基于建筑机器人的精益建造与管理实践——以广州ST项目精装修为例

段 瀚，张 峰，陈高虹，罗庆泉，吴露菲

（1、广东博嘉拓建筑科技有限公司 广东佛山 528000；2、广东博智林机器人有限公司 广东佛山 528000）

0 引言

2017 年2 月，国务院办公厅发布《国务院办公厅关于促进建筑业持续持续健康发展的意见》，意见指出研发制造和推广智能建造设备，推广BIM 技术全过程集成应用并实现项目全生命周期的数据共享和信息化管理。2020年7月，住房和城乡建设部等13部门联合印发的《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》中明确提出，以大力发展建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链融合一体的智能建造产业体系。以积极推广应用建筑机器人为重点，促进建筑业提质增效。2021 年3 月，住房和城乡建设部办公厅组织编制了《绿色建造技术导则（试行）》，推行精益化的生产和施工，有效采用BIM等相关技术，整体提升信息化水平。从国家政策导向不难看出，智能建造的发展是建筑产业全链条的数字化、工业化、绿色化。而建筑机器人的发展是全链条中的关键要素，其智能化发展能够有效推动建造过程的标准化、信息化与数字化。

1 项目概况

本案例项目位于广州市增城区石滩镇，以下简称ST 项目。此次装修施工范畴为项目5 号楼，建筑面积合计11 964.67 m2。应用了7 款建筑机器人、3 款运料机器人、5 款集中供给站，共74 台机器人。运用了“建筑机器人+BIM+FMS（多机协调系统）+WMS（物流管理系统）”的建筑机器人系统性施工作业体系，通过科学的施工流水组织，进行了装修阶段端到端的智能建造生态实践，初步构建了装修全周期施工闭环，实现了建造过程的精细化管理。

2 生产数字化

纵观全球，建造业发展均呈现智能化、信息化、工业化态势［1］。各国的专家、学者们对数字化建造的发展模式做了丰富的研究。数字建造是在新一轮科技革命大背景下，数字技术与工程建造系统融合形成的工程建造创新发展模式［2］。ST 项目利用多项数字化生产技术，完成了5号楼的建筑机器人系统性施工，如图1 所示。项目在设计前端就采用了BIM 系统，应用BIM 技术对工序组织进行模拟，同时考虑时间、空间以及安全等因素，对穿插施工进行可行性判断，使得工作面得到充分利用［3］。当进入精装修施工阶段后，同时应用BIM 系统设置了所有建筑机器人的作业路径，结合仿真、导航、视觉、算法等技术，实现自动化作业；且对施工计划，人、材、机等进行信息化管理，实时了解现场施工进度以及资源配置情况。整个装修过程采用BIM 数字化仿真分析、机器人施工、信息化管理、工厂化加工等数字化建造技术。数字化建造的实现，使得传统建造模式转向“制造-建造”的集成模式［4］。

由于在实际施工生产中会产生相关误差，利用数字化测量技术模拟真实情形，能够更快速、准确、直观地展示工程测量结果［5］。本项目采用了测量机器人对土建移交精装修、室内装修、分户验收等环节进行实测实量工作，以此来修正现场施工过程中的数据偏差。测量机器人采用AI测量算法处理技术，通过点云扫描，模拟人工测量规则，利用虚拟靠尺、角尺等完成实测实量。通过实测实量产生的数据与天花、墙面打磨机器人进行联动，进行修整工作，保证墙面、天花的质量满足后续装修工序的要求。

同时，形成的数据在具体的施工环节会进一步指导相关工序，如与墙砖铺贴机器人的联动。墙砖铺贴机器人施工首先是结合BIM 模型地图导入路径规划系统，确定墙砖铺贴机器人的作业路径。同时依托测量机器人的点云扫描技术，将墙体的垂平度、方正性、阴阳角数据转换成数字信息语言导入墙砖铺贴机器人中，形成瓷砖胶涂胶厚度和铺贴排版信息，结合视觉识别进行二次定位，获得目标物体的空间位置和姿态等有效信息，最后利用所得信息使机械臂完成抓取、涂胶、铺贴等动作［6］。测量机器人与墙砖铺贴机器人的组合施工，呈现出了通过建筑机器人应用以及BIM 系统构建的智能建造体系实践，可赋能传统施工生产要素，重塑施工组织关系，如图1所示。

图1 建筑机器人驱动下的生产数字化Fig.1 Production Digitalization Driven by Construction Robotics

3 施工标准化

3.1 施工组织

效率是基于生产相关的人、材、机和环境之间的相互作用［7］。在传统施工中，施工计划是基于工期和经验组织的生产全要素的效率组合，但建筑产品多种多样，其施工过程涉及大量的施工工艺，工序工种复杂繁琐。同时，从事建筑施工的人员大多数为年龄偏大的农民工，施工方法往往通过口口相传的方式进行传教，导致施工标准化难以落地，个体施工效率的差异较大，整体呈现出不稳定性，因此实际的施工组织与施工计划总是存在较大的偏差。然而，建筑机器人的出现，使得正向的以及由要素自下而上形成的施工组织效率能够进行量化，形成“稳定的”施工流水线。

