在建筑施工中, 建筑机器人是自动执行建筑工作的机器装置。它既可以接受人类指挥, 又可以运行预先编排的程序, 也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动, 协助或取代人类在建筑施工中工作。对于建筑机器人而言, 其基本组成结构和一般性工业机器人并无特殊之处。建筑机器人以其施工安全性、高效性, 降低工程造价等优势, 成为保障施工人员安全, 提升建筑工作品质的必然选择。

对建筑机器人的研发起源于日本, 1982年日本清水公司的一台名为SSR-1的耐火材料喷涂机器人被成功用于施工现场, 被认为是世界上首台用于建筑施工的建筑机器人。随后出现了美国军方的John Deeve 690C掘进机被用来修复爆炸毁坏的跑道;麻省理工学院的trackbot和studbot被用于墙体内部建设等。除了日本和美国在进行建筑机器人研究之外, 法国、德国、英国、以色列、荷兰、芬兰、丹麦、新加坡等国家也相继进行建筑机器人研究。随着工程施工的实际需要和建筑机器人研究的深入, 20世纪80年代后期, 建筑机器人开始尝试规模化生产, 其中以有“机器人王国”之称的日本最早, 包括本田公司、鹿岛建设株式会社等企业都开始了建筑机器人的规模化生产。我国早期运用在建筑施工上的建筑机器人基本靠进口国外的产品, 随着我国科学技术的进步和建筑行业的高速发展, 建筑机器人的研发开始受到重视。目前为数不多的成果大多停留在试验阶段, 真正做到商业化的成果很少, 特别是建筑行业自动化施工的行业标准大多处于空白阶段, 研究主要开展于高校和研究所。

建筑是伴随着人类文明的发展而发展起来的, 建筑上的各类工程设施反映出各个历史时期社会、经济、文化、科学、技术的发展面貌, 因此可以说建筑是人类文明进步的重要标志, 而这个标志的进步是建筑工具进步和发展的一个历程, 即工具在推动建筑的发展。比如鲁班发明了锛凿斧锯才有了榫卯结构, 进而决定了中国古代木架建筑的发展。建筑施工装备的发展受到技术环境的影响。我们从历次工业革命形成的技术环境特点来看, 经历了从蒸汽技术、电气技术、自动化技术到智能技术的演进, 这也决定了建筑施工装备相应的发展方向。

建筑的发展从最初的茅茨土阶, 到第二次工业革命之后的摩天大楼, 建筑的高度越来越趋向于高层化, 建筑的造型趋向于多样化, 对建筑施工的要求越来越复杂。未来的建筑施工不可能仅仅依靠人力劳动加上传统的施工装备来完成, 在电子信息时代的背景下, 建筑施工开始寻求智能化发展, 在电子计算等技术环境下, 建筑机器人开始出现。建筑机器人等智能化施工装备的出现是建筑行业发展和建筑施工装备革新的必然结果。

建筑行业发展至今, 高层化和复杂化的特点日益突出, 再加上建筑行业本身露天作业和高空作业的要求, 以及施工环境、作业条件差和劳动强度大, 造成建筑施工不安全因素随着工程进度呈现动态变化, 难以防控, 建筑行业安全生产事故时有发生, 使建筑业成为公认的高危行业, 伤亡率仅位于矿山与交通事故之后。例如在美国, 建筑业每年造成约40万人死伤, 已成为严重的社会问题。繁重的操作, 充斥着泥浆、粉尘、噪声、震动等的工作环境, 极大地危害着从业人员的身心健康, 导致职业病高发。

建筑机器人是保障施工人员安全、提升工作品质的必然选择。若要将建筑工人从中解脱出来, 就现有技术发展水平来看, 机器人技术或是破解这一难题最佳也可能是唯一的途径。除此之外, 借助于建筑机器人可以毫不费力地把建筑活动扩展到人所不适的新场所和新领域, 如水下、化学或核辐射污染、高温、高压等领域, 并能带来巨大的经济效益。

目前建筑施工中, 虽然已有大量机械设备参与, 但更多的工序还是有赖于手工作业, 导致建造周期漫长, 少则数月, 多至数年。而采用机器人技术, 可使建造效率大幅提升。以欧美的标准民居为例, 传统人工作业的平均建造周期约为6~9个月, 若采用最新的机器人3D打印技术, 建造周期可大幅缩短至1~2天。建筑机器人高效的施工不仅在普通工程中能缩短工期, 在应急工程如遭遇地震、恐怖袭击、泥石流等灾难后, 也可以快速完成临时居所建设, 保障居民的基本生存条件。建筑机器人可以使传统的古老工序现代化并提高效率。

