建筑领域智能机器人的应用前景及问题研究

2023-01-30冯历华佛山市顺德区碧桂园物业发展有限公司广东佛山528000

中国房地产业 2022年34期

文／冯历华佛山市顺德区碧桂园物业发展有限公司广东佛山 528000

引言：

绿色建筑、装配式建筑、BIM 技术等，是实现建筑行业转型升级的重要抓手，在我国应用多年但仍有较大的研究和推广空间，他们既是经验技术的积累，更是创新技术的迭代。智能建筑机器人同样作为产业转型升级的重要手段之一，是对传统人工建筑的重大革新，是绿色建筑、装配式建筑、BIM 技术的落地措施，应用价值和前景巨大。

1、建筑领域中智能机器人应用价值

建筑机器人指应用服务于土木工程、房屋建筑领域的机器人,它可以极大提高建设工程的效率、质量和安全性。

建筑行业是我国经济的支柱产业之一，是典型的劳动密集型产业，所面临的瓶颈性问题日渐凸显，具体表现为：劳动力资源短缺、劳动力老龄化、建筑施工危险事故、建筑施工人员健康安全等问题。因此，砌砖搬运机器人、砂浆/腻子/油漆喷涂机器人、墙面天花打磨机器人、建筑废物再利用机器人、建筑垃圾清扫机器人等应运而生。建筑业内职业伤害、劳动力强度较大的操作得以替代，环境污染的问题得以缓解，人工施工质量参差不齐的情况得以避免，而且能自动检测问题、标准化作业、提高效率，助力解决工地上“危、繁、脏、重”四大难题。举例来说，某品牌测量机器人2min 即可完成单个房间实测，测量精度在±1mm 内，作业效率与测量准确率大大优于人工；混凝土施工机器人产品线由智能随动式布料机及地面整平、地面抹平机器人等组合而成，通过联动施工整个混凝土施工班组人员可由传统的12 人减少至8 人；外墙喷涂机器人通过自动喷涂作业，便能避免传统喷涂的高坠风险，最大喷涂效率可达300 m2/h。

由此可见，智能建筑机器人让建筑工程每一个环节的性能要素得到不同程度的提高，包括但不限于效率、品质、安全、成本等。住建部等部门发布的《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》、《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》、《“十四五”机器人产业发展规划》等政策文件，智能建造已成为国家发展战略之一。通过新一代信息技术驱动，以工程全生命周期系统化集成设计、精益化生成施工为主要手段，整合工程全产业链、价值链和创新链，实现工程建筑高效益、高质量、低消耗、低排放的建筑工业化。智能机器人作为其中关键性内容之一，积极推进建筑机器人在生产、施工、维保等环节与装配式建筑相配套的建筑机器人应用，市场需求前景进入全新的发展阶段。根据不完全数据统计，预计到2025 年，市场规模会突破3.8 亿美元。

随着市场的进一步打开，智能机器人的应用将在建筑行业内普及，需求量激增，市场潜能巨大，将有效推动建筑产业向工业化、绿色环保、智能建造转型发展。

2、建筑领域中智能机器人应用问题

从建筑行业发展现状来看，对施工精度、施工质量、操作技术的要求不断提高，但中国的建筑机器人技术还处于发展阶段，对于大部分地区、建筑工程项目而言，仍然属于新兴领域，大部分智能化技术还停留在表层阶段。想要让智能机器人在建筑领域中充分发挥作用，需要对现行的技术不断进行完善和创新，智能化程度和应用范围需要得到进一步提高和扩大。

第一，建筑机器人的智能化程度有待提升。建筑行业相对特殊，在实际施工过程中可能会面临不同的工作环境，在传统的施工过程中施工技术人员能够根据实际的情况转变施工技术、调整施工方案。但现行的建筑机器人更多是按照事先规划好的工作模式和工作路线进行，在应急处理等方面还存在一定的缺陷，而且大部分建筑工程项目的现场较为复杂，外界因素也可能对机器人的正常运行造成干扰。另外，从现行的建筑机器人的工作情况来看，依然对人力资源有着较强的依赖，需要工作人员从旁进行控制，图1 为智能腻子打磨机，这种机器人工序单一、功能固化，且需要工作人员辅助监控[1]。因此，在后续的发展过程中还需要进一步提高智能机器人的识别能力、抗干扰能力，让其可以在复杂的工作环境中运行，自主作业，并且保证工作的稳定性。以装配式建筑为例，现阶段智能机器人的路径规划算法并没有和装配式建筑领域实现有效结合，机器人在处理环境信息数据上效率较低。配送运输机器人作为当前建筑工地中主要使用的智能机器人之一，路径规划算法、境信息处理精度也需要进一步改善和提高。

