高層建筑施工自動化與機器人應用的優(yōu)先發(fā)展方向與關鍵挑戰(zhàn)

清華大學土木工程系   蔡詩瑤   馬智亮

馬里蘭大學土木與環(huán)境工程系   Miroslaw J. Skibniewski

廣聯(lián)達科技股份有限公司   鮑松

生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣和安全事故多發(fā)是建筑施工中普遍存在的問題。同時，隨著社會老齡化，現(xiàn)場施工的勞動力成本也在迅速增長。近年來，高層建筑數(shù)量的快速增長，對施工勞動力的數(shù)量提出了更高的需求，同時，大量的高空作業(yè)也帶來了更多的安全隱患。實踐表明，傳統(tǒng)的施工方法已無法滿足建筑行業(yè)不斷增長的需求，通過應用先進技術，降低勞動力成本、減輕施工勞動強度、提升施工現(xiàn)場的安全水平，已成為國內(nèi)外建筑業(yè)普遍共識，而利用自動化與機器人技術替代人工勞動力則是一個可行的方向。

自20世紀80年代以來，建筑施工領域出現(xiàn)了大量關于自動化與機器人技術及其應用的研究，且已有不少研究成果在實際項目中得到了驗證，或轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品。還有不少研究專門對機器人進行人體工學分析、經(jīng)濟性分析、應用障礙因素分析等，并建立了決策框架，希望以此推動自動化與機器人技術的應用落地。然而，經(jīng)過30多年的發(fā)展，自動化與機器人技術在實際工程中的應用水平依然很低，且尚未形成有效的推廣機制。

針對上述問題，本文旨在通過問卷調(diào)研和國際專家研討會，確定高層建筑施工自動化與機器人技術應用的優(yōu)先發(fā)展方向與關鍵挑戰(zhàn)，為該領域未來的發(fā)展提供參考。下文首先介紹了研究方法，接著對問卷調(diào)研的前期準備工作、開展過程和結(jié)果進行了展示，然后對國際專家研討會的過程和結(jié)果進行了說明與分析，并為未來研究和應用提出了建議，最后進行了總結(jié)。

研究方法

施工自動化與機器人技術應用的直接參與方包括：研究人員、機器人或自動化設備供應商（以下簡稱“機器人供應商”）和施工單位。一般情況下，研究人員對知識和技術進行基礎性研究；機器人供應商根據(jù)研究成果生產(chǎn)和銷售機器人；施工單位應用機器人進行實際施工。三方的職責可能存在部分重疊。例如，機器人供應商可獨立進行研究，施工單位也可自行研發(fā)機器人和自動化設備。

因此，要確定高層建筑施工中自動化與機器人的優(yōu)先發(fā)展方向與關鍵挑戰(zhàn)，需要三方的共同參與和共同努力。確定優(yōu)先發(fā)展方向時，應考慮市場的需求和技術可行性。其中，市場需求可由具有豐富現(xiàn)場經(jīng)驗的施工專家進行評價，技術可行性可由研究人員和機器人供應商進行判斷。而確定關鍵挑戰(zhàn)時，由于三方各自受到不同影響因素的制約，需要三方共同交流。

根據(jù)上述分析，本研究采用了圖1所示的研究方法，首先通過文獻調(diào)研和頭腦風暴，初步形成了需求和影響因素的列表，接著對施工單位進行問卷調(diào)研，由施工單位的專家對其進行打分，從實際施工的角度全面了解需求和影響因素，然后開展國際專家研討會，由各方進行共同討論。

圖 1   研究方法

高層建筑施工自動化與機器人技術應用的需求與影響因素

（一）需求與影響因素的初步確定

在問卷調(diào)研前，首先通過文獻調(diào)研和頭腦風暴初步確定需求和影響因素。根據(jù)《建設工程分類標準》（GB/T 50840-2013），建筑工程可分為地基與基礎工程、主體結(jié)構(gòu)工程、建筑裝飾裝修工程等。在確定需求時，我們根據(jù)高層建筑的施工特點，并參考現(xiàn)有的施工自動化與機器人方面的文獻綜述，分別針對每類工程進行頭腦風暴，提出可能的需求。在對影響因素進行文獻調(diào)研時，檢索的主題不僅限于施工自動化與機器人技術，還包括BIM等其他信息技術在施工中的應用，因為這些技術在應用時往往受到類似因素的影響。表1和表2分別是初步確定的需求和影響因素。其中，平均值和排名是后續(xù)問卷調(diào)研的結(jié)果，將在后文進行討論。