建筑行业造价中人工费用占了很大比例, 在一些传统领域可使用机器人替代建筑工人, 在新的建筑工序中, 也可以设计出更有效的机器人, 降低人工成本。此外, 建筑行业属于资源需求极为密集的行业, 而传统的手工作业方式又流于粗放, 建材使用不能精确控制, 导致营建过程的材料浪费巨大。据美国有关部门测算, 一栋普通民居建造过程的材料浪费率高达40%。此外, 老旧建筑的拆除目前还未形成资源化回收的观念, 除钢筋等少数金属材料外, 其他材料均被作为建筑垃圾填埋, 这种资源浪费的规模难以估量。事实上, 若采用建筑机器人代替人工施工, 通过合理规划和精细化作业, 可大幅减少原材料浪费, 甚至实现零浪费, 利用机器人技术也可以实施老旧建筑材料的回收再利用。这将大大降低建筑成本, 也符合构建节约型社会的时代价值要求。从工程造价角度而言, 建筑机器人是高效益的选择;从资源利用的角度出发, 建筑机器人满足了构建节约型社会的时代诉求。

建筑机器人的发展和类型的形成受建筑工程施工需要的影响。从理论上来说, 建筑工程施工中所有复杂工序都可以由相对应的建筑机器人进行替代或辅助施工, 这也是建筑机器人未来的开发潜力和开发方向。从建筑工程施工来看, 其施工工艺主要包括土方工程、地基与基础工程、砌筑工程、钢筋混凝土工程、防水工程、装饰工程等几大类, 各类工程中又包括大大小小的各种工序以及具体的施工作业, 因此建筑机器人在建筑工程施工中可以开发的种类十分丰富。然而, 现有建筑工程施工中投入使用的建筑机器人的种类依然有限, 一些建筑机器人的性能仍然有很大局限性, 因此建筑机器人的开发潜力可谓十分巨大。

就现有建筑机器人而言, 按照具体性能分为坑道作业机器人、主体工程施工机器人和建筑检查机器人。 (1) 坑道作业机器人在建筑工程施工中主要用来处理建筑主体工程施工前的场地问题, 包括基坑穿孔、凿岩、扩底孔、涵拱合装和混凝土浆喷涂等。全自动液压凿岩机 (KM·FU) 、涵拱自动合装机器人 (KM·MJ) 、混凝土浆喷涂机器人 (OB·KB) 等都属于坑道作业范畴内的建筑机器人。 (2) 建筑主体工程是建筑工程中最主要的工程, 因此用于主体工程施工的建筑机器人种类最多。主要有焊接作业机器人、挂钩作业机器人、钢筋搬运机器人、配筋作业机器人、耐火材料喷涂机器人、砌砖机器人、混凝土浇筑机器人、混凝土地面磨光机器人、去疵和清扫机器人、刻网纹机器人、天棚作业机器人、外壁面喷涂机器人和幕墙安装机器人等。 (3) 建筑检查机器人主要用于建筑完工后的壁面检查和清洁作业, 像瓷砖剥落检查机器人、净化间检查机器人都是用来完成建筑检查作业的。此外还有桥梁作业机器人和深海作业用机器人。可见, 目前已有的建筑机器人已经涉及到建筑工程中的基础工程、主体工程和装饰装修工程, 但是建筑工程工序繁多, 建筑机器人的性能优化和种类开发仍然具有很大潜力。

按照建筑工程施工的工序特点, 建筑机器人在建筑施工中主要应用在建筑施工场地的处理、建筑主体工程的施工、建筑装饰装修工程三大方面以及对建筑的检查清洁。

(1) 建筑机器人处理施工场地。建筑施工场地处理上主要包括测量放线、基坑挖掘、岩石开凿、管道排水、基坑支撑面喷涂和场地平整等, 对应工序都开发有相应的机器人进行施工。

(2) 建筑机器人运用于主体工程施工。主要的主体工程施工包括混凝土的搅拌浇筑、钢筋的配置、墙体的砌筑等。主体工程工作程量大, 施工复杂, 是建筑工程施工过程中耗时最长、用量最多的程序, 建筑机器人的使用能提高施工效益, 缩短工期, 降低工程造价。

