建筑領域智能機器人的應用前景及問題研究

文／馮歷華 佛山市順德區碧桂園物業發展有限公司 廣東佛山 528000

引言：

綠色建筑、裝配式建筑、BIM 技術等，是實現建筑行業轉型升級的重要抓手，在我國應用多年但仍有較大的研究和推廣空間，他們既是經驗技術的積累，更是創新技術的迭代。智能建筑機器人同樣作為產業轉型升級的重要手段之一，是對傳統人工建筑的重大革新，是綠色建筑、裝配式建筑、BIM 技術的落地措施，應用價值和前景巨大。

1、建筑領域中智能機器人應用價值

建筑機器人指應用服務于土木工程、房屋建筑領域的機器人,它可以極大提高建設工程的效率、質量和安全性。

建筑行業是我國經濟的支柱產業之一，是典型的勞動密集型產業，所面臨的瓶頸性問題日漸凸顯，具體表現為：勞動力資源短缺、勞動力老齡化、建筑施工危險事故、建筑施工人員健康安全等問題。因此，砌磚搬運機器人、砂漿/膩子/油漆噴涂機器人、墻面天花打磨機器人、建筑廢物再利用機器人、建筑垃圾清掃機器人等應運而生。建筑業內職業傷害、勞動力強度較大的操作得以替代，環境污染的問題得以緩解，人工施工質量參差不齊的情況得以避免，而且能自動檢測問題、標準化作業、提高效率，助力解決工地上“危、繁、臟、重”四大難題。舉例來說，某品牌測量機器人2min 即可完成單個房間實測，測量精度在±1mm 內，作業效率與測量準確率大大優于人工；混凝土施工機器人產品線由智能隨動式布料機及地面整平、地面抹平機器人等組合而成，通過聯動施工整個混凝土施工班組人員可由傳統的12 人減少至8 人；外墻噴涂機器人通過自動噴涂作業，便能避免傳統噴涂的高墜風險，最大噴涂效率可達300 m2/h。

由此可見，智能建筑機器人讓建筑工程每一個環節的性能要素得到不同程度的提高，包括但不限于效率、品質、安全、成本等。住建部等部門發布的《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》、《關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》、《“十四五”機器人產業發展規劃》等政策文件，智能建造已成為國家發展戰略之一。通過新一代信息技術驅動，以工程全生命周期系統化集成設計、精益化生成施工為主要手段，整合工程全產業鏈、價值鏈和創新鏈，實現工程建筑高效益、高質量、低消耗、低排放的建筑工業化。智能機器人作為其中關鍵性內容之一，積極推進建筑機器人在生產、施工、維保等環節與裝配式建筑相配套的建筑機器人應用，市場需求前景進入全新的發展階段。根據不完全數據統計，預計到2025 年，市場規模會突破3.8 億美元。

隨著市場的進一步打開，智能機器人的應用將在建筑行業內普及，需求量激增，市場潛能巨大，將有效推動建筑產業向工業化、綠色環保、智能建造轉型發展。

2、建筑領域中智能機器人應用問題

從建筑行業發展現狀來看，對施工精度、施工質量、操作技術的要求不斷提高，但中國的建筑機器人技術還處于發展階段，對于大部分地區、建筑工程項目而言，仍然屬于新興領域，大部分智能化技術還停留在表層階段。想要讓智能機器人在建筑領域中充分發揮作用，需要對現行的技術不斷進行完善和創新，智能化程度和應用范圍需要得到進一步提高和擴大。

第一，建筑機器人的智能化程度有待提升。建筑行業相對特殊，在實際施工過程中可能會面臨不同的工作環境，在傳統的施工過程中施工技術人員能夠根據實際的情況轉變施工技術、調整施工方案。但現行的建筑機器人更多是按照事先規劃好的工作模式和工作路線進行，在應急處理等方面還存在一定的缺陷，而且大部分建筑工程項目的現場較為復雜，外界因素也可能對機器人的正常運行造成干擾。另外，從現行的建筑機器人的工作情況來看，依然對人力資源有著較強的依賴，需要工作人員從旁進行控制，圖1 為智能膩子打磨機，這種機器人工序單一、功能固化，且需要工作人員輔助監控[1]。因此，在后續的發展過程中還需要進一步提高智能機器人的識別能力、抗干擾能力，讓其可以在復雜的工作環境中運行，自主作業，并且保證工作的穩定性。以裝配式建筑為例，現階段智能機器人的路徑規劃算法并沒有和裝配式建筑領域實現有效結合，機器人在處理環境信息數據上效率較低。配送運輸機器人作為當前建筑工地中主要使用的智能機器人之一，路徑規劃算法、境信息處理精度也需要進一步改善和提高。

