建筑施工機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

張皓涵

（佛山市順德區(qū)碧桂園物業(yè)發(fā)展有限公司）

0 概述

我國建筑行業(yè)處于高速發(fā)展階段，但是機(jī)械化、自動(dòng)化程度低下，房地產(chǎn)企業(yè)的過度開發(fā)和施工的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，使得建筑施工過程漏洞百出。當(dāng)前階段，我國建筑行業(yè)依舊存在如下問題：

⑴勞動(dòng)力短缺。這一直是建筑公司面臨的主要挑戰(zhàn)，有一大部分的建筑公司找不到合適的工人。建筑行業(yè)工作環(huán)境惡劣，這使得年輕建筑工人的比例逐年下降，員工流動(dòng)率逐年上升，在所有的行業(yè)內(nèi)占比最高。極大的員工流失率成為企業(yè)的沉重負(fù)擔(dān)，建筑行業(yè)的薪資的提升，并沒有提升建筑工人的工作滿意度，有一小部分的工人表示缺乏相應(yīng)工具來幫助他們更好地完成工作。

⑵施工安全性差。建筑工作是一項(xiàng)危險(xiǎn)的工作，我們通常所說的建筑類工作包括建造房屋、道路、樹木堡壘、工作場(chǎng)所以及維修和保養(yǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。這些工作包括了許多危險(xiǎn)任務(wù)及惡劣條件，如工作的高度，噪音，灰塵、毒害、輻射、電動(dòng)工具和設(shè)備等。建筑業(yè)最常見的死亡原因有四種:高空墜落、被物體擊中、觸電以及器械誤傷。每年因建筑事故導(dǎo)致死亡的人數(shù)居高不下，這使得建筑行業(yè)被列為我國高危行業(yè)之一。

⑶勞動(dòng)生產(chǎn)率低。建筑設(shè)計(jì)過程中的過失造成工程的返工、項(xiàng)目數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確和溝通中的失誤造成工程的返工，浪費(fèi)了不少的人力、物力、時(shí)間。建筑施工過程中器械材料的運(yùn)輸不及時(shí)、投放不準(zhǔn)確使勞動(dòng)生產(chǎn)效率降低。

建筑機(jī)器人的應(yīng)用，降低了勞動(dòng)力成本，提高了施工現(xiàn)場(chǎng)的安全水平及勞動(dòng)力生產(chǎn)效率，在一定程度上解決了建筑行業(yè)面臨的困境。建筑機(jī)器人的發(fā)展目前處于初級(jí)階段，尚未形成統(tǒng)一的大規(guī)模生產(chǎn)[1]。世界上最早的建筑機(jī)器人誕生于20世紀(jì)90年代初期的德國，此后發(fā)達(dá)國家對(duì)建筑機(jī)器人的研究一直未中斷，但這些研究只停留在實(shí)驗(yàn)室，并沒有被應(yīng)用到實(shí)際的工程中[2]。近年來，隨著人們對(duì)建筑行業(yè)改革的迫切需要，建筑機(jī)器人技術(shù)才被逐漸應(yīng)用到了工程實(shí)際中來。從概念上講，建筑機(jī)器人分為“狹義”和“廣義”兩種概念?！皬V義”上的建筑機(jī)器人包括了建筑周期的全過程（包括勘測(cè)、營建、運(yùn)營、維護(hù)、清拆、保護(hù)等）相關(guān)的所有機(jī)器人設(shè)備，涉及范圍十分廣泛，包括清洗、遞送、陪護(hù)等服務(wù)型機(jī)器人在內(nèi)?！蔼M義”的建筑機(jī)器人指建筑施工過程中使用的機(jī)器人設(shè)備，涵蓋面窄并且具有十分清晰的工程特點(diǎn)，典型系統(tǒng)包括墻體砌筑機(jī)器人、3D打印營建系統(tǒng)、基坑清理機(jī)器人[2]。本文主要對(duì)“狹義”的建筑機(jī)器人及機(jī)器人爬架這一施工平臺(tái)加以介紹。

