建筑4.0： 建筑機(jī)器人發(fā)展，是機(jī)遇還是挑戰(zhàn)？

近年來(lái)，機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)越來(lái)越多地出現(xiàn)在各行各業(yè)，甚至成為了我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑淖冎覀兊纳詈凸ぷ鞣绞健鹘y(tǒng)人力正讓位于現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)。‎但建筑業(yè)目前仍然是自動(dòng)化程度最低的行業(yè)之一，體力勞動(dòng)仍被認(rèn)為是生產(chǎn)力的主要驅(qū)動(dòng)力。目前我國(guó)建筑業(yè)信息化率僅約為0.03%，與國(guó)際建筑業(yè)信息化率平均水平0.3%相比差距巨大。建筑產(chǎn)業(yè)信息化建設(shè)任重而道遠(yuǎn)。

01
建筑機(jī)器人市場(chǎng)

建筑智能建造產(chǎn)業(yè)升級(jí)是解決建筑業(yè)諸多問題的有效途徑之一。廣義的建筑機(jī)器人囊括了建筑物全生命周期相關(guān)的所有機(jī)器人設(shè)備，狹義的建筑機(jī)器人特指與建筑施工作業(yè)密切相關(guān)的機(jī)器人設(shè)備，通常是一個(gè)在建筑預(yù)制或施工工藝中執(zhí)行某個(gè)具體的建造任務(wù)(如砌筑、切割、焊接等)的裝備系統(tǒng)。

建筑機(jī)器人行業(yè)的市場(chǎng)需求與建筑業(yè)息息相關(guān)。從全球市場(chǎng)來(lái)看，近年全球建筑機(jī)器人行業(yè)的規(guī)模保持持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2020年全球建筑機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1.13億美元，同比增長(zhǎng)了15.31%。同時(shí)，熟練勞動(dòng)力的減少使得建筑業(yè)越來(lái)越需要專業(yè)的機(jī)器人來(lái)跟上城市化建設(shè)的步伐，以及符合綠色建造的要求。

我國(guó)建筑業(yè)產(chǎn)值規(guī)模不斷擴(kuò)大，也為建筑機(jī)器人行業(yè)提供了充足的發(fā)展空間。預(yù)計(jì)到2023年，中國(guó)建筑機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用規(guī)模將達(dá)到224億元。雖然目前中國(guó)的建筑機(jī)器人專利技術(shù)增長(zhǎng)迅速，但大部分仍在研發(fā)期，并未進(jìn)入商用領(lǐng)域或?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，下游應(yīng)用滲透率不及1%。

· 建筑業(yè)難題

建筑業(yè)勞動(dòng)力短缺問題正日益加劇。越來(lái)越少的年輕人打算投身于建筑行業(yè)。同時(shí)，建筑施工也伴隨著嚴(yán)重的安全問題。根據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，約30%的職業(yè)事故發(fā)生在建筑業(yè)，建筑業(yè)發(fā)生致命事故的風(fēng)險(xiǎn)是其他行業(yè)的四倍。同時(shí)，勞動(dòng)生產(chǎn)率問題，成本效益問題，也是建筑參與者們關(guān)注的重點(diǎn)問題。

通過機(jī)器人可以解決工地的健康和安全問題，完成大型和重型負(fù)載的搬運(yùn)，以及代替工人在環(huán)境污染區(qū)域完成工作。此外，機(jī)器人可以完成復(fù)雜、重復(fù)的加工處理工作，執(zhí)行危險(xiǎn)性任務(wù)。通過自動(dòng)化的施工方式，填補(bǔ)行業(yè)內(nèi)勞動(dòng)力和技術(shù)工人的短缺，也吸引年輕人加入建筑領(lǐng)域的工作。

從成本效益來(lái)看，以混凝土材料的使用為例，相比傳統(tǒng)建造方式，3D打印混凝土技術(shù)可以節(jié)約建筑材料30%-60%，節(jié)省人工成本50%-80%，縮短工期50%-70%，從而大幅降低建筑生產(chǎn)成本。

02
目前的機(jī)器人技術(shù)

根據(jù)波士頓咨詢集團(tuán)（BCG）從2019年開始的研究，到2025年，全球工業(yè)自動(dòng)化程度將提高15%，主要由機(jī)器人的使用而推動(dòng)，特別是諸如裝載、卸載機(jī)器類的常規(guī)任務(wù)的自動(dòng)化技術(shù)。