圖1 智能膩子打磨機

第二，建筑機器人的應用程度較低。建筑行業中涵蓋了多種不同類型、不同專業的施工環節，如：樁基、主體、安裝、園建、配套等等多方面內容。目前已上線的建筑機器人從事的工序相對單一、分散，沒有形成機器人之間的協同操作和聯動。據部分數據顯示，目前建筑機器人可處理的建筑工程工作量僅為1%。因機器人研發和采購成本較高，但使用規模較小，成本分攤較大，目前大部分應用僅在當地政府、有智能建筑要求、有綠色建筑指標或者打造當地標桿的項目，普通建筑項目應用較少，很多建筑工程項目對智能機器人的認識程度不足，使用者有較大的疑慮，因此出現“叫好不叫座”的情況。目前，急需擴大建筑機器人的應用，通過成功結果導向增加使用者的信心，通過應用規模擴大減少綜合成本，通過基礎數據積累研發更多符合需求的智能化建筑機器人。

3、建筑領域中智能機器人應用解決思路

近幾年來，國家在城鎮化建設上取得了突出的成績，同時也帶動了建筑行業的發展，建筑機器人作為建筑業轉型升級的重要抓手，需要在建筑領域中呈現智慧化、全局化、系統化、交互性等特點，確保建筑業向綠色、精準、標準、智能發展。

3.1 提高機器人的智能程度

3.1.1 強化三維激光掃描技術，精準定位

想要讓建筑機器人的智能化程度進一步提高，需要強化智能機器人信息處理效率和信息整合能力。智能機器人根據獲取到的信息進行信息整合、信息建模，最終實現三維空間的運動規劃。現階段智能機器人中使用的傳感器功能效果相對較弱。打造出基于視覺反饋的運動控制，可以讓智能機器人更好地完成路徑規劃工作，提高環境掃描效率。三維激光掃描儀在數據收集、模擬仿真、人機交互上效果突出，將其和智能機器人SLAM 算法相結合，可以在環境掃描的同時，形成全局環境地圖并且在最短時間內完成路徑規劃[2]。另外，5G 通信網絡技術也可以引入其中，借助物聯網等技術手段，可以讓信息傳輸速度和處理效率得到進一步提高，讓智能機器人在建筑項目設計、施工、運維等不同階段環節中得到廣泛應用，全面擴大應用范圍。以碧桂園的某個施工項目為例，項目中應用的測量機器人已經能針對不同戶型、施工階段、施工場景進行3D 測量密集點云的語義分割，自動識別并去除“企口、線盒、水管墻面”等元素。在施工測量過程中，它會在3D 圖像空間中將施工房間識別成“天花”“墻面”“地面”“飄窗”“門洞”等構件。

3.1.2 深入研究專家系統，智能作業

圖2 建筑智能機器人

為了提高建筑機器人的智能化程度，必須對智能機器人的信息處理系統進行更加全面、高效地優化，其中最關鍵的就是“專家系統”。專家控制系統是建立在數據庫的專家控制系統，它的基本原理就是將外部的數據與數據庫中的數據進行比較，通過比較和分析，從而實現對系統的科學控制。建立基于數據庫的專家控制系統，可以實現機器人的動態行為，并能利用數據庫中的信息進行現場環境的處理。這意味著，在這一技術的支持下，智能機器人在接收到外部的信息時，神經網絡系統可以根據現場的情況，在數據庫中對傳遞過來的信息進行快速的比對分析、調取整合，尋找最優的解決對策，然后根據最優方案進行處理，從而實現合理化和高效的控制，保證系統的性能得到最大程度優化，促進智能化建筑的真正落地。以碧桂園生產項目中應用到的地面整平機器人為例，借助專家系統，施工人員只需要將把場地面積、混凝土相關數據錄入系統，智能機器人可以借助雙自由度自適應系統，穩定地在鋼筋混凝土上施工作業[3]，并且基于內置GPS 定位功能和專家系統，選定待作業區域后，機器人可自動設定整平規劃路徑，把控實時位置，實現混凝土地面的全自動無人化整平施工。

除了這一技術手段之外，深度學習技術、人工神經網絡控制系統等技術也可以引入到智能機器人體系中，打造出計算機視覺。借助攝像機、電腦打造出機器視覺，配合圖形處理技術，讓智能機器人的自主適應環境能力得到更好提高。通過這些技術手段，開發出一套適用于計算機的智能處理系統，并將其運用到智能建筑中，讓智能機器人擁有獨立的分析能力，而這種分析能力，可以讓它更加適應復雜的工程環境。