1 建筑機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r

1.1 墻體砌筑機(jī)器人

20世紀(jì)末期墻體建筑機(jī)器人的研究在國外各個(gè)高校研究機(jī)構(gòu)中展開，1994年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）研發(fā)了自動(dòng)砌墻機(jī)器人ROCCO；1996年，斯圖加特大學(xué)開發(fā)了混凝土施工機(jī)器人BRONCO；之后，哈佛大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等機(jī)構(gòu)也都開展過一些建筑機(jī)器人研[2]。但是，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件及經(jīng)濟(jì)條件的限制，這些砌筑機(jī)器人僅處于研究階段，沒有應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。第一臺(tái)真正作為商用的砌筑機(jī)器人是來自美國Construction Robotics公司的SAM100砌磚機(jī)器人，SAM100砌筑機(jī)器人采用半自動(dòng)化工作模式，它的使用減少了砌筑過程所需要的時(shí)間，每臺(tái)SAM100砌筑機(jī)器人能提高3～5倍的工作效率[3]。此后，澳大利亞Fast Brick機(jī)器人公司歷時(shí)10年研發(fā)出世界上首臺(tái)全自動(dòng)砌筑機(jī)器人“哈德良105”其原理為采用3D計(jì)算機(jī)提供的房型及結(jié)構(gòu)布置，如圖1所示，精確計(jì)算出每塊磚的位置，然后用28m長的機(jī)械臂壘砌磚頭?！肮铝?05”可以24h不間斷施工，并根據(jù)施工的需要裁切磚頭，預(yù)留管道位置。這種低成本高效率的施工方式既節(jié)約了勞動(dòng)力成本，又提高了工作效率。其升級(jí)版“哈德良X”的出現(xiàn)有望徹底改變建筑行業(yè)的傳統(tǒng)砌筑模式，“哈德良X”體積更大，速度更快，與“哈德良105”一樣，都是裝在卡車上，可以自動(dòng)游走，其施工原理為用特定的設(shè)備取磚，并放進(jìn)傳送裝置，根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)程序選擇相應(yīng)的作業(yè)流程，再由激光制導(dǎo)跟蹤儀和智能跟蹤傳感器指揮砌墻，除后期管道安裝外，全過程完全自動(dòng)化操作[4]。與“哈德良105”相比，“哈德良X”能保證磚塊之間密實(shí)不松動(dòng)，確保砌筑質(zhì)量的同時(shí)又提高了砌筑的速度。缺點(diǎn)是“哈德良X”的體型過于龐大，只能在特定的空間內(nèi)進(jìn)行施工操作，不夠靈活便捷，并且造價(jià)高。

圖1 墻體砌筑機(jī)器人“哈德良105”

墻體砌筑機(jī)器人在國內(nèi)還處于理論研究階段，未能真正運(yùn)用到實(shí)際中，主要是一些高校為團(tuán)體的研究隊(duì)伍在進(jìn)行研究。如臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)的自動(dòng)砌墻機(jī)器人機(jī)[5]，如圖2a所示。其設(shè)計(jì)分為行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、機(jī)械手移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)五個(gè)部分，整體由單片機(jī)或數(shù)控系統(tǒng)控制，從而實(shí)現(xiàn)游走、升降、送磚、移動(dòng)機(jī)械臂、抓取磚塊的動(dòng)作；淮安職業(yè)技術(shù)學(xué)院的一種全自動(dòng)化砌筑機(jī)器人模型[6]，如圖2b所示。由三個(gè)機(jī)械臂、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電梯、一個(gè)直線步進(jìn)電機(jī)組成，操作過程由機(jī)械臂搬磚壘墻，送磚進(jìn)升降機(jī)，由電機(jī)操控將水泥噴進(jìn)磚縫處，此砌筑機(jī)器人還可以由計(jì)算機(jī)操作實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，整個(gè)施工流程全部擬人化進(jìn)行，也可以人工操縱進(jìn)行施工。

圖2

國內(nèi)外對(duì)砌筑機(jī)器人的研究都在繼續(xù)，需要既符合建筑施工特點(diǎn)，又能靈活操控，并且建造成本低廉，在三者之間尋求一個(gè)平衡。

1.2 墻面/地面施工機(jī)器人

傳統(tǒng)的墻磚、地磚鋪貼需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力，但是鋪貼質(zhì)量依然得不到保障，尤其是在大范圍施工過程中，因此機(jī)器人技術(shù)在鋪貼施工過程的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。

早在2000年，Navon[7]就從概念上提出鋪貼機(jī)器人需要具備六個(gè)以上的自由度，這樣才能實(shí)現(xiàn)在其工作范圍內(nèi)瓷磚的任意鋪貼及角度調(diào)整的靈活度和精準(zhǔn)度。2001年Bailey[8]等人研發(fā)了一臺(tái)龍門機(jī)器人，如圖3所示，其任務(wù)不是用于鋪貼瓷磚，而是作為人類TRAX游戲的對(duì)手，由于其定位系統(tǒng)比較特別，采用機(jī)器人視覺系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)標(biāo)定、瓦片檢測(cè)、定位、人類玩家檢測(cè)、機(jī)器人控制和游戲玩法，而鋪貼機(jī)器人研制的核心是定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以該定位系統(tǒng)在一定程度上給研究砌筑機(jī)器人的專家學(xué)者們提供了一些靈感。