(3) 建筑机器人运用于装饰装修。在建筑工程中, 装饰装修工程包括地面平整、抹灰、门窗安装、饰面安装等。建筑装饰装修工程对于作业精度要求非常高。以抹灰为例, 其平整度不得超过3%, 人工作业要达到相应要求常常需要反复检查和返工。用建筑机器人程精度高, 以抹灰机器人为例, 其平整度能达到1%, 基本一次完成, 避免了返工, 从而提高工效。

(4) 建筑检查、清洁机器人。高层建筑表面装饰很容易出现开裂、破损, 如果完全依靠人工来进行检查, 一方面由于其检查频率高带来较大工作量, 另一方面人工通过眼睛或借助工具很难发现问题, 使用建筑自动检查系统能全面精确地发现建筑存在问题。此外, 随着建筑高层化的发展, 建筑使用玻璃幕墙十分频繁, 但玻璃幕墙沾染灰尘后影响透光度和建筑整体形象, 因此需要对其进行清洁。传统清洁依靠人工系挂安全绳或搭载安全工作面从上而下进行, 存在高空坠落的安全隐患, 且人工清洁效率低下, 工作效果不佳, 需要反复进行。依靠自动清洁机器人能安全、高效地完成建筑玻璃幕墙清洁工作。

(5) 海洋建筑、太空建筑机器人展望。早在20世纪, 人类就开始了海洋建筑的探索。1962年9月6日, 法国人制造的世界上第一个水下居住室“海中人”号, 在法国的里维埃拉海域水下60米试验成功, 一位潜水员在里面生活了26小时。海洋建筑施工与陆地截然不同, 借助建筑机器人进行施工能避免人工施工环境不适应问题。随着世界人口的膨胀, 陆地空间的枯竭, 人类将向海洋和太空要空间, 很多海上和海底建筑将在本世纪出现在海洋上。此外, 随着人类对太空的探索, 太空建筑在未来或许会成为现实。

建筑机器人产业构成分为上游、中游、下游 (图1) 。上游包括一些关键的核心部件, 中游主要是指本体以及集成技术, 下游包括二次开发以及周边设备的开发。建筑机器人技术基本集中在日本和欧洲。在日本, 它的关键性部件——减速器是遥遥领先的, 并且已经形成了很强的技术壁垒。德国的工业机器人原材料、本体零部件具有很大的优势。中国现在的机器人行业处在产业链的下游, 主要是系统集成、二次开发、定制性部件和售后服务。

建筑机器人行业发展的一大关键在于解决技术关键, 就目前来说, 建筑机器人的技术关键问题还停留在硬件的开发和优化上。其一, 建筑机器人的移动性。移动性需复杂的导航能力, 还包括在脚手架上和深沟中的移动作业、避障、意外事件传感器和意外事件控制算法、机器人视觉系统、新的控制系统和处理单元等。其二, 建筑机器人的传感器。在非结构环境的工作中建筑机器人必须同时使用多种类型的传感器, 其中最重要的传感器是安装在手爪上的模式识别器和接近传感器。其三, 建筑机器人末端执行器。目前已经开发出的适合于建筑应用的专用机器人执行器只有几种, 例如美国研制出多任务、部分自主功能的移动机器人系统开发工具, 该机器人系统已在宾西法尼亚州三里岛核电站完成清理、检查和拆除工作等。对于建筑工程众多的工序和工种, 末端执行器的种类远远不足。

此外, 建筑机器人精度不足, 一方面达不到建筑施工工程的要求, 另一方面对外界环境抗干扰性较差, 设计精度很容易受到诸如建筑作业恶劣环境中的强烈磨损的影响, 因此需要采取措施确保机器人完成每一个特定任务所需的适当的定位精度。在软件方面, 建筑机器人的控制系统仍不够理想, 目前研制出的控制系统, 在根据传感器信息对机器人动作进行调整方面有很大局限性, 且响应时间仍不太理想, 不能实时有效地完成绝大部分任务。

目前就建筑机器人的关键核心技术来说, 日本的机器人相关企业在关节技术、高性能交流伺服电机、高精密减速器、控制器以及高性能驱动器等机器人的核心技术和关键零部件方面居世界领先地位, 比如其高精密减速器、力传感器等产品世界市场份额高达90%。中国的建筑机器人核心零部件大部分依赖从日本、德国等国家进口, 其中精密减速器75%从日本进口, 而这些零部件占到机器人整体生产成本的70%以上。

