高層建筑施工自動(dòng)化與機(jī)器人應(yīng)用的優(yōu)先發(fā)展方向與關(guān)鍵挑戰(zhàn)

清華大學(xué)土木工程系   蔡詩瑤   馬智亮

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

廣聯(lián)達(dá)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(shí)，隨著社會(huì)老齡化，現(xiàn)場施工的勞動(dòng)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(dòng)力的數(shù)量提出了更高的需求，同時(shí)，大量的高空作業(yè)也帶來了更多的安全隱患。實(shí)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(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，降低勞動(dòng)力成本、減輕施工勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)，而利用自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)替代人工勞動(dòng)力則是一個(gè)可行的方向。

自20世紀(jì)80年代以來，建筑施工領(lǐng)域出現(xiàn)了大量關(guān)于自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用的研究，且已有不少研究成果在實(shí)際項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證，或轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品。還有不少研究專門對機(jī)器人進(jìn)行人體工學(xué)分析、經(jīng)濟(jì)性分析、應(yīng)用障礙因素分析等，并建立了決策框架，希望以此推動(dòng)自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用落地。然而，經(jīng)過30多年的發(fā)展，自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用水平依然很低，且尚未形成有效的推廣機(jī)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(huì)，確定高層建筑施工自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)先發(fā)展方向與關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為該領(lǐng)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(zhǔn)備工作、開展過程和結(jié)果進(jìn)行了展示，然后對國際專家研討會(huì)的過程和結(jié)果進(jìn)行了說明與分析，并為未來研究和應(yīng)用提出了建議，最后進(jìn)行了總結(jié)。

研究方法

施工自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的直接參與方包括：研究人員、機(jī)器人或自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商（以下簡稱“機(jī)器人供應(yīng)商”）和施工單位。一般情況下，研究人員對知識(shí)和技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究；機(jī)器人供應(yīng)商根據(jù)研究成果生產(chǎn)和銷售機(jī)器人；施工單位應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際施工。三方的職責(zé)可能存在部分重疊。例如，機(jī)器人供應(yīng)商可獨(dú)立進(jìn)行研究，施工單位也可自行研發(fā)機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備。

因此，要確定高層建筑施工中自動(dòng)化與機(jī)器人的優(yōu)先發(fā)展方向與關(guān)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(shí)，應(yīng)考慮市場的需求和技術(shù)可行性。其中，市場需求可由具有豐富現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的施工專家進(jìn)行評價(jià)，技術(shù)可行性可由研究人員和機(jī)器人供應(yīng)商進(jìn)行判斷。而確定關(guān)鍵挑戰(zhàn)時(shí)，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(xiàn)調(diào)研和頭腦風(fēng)暴，初步形成了需求和影響因素的列表，接著對施工單位進(jìn)行問卷調(diào)研，由施工單位的專家對其進(jìn)行打分，從實(shí)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(huì)，由各方進(jìn)行共同討論。

圖 1   研究方法

高層建筑施工自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)應(yīng)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(xiàn)調(diào)研和頭腦風(fēng)暴初步確定需求和影響因素。根據(jù)《建設(shè)工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50840-2013），建筑工程可分為地基與基礎(chǔ)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(shí)，我們根據(jù)高層建筑的施工特點(diǎn)，并參考現(xiàn)有的施工自動(dòng)化與機(jī)器人方面的文獻(xiàn)綜述，分別針對每類工程進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，提出可能的需求。在對影響因素進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研時(shí)，檢索的主題不僅限于施工自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)，還包括BIM等其他信息技術(shù)在施工中的應(yīng)用，因?yàn)檫@些技術(shù)在應(yīng)用時(shí)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(jìn)行討論。

（二）需求與影響因素的評價(jià)

本研究通過網(wǎng)絡(luò)問卷的方式進(jìn)行調(diào)研。問卷包括四個(gè)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(jià)各個(gè)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?yàn)檫@些企業(yè)擁有更豐富的資源，是自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)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(huì)和中國土木工程學(xué)會(huì)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(gè)月中，共發(fā)出問卷795份，獲得有效問卷108份，回復(fù)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(wù)和工作年限表明他們普遍具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，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(chǔ)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(yīng)用BIM的經(jīng)驗(yàn)，其中相當(dāng)一部分還應(yīng)用過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能，以及自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)，體現(xiàn)了這些企業(yè)對新技術(shù)應(yīng)用的積極態(tài)度。根據(jù)上述分析，可以認(rèn)為參與本次調(diào)查的企業(yè)是國內(nèi)施工自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)未來應(yīng)用的潛在用戶。值得注意的是，雖然有90.7％的受訪者認(rèn)為有必要在高層建筑施工中應(yīng)用自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)，但只有18.5％的企業(yè)對此有明確的計(jì)劃。