（二）需求與影響因素的評價

本研究通過網(wǎng)絡問卷的方式進行調(diào)研。問卷包括四個部分：第一部分介紹了研究目的，以及研究人員的聯(lián)系方式；第二部分是受訪者及其所在企業(yè)的基本信息；第三和第四部分分別列出了初步確定的需求和影響因素，并采用李克特五級量表，請受訪者評價各個需求和影響因素的重要性（用1—5表示，1表示非常不重要，5表示非常重要）。

本次調(diào)研主要面向國內(nèi)高水平施工單位，因為這些企業(yè)擁有更豐富的資源，是自動化與機器人技術的應用的潛在對象。問卷發(fā)放采用電子郵件和短信的方式，發(fā)放對象為中國建筑業(yè)協(xié)會和中國土木工程學會專家數(shù)據(jù)庫中的專家。問卷調(diào)研從2018年6月開始，至8月結(jié)束，在三個月中，共發(fā)出問卷795份，獲得有效問卷108份，回復率為13.6％。

受訪者及其所在企業(yè)的基本信息如表3所示。受訪者的職務和工作年限表明他們普遍具有豐富的施工經(jīng)驗，且他們的意見能在一定程度上影響所在企業(yè)的未來發(fā)展決策。受訪者所在企業(yè)的規(guī)模覆蓋了大、中、小型企業(yè)（小14.8％，中42.6％，大42.6％），且分布在全國各地（華東37.0％，華北26.9％，華南15.7％，華中7.4％，東北5.6％，西北3.7％，西南3.7％）。大多數(shù)企業(yè)具有施工總承包（92.6％）、鋼結(jié)構(gòu)工程專業(yè)承包（69.4％）、地基基礎工程專業(yè)（63.0％）、裝飾裝修工程專業(yè)承包（67.6％）的特級或一級資質(zhì)，體現(xiàn)了較高的專業(yè)水平。另外，94.4％的企業(yè)有應用BIM的經(jīng)驗，其中相當一部分還應用過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能，以及自動化與機器人技術，體現(xiàn)了這些企業(yè)對新技術應用的積極態(tài)度。根據(jù)上述分析，可以認為參與本次調(diào)查的企業(yè)是國內(nèi)施工自動化與機器人技術未來應用的潛在用戶。值得注意的是，雖然有90.7％的受訪者認為有必要在高層建筑施工中應用自動化與機器人技術，但只有18.5％的企業(yè)對此有明確的計劃。

需求和影響因素的評價結(jié)果如表1和表2所示。需求的平均得分范圍為3.15—4.36，影響因素的平均得分范圍為3.30—4.41。排名前10的需求和影響因素用星號（*）標出。

表1 初步確定的需求及問卷調(diào)研的評價結(jié)果

表2 初步確定的影響因素及問卷調(diào)研的評價結(jié)果

表3 受訪者個人及所在企業(yè)的信息

優(yōu)先發(fā)展方向與關鍵挑戰(zhàn)

為確定優(yōu)先發(fā)展方向與關鍵挑戰(zhàn)，我們在2018年11月舉辦了國際專家研討會。會議邀請了國內(nèi)外相關領域的13名頂級專家參與，其中包括7名大學教授（中國2名、美國2名、德國1名、日本1名、加拿大1名）、6名工業(yè)界專家（3位來自國內(nèi)施工單位的高級工程師、2名來自國內(nèi)建設工程軟件服務商的專家、1名來自國內(nèi)機器人供應商的副總裁）。

為了確保高效的討論和交流，13名專家分為中、英文兩組（其中中文組8人、英文組5人）分別進行討論。研討會的前30分鐘，由每位專家獨立列出高層建筑施工自動化與機器人應用的3個優(yōu)先發(fā)展方向和3個關鍵挑戰(zhàn)，可參考但不限于問卷調(diào)查所得的十大需求和十大影響因素。在接下來的60分鐘內(nèi)，每位專家逐一介紹自己列出的內(nèi)容，并由所有專家進行共同討論。最后，專家們進行了60分鐘的集體討論，并根據(jù)討論結(jié)果形成優(yōu)先發(fā)展方向列表和關鍵挑戰(zhàn)列表，結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)先發(fā)展方向與關鍵挑戰(zhàn)