圖3 地坪漆涂敷機器人

3.2 擴大建筑機器人的應用范圍

提高建筑機器人的智能水平與擴大建筑機器人的應用范圍是相輔相成的關系。提高建筑機器人的智能水平必然帶動建筑機器人的進一步應用；但提高建筑機器人的智能化水平離不開實例的應用和數據的積累。

3.2.1 推廣智能巡檢，積累基礎數據

在建設項目的過程中，智能機器人不僅可以為施工工作提供幫助，在施工監督和施工管理等方面也發揮著至關重要的作用。智能機器人具備機器人作業和進度信息實時上報，借助機器人本身的智能系統可以對施工現場的各項信息進行有效的分析，在發現任何不正常的地方，都會第一時間做出預警，防止出現任何不可預知的情況。人臉識別技術是一種典型的智能系統，將其應用在智能機器人系統中，可以打造出智能巡檢系統，減輕施工管理人員的工作壓力，實現遠程云監管，在路徑規劃技術水平得到落實的基礎上，可以打造出固定的巡檢路線，對現場施工人員進行管控。在實際應用過程中，聚焦工程維護、秩序安保、環境維護、施工服務、綜合管理、施工助手等方面，智能巡檢機器人可以針對不同施工場景做出快速配置，讓巡檢工作流程更加順暢。通過對施工人員、施工設備、施工工序、施工質量等進行全周期、全方位的智能巡檢，在實現建造自動化的同時，實現了全過程自動化智能管理[4]，而且能積累大量的現場數據，為“專家系統”的對比分析提供基礎數據，為后續研發更智能的機器人提供大量的參考信息。

3.2.2 加強技術集成，增加作業協同

不僅如此，在人機交互、多機協作方面的能力也需要得到提高，才能夠更好地投入到建筑施工環節中。在建筑施工現場，建筑機器人多機施工系統可以通過“BIM+FMS+WMS+建筑機器人”四部分協同作業，實現更高的作業效率、更穩定的施工質量、更節能的作業方式以及更高的環保素質。BIM 系統相當于一個智能施工任務規劃中心，結合項目主數據，規劃出機器人施工的路徑；FMS 系統相當于“指揮官”，能實現機器人實時監控、物料下發調配以及作業路徑的完整流程；WMS 系統可實現物流類機器人全自動調度、智能電梯自動控制、物料消耗的精確管理與數據化監控，對工地物料消耗的管理可以精確到任一樓棟、樓層、戶型，使用了多少涂料、多少塊瓷磚。在工序執行的全過程中，WMS 會使物料數據與BIM 協同平臺做出的計劃相匹配，通過數字化管理減少建筑材料的浪費，降低廢棄物的產生。另外，通過伺服系統、傳感器、控制器、輪系單元、AI、導航系統、視覺算法、機器人管理軟件等技術與監理管理工作有機融合，打造出基于模糊自適應的運動控制算法、智能視覺傳感器、機器人集群作業規劃與調度系統、建筑機器人作業仿真系統，確保項目高效安全地運行[5]。隨著基礎數據的積累和研究，在未來發展過程中，可以根據建筑實際需求打造出多機協同作業的智能機器人，為建筑行業提供多方位的防護。

3.2.3 強化政策支撐，降低綜合成本

綠色建筑、裝配式建筑、智慧城市等政策已推行一段時間，各類政策相繼出臺，但針對建筑機器人的政策還相對較少，項目應用的推力仍然不足。推動建筑業向數字設計、智能施工、建筑機器人等方面轉型，通過打造智能建造產業集群，催生一批新產業新業態新模式。一方面，需要通過政府出臺更多系統性的引導文件和扶持政策，帶動更多的房產項目試用建筑機器人，通過推廣項目數量擴大應用范圍，從而形成建筑機器人的集群效應，以此降低成本；另一方面，通過將建筑機器人、BIM 技術和裝配式建造相結合的方式，對樓棟的施工工序進行綜合有序地拆分和穿插，實現產業化、標準化、模塊化的生產，促使綜合成本降低，施工安全和質量進一步提升。這樣，才能讓智能建筑機器人朝著綠色化、自動化、網絡化、精準化、互控化的方向發展。

結語：

綜上所述，在建筑機器人智能化提升和應用范圍擴大的相互作用下，機器人應用中存在問題的將逐步解決，為我國建筑行業向工業化、綠色環保、智能建造轉型發展提供有效的保障。在一系列政策措施推動下，憑借規模優勢和大力投入，預計未來幾年，以建筑機器人為代表的智能建造技術在我國將迎來快速發展的黃金時期。