图1 智能腻子打磨机

第二，建筑机器人的应用程度较低。建筑行业中涵盖了多种不同类型、不同专业的施工环节，如：桩基、主体、安装、园建、配套等等多方面内容。目前已上线的建筑机器人从事的工序相对单一、分散，没有形成机器人之间的协同操作和联动。据部分数据显示，目前建筑机器人可处理的建筑工程工作量仅为1%。因机器人研发和采购成本较高，但使用规模较小，成本分摊较大，目前大部分应用仅在当地政府、有智能建筑要求、有绿色建筑指标或者打造当地标杆的项目，普通建筑项目应用较少，很多建筑工程项目对智能机器人的认识程度不足，使用者有较大的疑虑，因此出现“叫好不叫座”的情况。目前，急需扩大建筑机器人的应用，通过成功结果导向增加使用者的信心，通过应用规模扩大减少综合成本，通过基础数据积累研发更多符合需求的智能化建筑机器人。

3、建筑领域中智能机器人应用解决思路

近几年来，国家在城镇化建设上取得了突出的成绩，同时也带动了建筑行业的发展，建筑机器人作为建筑业转型升级的重要抓手，需要在建筑领域中呈现智慧化、全局化、系统化、交互性等特点，确保建筑业向绿色、精准、标准、智能发展。

3.1 提高机器人的智能程度

3.1.1 强化三维激光扫描技术，精准定位

想要让建筑机器人的智能化程度进一步提高，需要强化智能机器人信息处理效率和信息整合能力。智能机器人根据获取到的信息进行信息整合、信息建模，最终实现三维空间的运动规划。现阶段智能机器人中使用的传感器功能效果相对较弱。打造出基于视觉反馈的运动控制，可以让智能机器人更好地完成路径规划工作，提高环境扫描效率。三维激光扫描仪在数据收集、模拟仿真、人机交互上效果突出，将其和智能机器人SLAM 算法相结合，可以在环境扫描的同时，形成全局环境地图并且在最短时间内完成路径规划[2]。另外，5G 通信网络技术也可以引入其中，借助物联网等技术手段，可以让信息传输速度和处理效率得到进一步提高，让智能机器人在建筑项目设计、施工、运维等不同阶段环节中得到广泛应用，全面扩大应用范围。以碧桂园的某个施工项目为例，项目中应用的测量机器人已经能针对不同户型、施工阶段、施工场景进行3D 测量密集点云的语义分割，自动识别并去除“企口、线盒、水管墙面”等元素。在施工测量过程中，它会在3D 图像空间中将施工房间识别成“天花”“墙面”“地面”“飘窗”“门洞”等构件。

3.1.2 深入研究专家系统，智能作业

图2 建筑智能机器人

为了提高建筑机器人的智能化程度，必须对智能机器人的信息处理系统进行更加全面、高效地优化，其中最关键的就是“专家系统”。专家控制系统是建立在数据库的专家控制系统，它的基本原理就是将外部的数据与数据库中的数据进行比较，通过比较和分析，从而实现对系统的科学控制。建立基于数据库的专家控制系统，可以实现机器人的动态行为，并能利用数据库中的信息进行现场环境的处理。这意味着，在这一技术的支持下，智能机器人在接收到外部的信息时，神经网络系统可以根据现场的情况，在数据库中对传递过来的信息进行快速的比对分析、调取整合，寻找最优的解决对策，然后根据最优方案进行处理，从而实现合理化和高效的控制，保证系统的性能得到最大程度优化，促进智能化建筑的真正落地。以碧桂园生产项目中应用到的地面整平机器人为例，借助专家系统，施工人员只需要将把场地面积、混凝土相关数据录入系统，智能机器人可以借助双自由度自适应系统，稳定地在钢筋混凝土上施工作业[3]，并且基于内置GPS 定位功能和专家系统，选定待作业区域后，机器人可自动设定整平规划路径，把控实时位置，实现混凝土地面的全自动无人化整平施工。

