近年来, 随着我国经济快速发展和城镇化水平不断提高, 国内城市人口密集程度也不断增高。伴随着新时期城市人口的不断增加和土地价格不断上涨, 为了更好地解决城市土地利用率和城市人口居住等问题, 高层及超高层建筑与日俱增。由于高层及超高层建筑已成为当前城市建设的显著特征, 这对建筑工程施工提出了更高的要求和挑战, 而作为建筑施工必不可少的脚手架, 其功能和作用也在不断延伸。

脚手架施工对建筑施工的质量、进度、安全和成本有着直接的影响。在高层及超高层建筑中, 由于高度的影响, 传统的外脚手架具有搭设困难、安全系数低、费时、费料、费工等问题, 已无法适应高层和超高层建筑施工要求^[1,2]。因此, 近10多年来, 落地式外脚手架和外挂脚手架逐渐在高层建筑工程施工中被淘汰, 取而代之的是附着式升降脚手架 (爬架) ^[3]。爬架技术对高层建筑施工技术具有重要影响, 其改变了高层建筑的高处和悬空作业的施工环境, 使之变为低处架设, 施工期间如同室内作业, 具有显著的设备化和机械化优点。另外, 爬架的安全、高效、环保、美观等优越性能更是传统脚手架无法比拟的。近年来, 随着人工费的大幅度增长以及安全要求的大幅度提高, 爬架的经济性价比更加凸显出来。

然而爬架最初仅靠简单的动力装置进行升降操作, 操控不够便捷。因此, 开发了智能操作系统对爬架的升降进行操控, 改善了爬架的智能自动化性能。智能爬架仍只属于自动化设备范畴, 尚未达到工业机器人的程度。在近几年工业机器人发展的大趋势中, 建立在智能爬架技术基础上的新一代智能脚手架———机器人爬架得到了长足发展, 并开始应用于部分高层建筑的施工中, 积极推动着我国建筑施工工业化的发展。

机器人爬架是建立在附着式升降脚手架基础上的升级技术, 又名机器人防护平台, 是将附着式升降脚手架发展为智能化的机器人设备, 通过机械臂的智能攀爬达到升降效果^[4]。如图1所示, 该机器人防护平台主要结构包括:左右机械臂、导轨 (含非能动转轮安全防坠器) 、附着在建筑物上的固定件、防护平台主体 (包括附板件、翻板、脚手板和防护网等) 、升降系统和智能控制系统等。

从图1可以看出, 不同于传统爬架, 机器人爬架在结构上具有可调节并仿人体攀爬的左右机械臂。图1左侧显示为仿生架机位, 该结构主要由数个右机械臂、左机械臂、内侧导轨及外侧导轨组成。右机械臂全部连接在内侧导轨上, 左机械臂则全部连接在外侧导轨上;机械臂加装在导轨与建筑结构间, 对各个楼层外形的结构变化都可通过调整机械臂来适应, 如图2a所示。整个仿生架机位通过机位支承件和机位连接件与架体连接在一起, 在结构上形成一个整体, 相互牵制, 从而构成了机器人爬架施工防护平台的主体结构, 如图2b所示。机器人爬架的升降是通过左、右机械臂交替上升或下降来实现的。图3显示了在施工过程中机器人爬架的提升过程:右机械臂解锁后收起, 通过升降系统使机械臂随同内侧导轨运动, 同时左机械臂受力, 为右机械臂提升提供支撑点;当右机械臂到达指定楼层后, 机械臂会与预埋在建筑物结构上的固定件锁稳 (见图3a) 。随后左机械臂再动作提升, 此时带动整个架体提升, 最终左、右机械臂的相互交替运动带动防护平台达到上升的效果 (见图3b) 。

在智能化方面, 机器人爬架采用全自动同步控制系统, 实现控制机械臂抓紧松脱, 集群自动驾驶升降, 并可主动预防不安全状态。如图3所示, 机器人爬架的提升首先需要机械臂解锁才可进行下一步动作。因此在安全状态下的提升过程中, 智能系统会使右机械臂松脱, 当右机械臂到达待建楼层后, 右机械臂臂手抓紧;随后智能系统控制左机械臂的动作, 使平台准备下一步的提升过程。通过重力传感器, 智能系统会对各个机位进行重力测量并预警。如当某一机位的信号参数超过设定的临界值, 智能系统会对该机位进行声光报警;而当参数超过设定的危险值时, 机器人爬架停止升降。整个施工过程中, 智能系统会记录、储存和显示每个机位的实际升降和超出数据, 在荷载出现异常后自动计算并显示解决方案, 使平台的升降具有良好的同步控制精度。另外, 系统会主动上传每个机位的数据至服务器, 使管理人员可通过监视器远程实时监测系统运行的状态, 并可接收命令进行数据的调整。因此, 机器人爬架具有更高的智能化程度, 体现为自动驾驶、自动报警、安全监控、人机交流和远程管理等智能化的特点, 该智能系统拓扑如图4所示。