ST项目的精装修工程是在主体结构封顶后进入，基于建筑机器人不同的施工效率、对应工序材料的特性以及工艺工法的复杂性，编制总控施工进度计划。本次施工的关键线路分为3 个内容（见图2）：由下而上的墙面油漆工程，由腻子涂敷、腻子打磨与室内喷涂等机器人系统作业。油漆工程具有工序较为繁复、占据场地范围广、施工工效高、节奏快等特点，是3 条关键线路中的主线路。为了保障主线路的效率整体最大化，确定为由下而上的顺序施工流水；针对墙砖铺贴工程特性，结合墙砖机器人施工区域独立性较强，对于施工范围外的场地影响较小，穿插施工相对灵活，设置为从中间楼层进行穿插作业；而针对地砖铺贴工程，由于地砖铺贴工艺施工后需预留瓷砖胶静止固化时间较长，占据的施工范围较广，对其余工序穿插施工的影响最大，以及地砖铺贴机器人效率较高，因此其流水铺排为自上而下的方式，可避免与其他工序穿插施工的冲突。同时，整个施工过程有三项重点内容：①前置准备。作业前对施工场地进行实测与修整，以满足建筑机器人自动化作业条件，稳定建筑机器人的施工效率；②辅助措施。物料供应采用集中供应、自动运输的方式，保障建筑机器人持续地自动化运行；③集中充电与集中冲洗。机器人作业的最大特性就是可连续、可稳定作业，所以作业前中后期都要进行供电保障。以及为了保持可持续的作业，对机器应当进行及时冲洗，以免材料凝结，导致作业中断。

图2 建筑机器人施工流水模式Fig.2 The Construction Flow Pattern of Construction Robotics

3.2 材料管理

传统施工中，材料管理缺乏数字化管理。从材料下单、进场、二次转运到使用多数为线下管理。由于建筑材料的多样性，人工管理易导致材料管理杂乱无章、损耗严重，因此需构建网络信息传递平台，对材料进行信息化、精细化管理，使得材料的全生命周期管理具有可追溯性［8］。ST 项目通过采用信息化管理技术，植入智能物料供应体系，对材料进行集中管理，全程监控物料出入，实现仓储管理智能化、材料加工集中化、材料运输自动化（见图3）。

图3 材料智能化管理Fig.3 Intelligent Management of Materials

⑴仓储管理智能化

应用智能物料管理系统，能够满足关于装修物料存储与管理的功能，如：仓储管理、自动存取、物料预警、批量取料、权限管控、智慧平台数据交换以及物料供应链接生产线集成等，形成一个工业模块化的物料存储管理系统，可根据项目管理人员提需实际情况（产品型号、需求用量、施工区域等）自动配送相关物料到达指定区域。

⑵材料加工集中化

对于材料的加工分为两类，块状材料如瓷砖在瓷砖加工区集中加工。流质体类材料按标准化配比集中搅拌，设有瓷砖胶搅拌站、腻子搅拌站、乳胶漆搅拌站。通过集中处理后的物料配送至作业楼层，户内整体设置瓷砖堆放区、泡砖区和流质体物料输送点，形成统一化管理。

⑶材料运输自动化

根据现场作业需求指令，利用智能物流管理系统，通过物流搬运机器人搬运块状材料、流质体运输机器人运送流质体类材料，以及智能施工电梯的结合，实现材料无人化自动运输，大大降低了材料损耗和运输成本。

3.3 相关构件

工业化装修具有明显的环保效益、质量效益、成本效益以及工期效益，是市场发展的必然趋势［9］。ST 项目部分装修部件如踢脚线、石膏线、铝扣板、门套、门、橱柜、卫浴等通过模块化设计，在工厂进行标准、高效的流水化生产，按照工序在现场进行穿插组装。通过自动化的机器取代手工作业、工厂加工取代现场施工，不仅提高生产效率，而且减少材料损耗和现场作业产生的建筑垃圾，进一步实现了精装修的规范化、标准化和绿色化。

4 管理精细化

建筑业属于劳动密集型产业，工人技能参差不齐，稳定性较弱，加上以手工作业为主，导致其管理较为分散、计划执行力度不高，因此精细化管理在施工管理中尤其重要与必要［10］。ST 项目基于建筑机器人的施工工效，利用BIM 系统与测量机器人将工程信息转换为数字语言，结合资源配置、施工安全、质量、技术、成本等生产要素进行施工流水铺排，形成施工计划。但由于施工生产环节面临多元的问题，为了进一步确保施工计划的准确性，项目同时运用了工单管理系统（见图4）。通过派发施工工单，FMS系统（多机协调系统）接收工单后调度机器人按指定路径到指定区域进行施工；同时，同步物料需求至WMS 系统（物料管理系统）。WMS 系统接收指令后调度集中供给站及运料机器人进行物料供应，并对物料出入库进行智能化管理。实际施工完成数据通过机器人反馈回工单管理系统，形成工单闭环。整个工单管理机制对项目的计划与控制两个过程进行有效整合［11］，每个最小管理单元的各个环节责任到个人，各个环节的工作明确，并且被记录、可追溯、可管理，同时实行3d 滚动排查模式，对人、材、机等资源配置问题早发现、早预防、早处理，实现建造过程的精细化管理。

图4 工单管理系统流程Fig.4 The Flow of Work Order Management System

5 结语

智能建造方兴未艾，“智能”在建筑业各个环节都在嵌入式的蓬勃发展。建筑机器人的智能化发展将会是推动传统建筑业向标准化、信息化、数字化与智能化的关键抓手，是传统建筑业进一步分工与管理精细化的关键要素。目前，虽然建筑机器人的发展还处于起步阶段，但在广州ST 项目中已经体现出了生产端的集中优化，如整体效率稳定、质量符合要求以及工期进一步提升等。同时由于建筑机器人与BIM 系统的结合，施工生产现场的分工进一步重组与优化，推动了管理端的精细化。面对建筑机器人这一新技术的不断发展，未来还要进一步探索建筑机器人与设计端的标准化联动、与上游供应链的信息互联、与智能产品终端的运维反馈以及与BIM 和区块链技术的管理协同等。