兩組共提出了6個優(yōu)先發(fā)展方向和4項關鍵挑戰(zhàn)。英文組的前兩個優(yōu)先發(fā)展方向與安全相關，分別是“高空作業(yè)安全保護”和“機械與設備安全監(jiān)測”，第三是“鋼結(jié)構(gòu)相關操作（涂裝、焊接等）”。目前，大量的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品都是在工廠中利用自動化設備和機器人進行加工的，但仍有部分操作需要在現(xiàn)場進行，特別是一些復雜的節(jié)點或構(gòu)件的焊接等。如何將工廠化的鋼結(jié)構(gòu)機器人應用到施工現(xiàn)場，將是研究人員和機器人供應商未來的重要研究方向之一?！邦A制構(gòu)件安裝”排在中文組第一位，這與我國大力推動的裝配式建筑發(fā)展的政策密切相關。另外，由于裝配式構(gòu)件具有標準化的特點，更適合機器人進行處理。中文組的第二個優(yōu)先發(fā)展方向是“外立面建造及維護”，這是施工自動化與機器人技術發(fā)展30多年來始終熱門的研究課題，該領域目前已有多種商業(yè)化產(chǎn)品，未來有望向更靈活、更安全的方向發(fā)展。第三是“施工質(zhì)量檢測”，由于質(zhì)量檢測任務重、重復性高，機器人不僅可以節(jié)省勞動力，還可以通過統(tǒng)計和采樣的方法減少工作量。此外，利用機器人能避免數(shù)據(jù)造假，且能夠前往工人難以進入的狹窄或危險的地方進行檢查。

在關鍵挑戰(zhàn)方面，排在英文組第一位的是“技術應用帶來效益的不確定性”，這是大多數(shù)新技術推廣時面臨的典型問題?！凹夹g成熟度不足”在英文組排名第二，在中文組排名第一。施工自動化與機器人技術領域已有大量研究成果，但只有少數(shù)成熟技術可以轉(zhuǎn)化為實際應用。面對上述兩項關鍵挑戰(zhàn)，需要在實際應用之前進行更多的測試和示范工程驗證，并從小規(guī)模的簡單應用開始，逐步復雜化并擴大應用范圍。英文組和中文組的第三項關鍵挑戰(zhàn)均為“現(xiàn)有施工模式不符合機器人應用的需求”，即現(xiàn)有的設計過程、施工方法和施工組織中沒有考慮到應用自動化與機器人的需要。針對這一挑戰(zhàn)，需要對設計階段和施工階段進行重新設計，實現(xiàn)設計施工一體化，以便在集成化、標準化框架下進行機器人的開發(fā)。中文組排名第二的關鍵挑戰(zhàn)是“缺乏關于用戶需求的數(shù)據(jù)和分析”，即由于各參與方之間的信息孤島，一些現(xiàn)有的機器人技術和產(chǎn)品并不完全符合用戶需求。因此，各方之間需要建立良好的溝通與合作機制，使研究人員和機器人供應商能夠真正掌握行業(yè)需求，開發(fā)出具有實際應用價值的技術和產(chǎn)品。

結(jié)論

自動化與機器人技術是建筑施工未來發(fā)展的重要方向，但目前施工現(xiàn)場的應用水平依然較低。為此，本研究針對高層建筑施工中的自動化與機器人技術應用，進行了問卷調(diào)研，組織開展了國際專家研討會，討論和分析了優(yōu)先發(fā)展方向與關鍵挑戰(zhàn)，并提出了相應的建議。其中，優(yōu)先發(fā)展方向包括高空作業(yè)安全保護、機械與設備安全監(jiān)測、鋼結(jié)構(gòu)相關操作（如涂裝、焊接等）、預制構(gòu)件安裝、外立面建造及維護，以及施工質(zhì)量檢測；關鍵挑戰(zhàn)包括技術成熟度不足、現(xiàn)有施工模式不符合機器人應用的需求、技術應用帶來經(jīng)濟效益的不確定性，以及缺乏關于用戶需求的數(shù)據(jù)及分析。本文為研究人員、機器人供應商和施工單位在高層建筑施工中進一步開發(fā)和應用自動化與機器人技術提供了參考。

致謝

本研究由清華大學（土水學院）-廣聯(lián)達科技股份有限公司建筑信息模型（BIM）聯(lián)合研究中心資助。