需求和影響因素的評價(jià)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(biāo)出。

表1 初步確定的需求及問卷調(diào)研的評價(jià)結(jié)果

表2 初步確定的影響因素及問卷調(diào)研的評價(jià)結(jié)果

表3 受訪者個(gè)人及所在企業(yè)的信息

優(yōu)先發(fā)展方向與關(guān)鍵挑戰(zhàn)

為確定優(yōu)先發(fā)展方向與關(guān)鍵挑戰(zhàn)，我們在2018年11月舉辦了國際專家研討會(huì)。會(huì)議邀請了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的13名頂級專家參與，其中包括7名大學(xué)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(shè)工程軟件服務(wù)商的專家、1名來自國內(nèi)機(jī)器人供應(yīng)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(jìn)行討論。研討會(huì)的前30分鐘，由每位專家獨(dú)立列出高層建筑施工自動(dòng)化與機(jī)器人應(yīng)用的3個(gè)優(yōu)先發(fā)展方向和3個(gè)關(guān)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(jìn)行共同討論。最后，專家們進(jìn)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(guān)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(guān)鍵挑戰(zhàn)

兩組共提出了6個(gè)優(yōu)先發(fā)展方向和4項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。英文組的前兩個(gè)優(yōu)先發(fā)展方向與安全相關(guān)，分別是“高空作業(yè)安全保護(hù)”和“機(jī)械與設(shè)備安全監(jiān)測”，第三是“鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)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(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人進(jìn)行加工的，但仍有部分操作需要在現(xiàn)場進(jìn)行，特別是一些復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)或構(gòu)件的焊接等。如何將工廠化的鋼結(jié)構(gòu)機(jī)器人應(yīng)用到施工現(xiàn)場，將是研究人員和機(jī)器人供應(yīng)商未來的重要研究方向之一?！邦A(yù)制構(gòu)件安裝”排在中文組第一位，這與我國大力推動(dòng)的裝配式建筑發(fā)展的政策密切相關(guān)。另外，由于裝配式構(gòu)件具有標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，更適合機(jī)器人進(jìn)行處理。中文組的第二個(gè)優(yōu)先發(fā)展方向是“外立面建造及維護(hù)”，這是施工自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)發(fā)展30多年來始終熱門的研究課題，該領(lǐng)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(wù)重、重復(fù)性高，機(jī)器人不僅可以節(jié)省勞動(dòng)力，還可以通過統(tǒng)計(jì)和采樣的方法減少工作量。此外，利用機(jī)器人能避免數(shù)據(jù)造假，且能夠前往工人難以進(jìn)入的狹窄或危險(xiǎn)的地方進(jìn)行檢查。

在關(guān)鍵挑戰(zhàn)方面，排在英文組第一位的是“技術(shù)應(yīng)用帶來效益的不確定性”，這是大多數(shù)新技術(shù)推廣時(shí)面臨的典型問題。“技術(shù)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(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域已有大量研究成果，但只有少數(shù)成熟技術(shù)可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。面對上述兩項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，需要在實(shí)際應(yīng)用之前進(jìn)行更多的測試和示范工程驗(yàn)證，并從小規(guī)模的簡單應(yīng)用開始，逐步復(fù)雜化并擴(kuò)大應(yīng)用范圍。英文組和中文組的第三項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)均為“現(xiàn)有施工模式不符合機(jī)器人應(yīng)用的需求”，即現(xiàn)有的設(shè)計(jì)過程、施工方法和施工組織中沒有考慮到應(yīng)用自動(dòng)化與機(jī)器人的需要。針對這一挑戰(zhàn)，需要對設(shè)計(jì)階段和施工階段進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工一體化，以便在集成化、標(biāo)準(zhǔn)化框架下進(jìn)行機(jī)器人的開發(fā)。中文組排名第二的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是“缺乏關(guān)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(jī)器人技術(shù)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(jī)制，使研究人員和機(jī)器人供應(yīng)商能夠真正掌握行業(yè)需求，開發(fā)出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)和產(chǎn)品。

結(jié)論

自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)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(yīng)用水平依然較低。為此，本研究針對高層建筑施工中的自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)行了問卷調(diào)研，組織開展了國際專家研討會(huì)，討論和分析了優(yōu)先發(fā)展方向與關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并提出了相應(yīng)的建議。其中，優(yōu)先發(fā)展方向包括高空作業(yè)安全保護(hù)、機(jī)械與設(shè)備安全監(jiān)測、鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)操作（如涂裝、焊接等）、預(yù)制構(gòu)件安裝、外立面建造及維護(hù)，以及施工質(zhì)量檢測；關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括技術(shù)成熟度不足、現(xiàn)有施工模式不符合機(jī)器人應(yīng)用的需求、技術(shù)應(yīng)用帶來經(jīng)濟(jì)效益的不確定性，以及缺乏關(guān)于用戶需求的數(shù)據(jù)及分析。本文為研究人員、機(jī)器人供應(yīng)商和施工單位在高層建筑施工中進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)提供了參考。

致謝

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