圖3 龍門機(jī)器人

2005年Hyeun Seok團(tuán)隊(duì)研發(fā)了混合型機(jī)器人運(yùn)用于瓷磚鋪貼，串聯(lián)構(gòu)件由伺服電機(jī)來控制，并聯(lián)構(gòu)件由氣動(dòng)執(zhí)行器來控制，但實(shí)際操作過程中出現(xiàn)的一些摩擦等非線性運(yùn)動(dòng)使運(yùn)動(dòng)精度不好把控，鋪貼定位精度略微小于3mm。隨著科技不斷向前，近幾年鋪貼機(jī)器人技術(shù)的研究取得很大進(jìn)展，開始由實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)入實(shí)際應(yīng)用中去。2014年新加坡未來城市實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)了一款的地地磚鋪貼機(jī)器人，如圖4所示。其定位系統(tǒng)采用4個(gè)以上的激光傳感器，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)地磚的空間定位及平面定位。機(jī)器人由一支機(jī)械手和一個(gè)可自住導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)組成，機(jī)械手末端有吸盤和混凝土噴射口，兩套被安置在機(jī)械手的末端的傳感器分別用于識(shí)別地磚空間定位及地磚邊界區(qū)域，配合計(jì)算機(jī)的特定程序，以此保證鋪貼過程的精度。靈活小巧，不僅適用于大型公共建筑，也適合小型民居的地磚鋪貼使用。地磚鋪貼機(jī)器人研制及升級(jí)的核心部件為定位系統(tǒng)，目前的地磚鋪貼機(jī)器人需要使用4個(gè)以上的激光傳感器，過多的激光傳感器會(huì)令定位的精度減小，造成數(shù)據(jù)誤差，應(yīng)該使激光傳感器的數(shù)量控制在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)，以此提升鋪貼機(jī)器人的定位準(zhǔn)確度，目前的技術(shù)還有待改進(jìn)。

圖4

1.3 清拆/清運(yùn)機(jī)器人

在建筑物建造前的土方開挖，基坑挖掘以及廢舊建筑的拆除和改造過程中，設(shè)計(jì)大量的土石方清運(yùn)和結(jié)構(gòu)清拆任務(wù)。而目前現(xiàn)有的清運(yùn)和清拆的施工過程，存在極大的危險(xiǎn)性，如土方開挖和建筑拆除過程中，揚(yáng)塵和噪音污染嚴(yán)重，清拆過程僅依靠人工駕駛機(jī)器設(shè)備進(jìn)行，危險(xiǎn)系數(shù)高，不僅對(duì)工人的生命安全存在威脅，并且這種作業(yè)方式會(huì)造成非常大的浪費(fèi)，大批量混凝土當(dāng)作垃圾處理掉，后期回收鋼筋的過程也造成了人力和物力的消耗。

為解決這一施工難題，有關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)了清拆機(jī)器人，其作業(yè)方式包括兩種：一種是“沖擊破碎”，一種是“分離回”[2]。由人工駕駛的清拆設(shè)備發(fā)展而來的為沖擊破碎作業(yè)方式，沖擊破碎作業(yè)方式利用搖桿操作代替了原有的人工駕駛，遙感操作使人員遠(yuǎn)離了危險(xiǎn)的作業(yè)地帶，方便了施工操作，保障了施工人員生命安全。這種作業(yè)方式的機(jī)器人大多小巧靈活，便于在室內(nèi)或者小面積地段的作業(yè)，廣泛應(yīng)用于應(yīng)災(zāi)救援、器械維修等領(lǐng)域，如圖5a為瑞典Husqvarna公司的DXR-310型遙控清拆機(jī)器人。分離回收方式作業(yè)的機(jī)器人代表瑞典Umea大學(xué)提出的ERO機(jī)器人如圖5b所示，將鋼筋與混凝土直接剝離，資源回收。ERO清拆機(jī)器人由移動(dòng)體及機(jī)械臂兩部分組成，機(jī)械臂的末端配有高壓噴射裝置，令其對(duì)墻體進(jìn)行沖刷，高壓噴頭噴射出來的水使混凝土破碎，掉落的混凝土漿體被真空吸塵器吸入，通過離心作用使水和混凝土漿體分撒開來，水泥漿被回收，水體被重新利用。