KEWAZO是一家位于慕尼黑的德國(guó)初創(chuàng)公司，專注于機(jī)器人控制的腳手架組裝。在建筑施工過程中，腳手架組裝工作非常低效且勞動(dòng)密集——超過80%的時(shí)間用于在組裝過程中運(yùn)輸腳手架零件。KEWAZO為建筑工地和工業(yè)廠房提供智能機(jī)器人電梯，可有效地進(jìn)行腳手架施工。‎KUKA集團(tuán)與斯圖加特大學(xué)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與建筑學(xué)院 (ICD)合作，借助兩款 KUKA 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)建筑構(gòu)件的機(jī)器人化制造工藝。

建筑行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的另一個(gè)例子是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，該大學(xué)正在建造一種環(huán)境智能的移動(dòng)建筑機(jī)器人，用于直接在施工現(xiàn)場(chǎng)建造組件。借助于攝像頭、傳感器和智能控制系統(tǒng)，這類機(jī)器人能夠獨(dú)立定位和導(dǎo)航，還可以對(duì)各種不可預(yù)見的問題做出反應(yīng)，如施工材料的偏差等。‎2021年，ABB集團(tuán)還與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院共同開發(fā)了一種木結(jié)構(gòu)建筑機(jī)器人。

另一家位于丹麥的奧迪卡模板機(jī)器人公司Odico Framework Robotics，則致力于通過機(jī)器人制造大型建筑模板。

機(jī)器人在建筑行業(yè)的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是傳感器技術(shù)的自動(dòng)化。包括掃描建筑工地并記錄當(dāng)前狀態(tài)的測(cè)量車輛。通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)速度更快、范圍更廣的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理分析。這些數(shù)據(jù)可以支持決策者進(jìn)行規(guī)劃決策，幫助實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的數(shù)字孿生建設(shè)。‎

機(jī)器人在建筑行業(yè)的使用

在自動(dòng)化水平、機(jī)器人應(yīng)用方面，制造業(yè)、汽車領(lǐng)域的水平要遠(yuǎn)高于建筑業(yè)水平。目前，大多數(shù)機(jī)器人的研發(fā)是由工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，結(jié)合建筑領(lǐng)域的特點(diǎn)，加以創(chuàng)新發(fā)展而來(lái)。雖然國(guó)內(nèi)外建筑機(jī)器人發(fā)展水平不一，但整體上偏向于新材料（如輕質(zhì)碳纖維）建筑物、構(gòu)件加工以及構(gòu)件施工安裝、搬運(yùn)方面的應(yīng)用。部分機(jī)器人廠商已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，自動(dòng)巡視等功能。智能建造機(jī)器人的應(yīng)用潛力還很大，其智能化水平以及普適度，還需進(jìn)一步的研究與完善。

· 新建筑中的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用

基于信息物理系統(tǒng)的建筑智能建造通過充分利用信息化手段以及機(jī)器人智能建造裝備的優(yōu)勢(shì)，可以有效加強(qiáng)環(huán)境感知、建造工藝、材料性能等因素的信息整合。對(duì)于新建筑，有許多機(jī)器人可以使人類施工更有效，更安全。例如，在單戶住宅和標(biāo)準(zhǔn)化建筑的預(yù)制件制作過程中，機(jī)器人以及機(jī)械工作已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)配置。各個(gè)構(gòu)件在工廠的生產(chǎn)線上制造，然后在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)在安裝現(xiàn)場(chǎng)組裝。‎‎但機(jī)器人技術(shù)的潛力遠(yuǎn)未如此。機(jī)器人可以替代人類完成一些特別危險(xiǎn)或高強(qiáng)度工作，如在高層施工和重型部件運(yùn)輸，此類工作可以通過腳手架機(jī)器人，或?yàn)榻ㄖ锱鋫浯皯舻牧⒚鏅C(jī)器人實(shí)現(xiàn)。

· 機(jī)器人在運(yùn)維中的應(yīng)用

運(yùn)維階段的翻新和修繕工作，也可以通過機(jī)器人來(lái)完成。但在翻新過程中，自動(dòng)化流程的運(yùn)行要求和熟練度的要求，使得機(jī)器人的使用變得困難得多。建筑工地及其流程最初用于手動(dòng)工作，首先必須適應(yīng)機(jī)器人，以便提高其性能。‎考慮到維修工作環(huán)境的特殊性，翻新工作中應(yīng)用的機(jī)器人應(yīng)該是便攜式機(jī)器人。翻新機(jī)器人的使用已有很多應(yīng)用案例，如粉刷外墻和室內(nèi)裝飾，組裝天花板或鋪設(shè)瓷磚。在未來(lái)，機(jī)器人甚至可以接管整個(gè)室內(nèi)設(shè)計(jì)和室內(nèi)裝修。