当前随着国际“工业4.0”概念的提出和推广, 以及国内对于机器人行业的政策支持和良好的人才、产业基础, 建筑机器人行业将迎来其发展的黄金时期。

2011年汉诺威工业博览会上, 德国提出“工业4.0”概念, 并于2013年的汉诺威工业博览会上, 由“产官学”组成的德国“工业4.0工作组”发表了题为《德国工业4.0战略计划实施建议》, 称物联网和制造业服务化宣告着第四次工业革命到来。德国学术界和产业界认为, “工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命, 或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统相结合的手段, 将制造业向智能化转型。“工业4.0”项目主要分为两大主题, 一是“智能工厂”, 重点研究智能化生产系统及过程, 以及网络化分布式生产设施的实现;二是“智能生产”, 即在生产过程中对智能化的利用。

在建筑行业中, 早在“工业4.0”提出之前, 建筑施工就开始了智能化施工的探索并不断发展。随着“工业4.0”时代的到来, 建筑行业也迎来了智能生产时代。建筑工业化也是工业4.0的重要板块, 信息化技术的应用是建筑工业化的核心环节, 建筑自动化、信息化自然成为工业化的重要内容。

借鉴德国版工业4.0计划, 中国开始规划制造业顶层设计——“中国制造2025”的既定方略。我们的机器人已经具备了良好的基础, 首先是人才和技术基础。截至2015年12月12日, 我国65家机器人研究机构中 (包括大学、研究所、机器人重点实验室、重点企业等) , 机器人产业优秀研发人才经过筛选和整合共有1011人, 其中院士25人, 长江学者、国家“千人计划”特聘专家等高端人才251人。“十二五”期间, 我们的工业机器人、特种机器人 (包括建筑机器人) 在建筑、医疗等方面都取得了非常好的成绩。其次, 机器人产业取得佳绩。目前有约78家上市公司从事机器人研发和生产。第三, 科技体制改革促进打通相关产业链。横向部署的三大计划:973计划、863计划和科技支撑计划有效打通了相关产业链。接下来国家将进行重点专项支持, 从产业链打通来支持机器人行业的发展。当前, 中国已经成为世界巨大的机器人市场, 同时中国也拥有规模庞大的机器人研发队伍。建筑机器人行业在国家机器人发展的大趋势与建筑行业需求的双重推动下将一片大好。

全球机器人行业近年愈来愈火热, 机器人的销量也逐年上升。从农林、矿业、建筑等行业狭义上的机器人销量来看, 机器人的销量自2005年到2011年基本翻了一倍, 随着国际工业4.0的发展和国内对机器人行业政策的支持, 预计未来机器人市场将更加繁荣。

从全球主要类别机器人的销量来看, 建筑机器人在其中占了很大的比重。2005~2011年全球建筑机器人的销量平均约216.8台。从整体上来看, 2005~2011年全球建筑机器人销量呈现上升的趋势。从同比增长率来看, 2006年与2010年现出大幅度增长趋势;相对于2005年, 2006年同比增长率为108.5%, 相对于2009年, 2010年同比增长率为50.4%, 相对于2007年, 2008年的同比增长率为33.3%年, 而2007年、2009年、2011年同比有所下降, 同比下降了分别为11.2%、2.6%、24.7%。以2005年为基期来看, 2006-2011年都呈现增长趋势, 2006年~2011年的定基发展速度分别为108.5%、85.1%、146.8%、140.4%、261.7%、172.3%, 相对于2005年全球建筑机器人销量一直持续1~2倍左右的增长率。综上分析, 全球对于建筑机器人的交易量呈现上升的趋势, 基本维持在200台左右的交易量, 建筑机器人的需求也将随着交易量的增加而增加。

中国建筑机器人行业处于产业链下游, 核心零部件大部分依赖进口。随着国际工业4.0时代的到来, 加之我国对机器人行业的政策支持和良好的人才、产业基础, 建筑机器人被更多地投入施工是建筑施工行业未来的发展趋势, 建筑机器人行业在未来几年将迎来发展的黄金期。

同时, 建筑机器人行业也将面临以下几方面风险:

(1) 宏观经济波动的风险:建筑机器人企业下游建筑行业受宏观环境影响较大, 若经济下行, 将导致市场达不到预期, 相关企业的业务将受到影响。

(2) 应收账款较高及回款风险:建筑机器人企业下游客户主要是建筑施工总承包商, 建筑行业拖欠款现象较为突出, 且改善不够理想。随着业务规模扩大, 应收账款欠款及回款风险提高。

(3) 市场竞争加剧的风险:我国建筑施工设备市场目前仍以传统设备为主, 建筑施工机器人的市场占有率较低, 如果企业加大力度对建筑机器人进行研发和生产, 而不能保持优于传统设备的竞争力, 那么企业整体业务将受到影响。