圖5

該系統(tǒng)目前還處于研制階段，并未投入使用，但其所涵蓋的理念符合《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》中倡導(dǎo)的資源再利用、綠色環(huán)保的理念，符合未來建筑行業(yè)施工的發(fā)展趨勢(shì)。目前我國有將高壓噴射裝置用于建筑清拆過程中，但是還沒有將資源回收再利用與高壓噴射裝置結(jié)合起來應(yīng)用的技術(shù)，這塊可以作為一個(gè)研究方向進(jìn)行發(fā)展。

1.4 3D打印機(jī)器人

3D打印機(jī)器人主要運(yùn)用的技術(shù)有：輪廓工藝、D型工藝、混凝土打印、分段組裝式打印、群組機(jī)器人集合打印。

3D打印在建筑行業(yè)的應(yīng)用起源于美國南加州大學(xué)Khoshnevis教授于20世紀(jì)90年代提出的“輪廓工藝”（Contour Crafting）技術(shù)，運(yùn)用CC技術(shù)的機(jī)器人像是一個(gè)超級(jí)打印機(jī)器人，外形像一臺(tái)停在建筑物上的起重機(jī)，兩邊是軌道，中間的橫梁是機(jī)械臂，橫梁上下左右前后運(yùn)動(dòng)，將房子一層一層地打印出來。運(yùn)用CC技術(shù)的機(jī)器人的工作速度非?？?，24h之內(nèi)能打印出一棟兩層樓高、232m2的房子[9]。CC技術(shù)目前可以利用混凝土當(dāng)做材料，以預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖紙為模板，將混凝土墻體和地面打印出來。CC技術(shù)的使用讓建筑體的形狀可以復(fù)雜多樣，形狀不再受直線限制，可隨意打印出各種曲線及異形結(jié)構(gòu)來提升建筑物的整體美觀程度及空間利用率[2]，其外形如圖6a所示。D型工藝由意大利發(fā)明家恩里克·迪尼發(fā)明，D型工藝打印機(jī)的底部有數(shù)百個(gè)可以噴射鎂質(zhì)黏合物（氯氧鎂水泥）的噴嘴，其工作原理為噴嘴噴射鎂質(zhì)黏合物，在黏合物上噴射砂子，通過砂子及黏合物的粘連，形成石質(zhì)建筑物，例如位于意大利比薩的復(fù)雜雕塑的1/4縮尺模型，如圖6b所示。D型工藝打印出來的建筑物比混凝土強(qiáng)度高，表面十分堅(jiān)硬，不需要再使用內(nèi)置鐵管的方法進(jìn)行建筑加固。2013年1月份，一位荷蘭建筑師與恩里克·迪尼合作，運(yùn)用D型工藝技術(shù)在2014年完成了一棟建筑的建造建造，并以“Landscape-House”命名[10]。混凝土打印技術(shù)由英國拉夫堡大學(xué)建筑工程學(xué)院提出[11]，其原理是使用噴嘴擠壓出混凝土再通過層疊法建造構(gòu)件[12]。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種適合3D打印的聚丙烯纖維混凝土，并測(cè)試了這種混凝土的基本力學(xué)性能[13]，證實(shí)了該混凝土在混凝土打印技術(shù)中可以應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)還用該技術(shù)制造出了混凝土構(gòu)件[14]，如圖6c所示。組裝式打印技術(shù)其工作原理為將建筑模塊化，通過3D打印機(jī)將建筑模塊在工廠里打印出來，再運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)組裝，這種打印技術(shù)不僅可以打印簡(jiǎn)單的模型，還可以打印出各種復(fù)雜的模型，使3D打印技術(shù)與建筑行業(yè)的結(jié)合更加緊密，如圖6d為組裝式打印制作的構(gòu)件。3D打印機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)不言而喻，其缺點(diǎn)也需要我們不斷改進(jìn)，比如3D打印機(jī)器人的零部件及組裝成本相當(dāng)高，其智能化的水平相對(duì)來說是比較低的；3D打印機(jī)器人的適用范圍受限，不能廣泛地應(yīng)用于各類建筑中去；3D打印機(jī)器人所用材料十分受限。對(duì)3D打印機(jī)器人的研究還有很多的事情要做。