机器人必须具备自动控制程序、一定的结构形态和完成一定动作的能力3个重要特征, 而机器人爬架因具有可攀爬固定的机械臂、可自动运行某些特定功能的动作及可人机交流等特点, 已具备了机器人的特征。对比传统脚手架和附着式升降脚手架 (见表1) , 机器人防护平台在机械化、自动化、智能化、信息化程度和设备集成度、防污染密闭、安全系数和美观性等方面都有很大的提高。而在局部区域, 机器人爬架以更智能的自动化施工取代了人工施工 (如附墙、定位等) , 因此具有更为良好的节约化和智能化性能, 使建筑施工的效率更高。整个建筑行业机器人发展的大趋势中, 更多的建筑机器人不断发展和涌现, 在规范化和标准化方面也会不断提出新的要求。因此, 机器人爬架的发展在高层建筑施工中具有标志性的作用, 并已开始应用于高层建筑建设中, 部分在建工程如图5所示。

虽然目前的机器人爬架初步具备了机器人特征, 但由于机械臂的自由度不高, 只是机器人的初级形态。因此, 新一代的机器人爬架仍有许多改进空间, 如提高机械臂的自由度, 搭设更多自动化功能的机械臂, 增加更多相关的拟人化智能模块等。住房和城乡建设部印发的《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》中提出^[5], 全面提高建筑业信息化水平, 着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力, 使建筑业数字化、网络化、智能化取得突破性进展。因此, 高层及超高层建筑脚手架施工未来的发展方向必然需要达到上述纲要的技术要求, 并已开始获得相关研究^[6,7]。根据上述建筑业信息化发展纲要, 高层建筑防护脚手架的发展方向如图6所示。从图中可看出, 在建筑行业的机器人发展大趋势引导下, 附着式升降脚手架已经开始在向新一代机器人爬架发展;而未来建筑机器人生产线必然取代新一代的机器人爬架, 这是由机器人发展趋势和建筑机器人生产线的特点所决定。

随着建筑行业的发展模式正在向网络化、智能化、绿色化转变, 大量中低端生产设备正在加速被淘汰。由于高层建筑的施工周期较长, 行业对效率性、经济性和安全性的需求更加推动了这种趋势的发展。建筑机器人生产线的特点是能使机器人防护平台集成各种具有数字化、网络化和智能化的建筑施工设备和机器人, 取代高层建筑施工中低效率的建筑设备和技术, 以更完善的集成平台为高层建筑建设的效率性、经济性和安全性提供保障。建筑机器人生产线如图7所示。

从图7可以看出, 下一代建筑机器人生产线内部集成了各个功能设备和机器人, 其中包括基本设施部分 (供水供电、照明、消防、茶水间、卫生间、工具房等) 、机械部分 (钢筋、混凝土、吊运、3D打印和未来新设备等) 、机具部分 (模板、支撑、喷淋养护、焊接切割、红外线定位和未来新机具等) 和其他部分 (LED广告、建筑伞、逃生舱、监控系统等) 。从图中可以看出, 每个功能模块都各具特色, 都能局部各自提高建筑施工的效率;但也由于其相互的独立性, 施工效率并不能更为有效地提高, 如平台上升后各设备需通过塔式起重机进行运输, 降低塔式起重机的使用效率。因此, 建筑机器人生产线通过外层机器人防护平台和内部电梯井防护平台加载上述不同的功能模块, 使多个独立的施工设备或机器人在此平台体系下集成, 并自动爬升移位, 有效提高施工效率, 主要表现为以下几个特点。

1) 工业化生产的每个工作站在流水线上独立工作, 从而具有很高的生产效率 (见图8a) ;而机器人爬架对高层建筑的建设也具有类似的效果, 即平台升降时各个模块也随之升降, 使得建筑施工能够进行流水线作业 (见图8b) 。

2) 通过大数据、智能化等高信息技术的支持, 可更便捷地在机器人爬架平台进行各个设施和机器人信息的一体化管理, 确保高层建筑施工的进度、安全和质量, 如图9所示。

3) 标准化后形成的具有更多建筑功能的建筑机器人生产线能使设备的周转更灵活, 有效提高施工效率, 实现高层建筑施工的流水线作业, 如表2所示。

机器人爬架是一个具有提高进度、安全、环保和文明施工等优势的施工平台, 更是一个优越的升降搭载平台。未来, 机器人搭载平台必然搭载更多的标准化和智能化的功能设备, 并将施工信息总体集成, 向建筑机器人生产线的方向发展, 将现有施工技术的发展方向由提高施工机械化水平向施工机器人的方向发展。