业工具为一体的小型流水线施工作业负责室内整层抹灰作业，其优点为节省材料，如若每小时作业效率能与人工作业效率持平，才有推向市场的可能性，手动抹平机如下页图8 所示。

下页图9 功能强大造价达13 万元的管道检测设备，如通过非标改造为一种结构简单但具有无线可视兼顾有毒气体探测的产品，则很有可能将成本降低到千元大关。

机器人要想盈利和生产，它们需要能够适应环境中的实时变化，而几乎不需要编程。而现实情况是，大多数情况下机器人很难适应和改变环境。假设在工厂等受控环境中（图10 为钢筋笼焊接作业），该焊接流程可以做到快速完成，因此要想达到工厂的流水线作业而又不消耗高成本，还是要通过非标设计摸索。

图7 自动抹平机

图8 手动抹平机

图9 管道检测设备

图10 钢筋笼焊接作业

智慧建造本身之所以能得到推广在于政府的强力干预和行政支持，当前有效的智慧工地监控平台倾向于政府的监管，但成本由施工企业来负担，施工企业动力不足并未体验到新技术应用带来的经济效益。

非标自动化在建筑市场上自发地成熟，才能进一步实现标准化，最终达到建筑机器人。然而由于非标开发也有风险，开发商和客户不肯承担风险也承担不起风险，加之建筑行业与机械自动化产业有一定程度的跨界，存在建筑行业方面的人才对机械自动化认识不足等问题，使得好长一段时间建筑业自动化程度很低。

5.2 要点

建筑机器人及智慧工地建设要想获得更大的成功应用，应满足各方需求，施工企业获得经济利益，政府部门有效监管，工人易于操作且释放负荷，管理者减少压力等。

从施工企业有着某方面强烈愿望的改造项目开始，先由自身公司有一定水平的工程师实现非标自动化的改造尝试，再与专业研发公司的专业研发工程师获得理论及技术上的更大支持。通过专业公司专业的研发团队产品与建筑施工企业基于自身利益驱动改造的非标自动化有效找到结合点，才能推出成熟产品。而最终研发实际应用的能降低成本的建筑机器人，从而降低成本，提升生产力，生产力的提高必然导致用工成本的降低，从而有更大驱动力自发的寻求建筑机器人的标准化流程。

6 结论与展望

实践证明，非标自动化在建筑工地上可以得到很好的应用且已经获得部分的成功，标准化了的建筑机器人尚未实现。而基于5G 的智慧工地建设已经初见雏形，拓展空间巨大。

2018 年，我国已经超过美国，成为世界第一建筑大国，建筑机器人及智能建造在建筑市场上虽然不能一蹴而就，但前景光明。建筑机器人既远远谈不上完全替代人工的作用，也离不开人的操作和控制，在工人数量减少以及在工人素质提高更新迭代的同时，自动化技术和建筑机器人是对当前以及未来建筑行业解决方向和途径，一旦生产力提高，用工成本自然会下降，这一切的发生有赖于通讯技术及5G等新技术的发展成型，在更远的未来与人工智能物联的结合，到那时建筑工地将不再是一个脏乱差险象横生的地方，而是一个更加符合人类文明建设的舒适环境。建筑工业化、数字化、智能化升级了的建筑行业未来可期。