除了这一技术手段之外，深度学习技术、人工神经网络控制系统等技术也可以引入到智能机器人体系中，打造出计算机视觉。借助摄像机、电脑打造出机器视觉，配合图形处理技术，让智能机器人的自主适应环境能力得到更好提高。通过这些技术手段，开发出一套适用于计算机的智能处理系统，并将其运用到智能建筑中，让智能机器人拥有独立的分析能力，而这种分析能力，可以让它更加适应复杂的工程环境。

图3 地坪漆涂敷机器人

3.2 扩大建筑机器人的应用范围

提高建筑机器人的智能水平与扩大建筑机器人的应用范围是相辅相成的关系。提高建筑机器人的智能水平必然带动建筑机器人的进一步应用；但提高建筑机器人的智能化水平离不开实例的应用和数据的积累。

3.2.1 推广智能巡检，积累基础数据

在建设项目的过程中，智能机器人不仅可以为施工工作提供帮助，在施工监督和施工管理等方面也发挥着至关重要的作用。智能机器人具备机器人作业和进度信息实时上报，借助机器人本身的智能系统可以对施工现场的各项信息进行有效的分析，在发现任何不正常的地方，都会第一时间做出预警，防止出现任何不可预知的情况。人脸识别技术是一种典型的智能系统，将其应用在智能机器人系统中，可以打造出智能巡检系统，减轻施工管理人员的工作压力，实现远程云监管，在路径规划技术水平得到落实的基础上，可以打造出固定的巡检路线，对现场施工人员进行管控。在实际应用过程中，聚焦工程维护、秩序安保、环境维护、施工服务、综合管理、施工助手等方面，智能巡检机器人可以针对不同施工场景做出快速配置，让巡检工作流程更加顺畅。通过对施工人员、施工设备、施工工序、施工质量等进行全周期、全方位的智能巡检，在实现建造自动化的同时，实现了全过程自动化智能管理[4]，而且能积累大量的现场数据，为“专家系统”的对比分析提供基础数据，为后续研发更智能的机器人提供大量的参考信息。

3.2.2 加强技术集成，增加作业协同

不仅如此，在人机交互、多机协作方面的能力也需要得到提高，才能够更好地投入到建筑施工环节中。在建筑施工现场，建筑机器人多机施工系统可以通过“BIM+FMS+WMS+建筑机器人”四部分协同作业，实现更高的作业效率、更稳定的施工质量、更节能的作业方式以及更高的环保素质。BIM 系统相当于一个智能施工任务规划中心，结合项目主数据，规划出机器人施工的路径；FMS 系统相当于“指挥官”，能实现机器人实时监控、物料下发调配以及作业路径的完整流程；WMS 系统可实现物流类机器人全自动调度、智能电梯自动控制、物料消耗的精确管理与数据化监控，对工地物料消耗的管理可以精确到任一楼栋、楼层、户型，使用了多少涂料、多少块瓷砖。在工序执行的全过程中，WMS 会使物料数据与BIM 协同平台做出的计划相匹配，通过数字化管理减少建筑材料的浪费，降低废弃物的产生。另外，通过伺服系统、传感器、控制器、轮系单元、AI、导航系统、视觉算法、机器人管理软件等技术与监理管理工作有机融合，打造出基于模糊自适应的运动控制算法、智能视觉传感器、机器人集群作业规划与调度系统、建筑机器人作业仿真系统，确保项目高效安全地运行[5]。随着基础数据的积累和研究，在未来发展过程中，可以根据建筑实际需求打造出多机协同作业的智能机器人，为建筑行业提供多方位的防护。

3.2.3 强化政策支撑，降低综合成本

绿色建筑、装配式建筑、智慧城市等政策已推行一段时间，各类政策相继出台，但针对建筑机器人的政策还相对较少，项目应用的推力仍然不足。推动建筑业向数字设计、智能施工、建筑机器人等方面转型，通过打造智能建造产业集群，催生一批新产业新业态新模式。一方面，需要通过政府出台更多系统性的引导文件和扶持政策，带动更多的房产项目试用建筑机器人，通过推广项目数量扩大应用范围，从而形成建筑机器人的集群效应，以此降低成本；另一方面，通过将建筑机器人、BIM 技术和装配式建造相结合的方式，对楼栋的施工工序进行综合有序地拆分和穿插，实现产业化、标准化、模块化的生产，促使综合成本降低，施工安全和质量进一步提升。这样，才能让智能建筑机器人朝着绿色化、自动化、网络化、精准化、互控化的方向发展。