圖6

1.5 機(jī)器人爬架

傳統(tǒng)的外墻腳手架及落地式腳手架的搭設(shè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、耗費(fèi)鋼材，還容易出現(xiàn)安全隱患，因此，外墻腳手架及落地時(shí)腳手架正在被慢慢的淘汰掉，取而代之的是爬架[15]。爬架技術(shù)的使用，改變了高空作業(yè)及懸挑作業(yè)的高危險(xiǎn)施工作業(yè)方式，使腳手架的高空搭設(shè)變成了低處搭設(shè)，施工期間如同室內(nèi)作業(yè)，環(huán)保又美觀，大大地節(jié)約了鋼材。爬架最初的時(shí)候只是依靠簡(jiǎn)單動(dòng)力升降，操控復(fù)雜，進(jìn)而開發(fā)了智能爬架，智能爬架仍然屬于自動(dòng)化的范疇，隨著時(shí)代的發(fā)展，近幾年機(jī)器人技術(shù)在基于智能爬架的基礎(chǔ)上開發(fā)了機(jī)器人爬架，圖7a為機(jī)器人爬架主要結(jié)構(gòu)。

機(jī)器人爬架的組成部分有左右機(jī)械臂、導(dǎo)軌、附著在建筑物上的固定件、防護(hù)平臺(tái)主體、升降系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，如圖7b所示。機(jī)器人爬架的左側(cè)機(jī)械臂連接在內(nèi)側(cè)導(dǎo)軌上，右側(cè)機(jī)械臂連接在外側(cè)導(dǎo)軌上，爬架的上升下降是通過左右機(jī)械臂的交替上升或者下降實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人爬架的提升需要機(jī)械臂解鎖才可進(jìn)行下一步。因此，在安全提升狀態(tài)下，右機(jī)械臂松脫，直至有機(jī)械臂到達(dá)待建樓層后，右機(jī)械臂抓緊，隨后左機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)使平臺(tái)進(jìn)一步提升，智能系統(tǒng)會(huì)對(duì)平臺(tái)各點(diǎn)進(jìn)行重力測(cè)量并預(yù)警，如果某個(gè)機(jī)位超過規(guī)定的限值，就會(huì)報(bào)警，如果超過危險(xiǎn)值時(shí)，爬架就會(huì)停止升降。機(jī)器人爬架具有監(jiān)測(cè)功能、人機(jī)交流、自動(dòng)報(bào)警和遠(yuǎn)程管理的特點(diǎn)，這使爬架具有更高的智能化程度。機(jī)器人爬架雖然已經(jīng)初步具有了機(jī)器人的特征，但機(jī)械臂自由度不夠高，需要更多的智能化系統(tǒng)。

圖7

2 結(jié)論

建筑機(jī)器人是建筑領(lǐng)域與機(jī)器人領(lǐng)域的結(jié)合而產(chǎn)生的一個(gè)全新的領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍之廣可覆蓋建筑生命周期的全過程。建筑機(jī)器人要長期發(fā)展下去，必須從以下幾個(gè)方面去細(xì)細(xì)雕琢：

⑴輕質(zhì)。傳統(tǒng)機(jī)器人的體型碩大，不利于其靈活移動(dòng)，所需要的作業(yè)面也太過龐大，施工過程還需要較大的空間，一定程度上給施工作業(yè)造成了影響?？刹捎幂p質(zhì)的材料在許可的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化建筑機(jī)器人的構(gòu)造，在不改變?cè)泄δ艿那疤嵯驴s小體型。

⑵靈敏。傳統(tǒng)建筑機(jī)器人的靈敏度不夠高，不能精確定位，往往存在一定的偏差，這不只是控制其量程精度就能夠解決的問題，利用尖端的材料往往會(huì)提高成本，在優(yōu)化定位軌跡及結(jié)構(gòu)的同時(shí)，融入多個(gè)傳感器和結(jié)合的算法，彌補(bǔ)原有的缺陷，并節(jié)約了成本，使施工作業(yè)的精度得到提高。

⑶智能。建筑機(jī)器人不會(huì)像老練的施工人員一樣，看一下就知道哪里有問題，建筑機(jī)器人只能根據(jù)其內(nèi)部自帶的程序去判斷哪里出了問題，而編程程序不能預(yù)測(cè)到所有可能發(fā)生的故障問題，所以這時(shí)就需要讓建筑領(lǐng)域與機(jī)器人技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等領(lǐng)域相互結(jié)合，創(chuàng)造出具有多功能形態(tài)的建筑機(jī)器人。