03
建筑機(jī)器人疑慮

機(jī)器人的大力推廣與研發(fā)也伴隨著部分建筑行業(yè)參與者的疑問。

· 建筑工地的復(fù)雜性是機(jī)器人技術(shù)使用的障礙‎？

機(jī)器人的特點(diǎn)是在受控且安全的環(huán)境中高效率地進(jìn)行重復(fù)任務(wù)。但建筑工地具有復(fù)雜性和不確定性。單個(gè)（建筑）機(jī)器人的確能夠接管鋪設(shè)磚石或構(gòu)件裝配的過程。但為了機(jī)器人的使用真正高效且有利可圖，機(jī)器人需要具有適應(yīng)環(huán)境實(shí)時(shí)變化的功能。‎這種功能應(yīng)是機(jī)器人自身所具備的，而不是需要定制化開發(fā)或是重新編程才能實(shí)現(xiàn)的。

建筑機(jī)器人的工作內(nèi)容還有著位移空間大、負(fù)載需求高、自由度需求高、安全系數(shù)要求高等特點(diǎn)。隨著工業(yè)機(jī)器人軸數(shù)的增多，多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究愈發(fā)深入，發(fā)展到今天已經(jīng)出現(xiàn)了七軸機(jī)器人熱潮。為了應(yīng)對(duì)這些工作難點(diǎn)，新一代建筑工業(yè)機(jī)器人需要具備模塊化、智能化和系統(tǒng)化的功能特點(diǎn)。

· 機(jī)器人比人類勞動(dòng)力便宜？‎

使用機(jī)器人是否就比人類勞動(dòng)力便宜，這個(gè)問題在現(xiàn)階段仍然難以回答。機(jī)器人的投資成本非常高，截至目前，只有少數(shù)機(jī)器人用于實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)。此外，在使用機(jī)器人時(shí)，需要考慮整個(gè)生命周期。除了實(shí)際的購(gòu)買和調(diào)試外，定期維護(hù)、重新編程和更新也是一項(xiàng)不容忽視的成本開支。建設(shè)項(xiàng)目的范圍也是一個(gè)決定性的成本影響因素：隨著項(xiàng)目規(guī)模的增加，不僅所需機(jī)器人的數(shù)量將增加，監(jiān)控范圍也隨之增加。‎但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，結(jié)合目前建筑基層工人老齡化趨勢(shì)明顯和勞動(dòng)人口流失率高等現(xiàn)象，建筑施工中對(duì)機(jī)器人的投入將是可持續(xù)性更高的選擇。

· 機(jī)器人的應(yīng)用取代人類勞動(dòng)力？

在效率方面，相比人工，機(jī)器人的確有著巨大優(yōu)勢(shì)。例如美國(guó)建造機(jī)器人公司（Construction Robotics）開發(fā)的半自動(dòng)砌磚機(jī)器人（Semi-Automated Mason, SAM）砌筑系統(tǒng)可使墻體砌筑效率提高3-5倍，減少80%的人工砌筑作業(yè)。目前該砌筑機(jī)器人系統(tǒng)已投入商用。

與此同時(shí)，有些人認(rèn)為數(shù)字化可以減少就業(yè)機(jī)會(huì)并取代勞動(dòng)力。但就目前來(lái)說，機(jī)器人還不可能完全取代人類勞動(dòng)力。施工過程非常復(fù)雜，需要一定的靈活性。但隨著數(shù)字化在建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，在工程施工領(lǐng)域，也許會(huì)創(chuàng)新發(fā)展出一個(gè)完全自動(dòng)化、數(shù)字化的、可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化的建筑工地。‎‎即便如此，‎建筑工地的人力也不會(huì)消失，只是變成了操控機(jī)器人的角色。‎機(jī)器人技術(shù)不是對(duì)建筑行業(yè)勞動(dòng)力的威脅，而是一個(gè)未來(lái)的機(jī)遇。

04
總結(jié)

機(jī)器人在建筑行業(yè)目前正處于起步研發(fā)階段。已有部分項(xiàng)目采用了機(jī)器人進(jìn)行施工工作。特別是在新建建筑以及場(chǎng)地測(cè)量方面，機(jī)器人是高效率幫手。當(dāng)然，建筑機(jī)器人仍然需要進(jìn)一步得研發(fā)完善，包括流程的調(diào)整，操作人員的培訓(xùn)等，最重要的是，需要提高機(jī)器人日常使用的適用性。‎

建筑業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程雖然緩慢，但數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用已在建筑行業(yè)快速地推廣。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可以擴(kuò)大和改善人類的工作并提高生產(chǎn)率的建筑機(jī)器人等智能建造技術(shù)，在未來(lái)也將會(huì)得到推廣使用。‎

文章來(lái)源：魯班研究院