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高层建筑施工自动化与机器人应用的优先发展方向与关键挑战

2019-05-27 11:32:07

清华大学土木工程系   蔡诗瑶   马智亮

马里兰大学土木与环境工程系   Miroslaw J. Skibniewski

广联达科技股份有限公司  鲍松

 

生产效率低、工作环境恶劣和安全事故多发是建筑施工中普遍存在的问题。同时,随着社会老龄化,现场施工的劳动力成本也在迅速增长。近年来,高层建筑数量的快速增长,对施工劳动力的数量提出了更高的需求,同时,大量的高空作业也带来了更多的安全隐患。实践表明,传统的施工方法已无法满足建筑行业不断增长的需求,通过应用先进技术,降低劳动力成本、减轻施工劳动强度、提升施工现场的安全水平,已成为国内外建筑业普遍共识,而利用自动化与机器人技术替代人工劳动力则是一个可行的方向。

自20世纪80年代以来,建筑施工领域出现了大量关于自动化与机器人技术及其应用的研究,且已有不少研究成果在实际项目中得到了验证,或转化为商业产品。还有不少研究专门对机器人进行人体工学分析、经济性分析、应用障碍因素分析等,并建立了决策框架,希望以此推动自动化与机器人技术的应用落地。然而,经过30多年的发展,自动化与机器人技术在实际工程中的应用水平依然很低,且尚未形成有效的推广机制。

针对上述问题,本文旨在通过问卷调研和国际专家研讨会,确定高层建筑施工自动化与机器人技术应用的优先发展方向与关键挑战,为该领域未来的发展提供参考。下文首先介绍了研究方法,接着对问卷调研的前期准备工作、开展过程和结果进行了展示,然后对国际专家研讨会的过程和结果进行了说明与分析,并为未来研究和应用提出了建议,最后进行了总结。

研究方法

施工自动化与机器人技术应用的直接参与方包括:研究人员、机器人或自动化设备供应商(以下简称“机器人供应商”)和施工单位。一般情况下,研究人员对知识和技术进行基础性研究;机器人供应商根据研究成果生产和销售机器人;施工单位应用机器人进行实际施工。三方的职责可能存在部分重叠。例如,机器人供应商可独立进行研究,施工单位也可自行研发机器人和自动化设备。

因此,要确定高层建筑施工中自动化与机器人的优先发展方向与关键挑战,需要三方的共同参与和共同努力。确定优先发展方向时,应考虑市场的需求和技术可行性。其中,市场需求可由具有丰富现场经验的施工专家进行评价,技术可行性可由研究人员和机器人供应商进行判断。而确定关键挑战时,由于三方各自受到不同影响因素的制约,需要三方共同交流。

根据上述分析,本研究采用了图1所示的研究方法,首先通过文献调研和头脑风暴,初步形成了需求和影响因素的列表,接着对施工单位进行问卷调研,由施工单位的专家对其进行打分,从实际施工的角度全面了解需求和影响因素,然后开展国际专家研讨会,由各方进行共同讨论。

图 1  研究方法

 

高层建筑施工自动化与机器人技术应用的需求与影响因素

(一)需求与影响因素的初步确定

在问卷调研前,首先通过文献调研和头脑风暴初步确定需求和影响因素。根据《建设工程分类标准》(GB/T 50840-2013),建筑工程可分为地基与基础工程、主体结构工程、建筑装饰装修工程等。在确定需求时,我们根据高层建筑的施工特点,并参考现有的施工自动化与机器人方面的文献综述,分别针对每类工程进行头脑风暴,提出可能的需求。在对影响因素进行文献调研时,检索的主题不仅限于施工自动化与机器人技术,还包括BIM等其他信息技术在施工中的应用,因为这些技术在应用时往往受到类似因素的影响。表1和表2分别是初步确定的需求和影响因素。其中,平均值和排名是后续问卷调研的结果,将在后文进行讨论。

(二)需求与影响因素的评价

本研究通过网络问卷的方式进行调研。问卷包括四个部分:第一部分介绍了研究目的,以及研究人员的联系方式;第二部分是受访者及其所在企业的基本信息;第三和第四部分分别列出了初步确定的需求和影响因素,并采用李克特五级量表,请受访者评价各个需求和影响因素的重要性(用1—5表示,1表示非常不重要,5表示非常重要)。

本次调研主要面向国内高水平施工单位,因为这些企业拥有更丰富的资源,是自动化与机器人技术的应用的潜在对象。问卷发放采用电子邮件和短信的方式,发放对象为中国建筑业协会和中国土木工程学会专家数据库中的专家。问卷调研从2018年6月开始,至8月结束,在三个月中,共发出问卷795份,获得有效问卷108份,回复率为13.6%。

受访者及其所在企业的基本信息如表3所示。受访者的职务和工作年限表明他们普遍具有丰富的施工经验,且他们的意见能在一定程度上影响所在企业的未来发展决策。受访者所在企业的规模覆盖了大、中、小型企业(小14.8%,中42.6%,大42.6%),且分布在全国各地(华东37.0%,华北26.9%,华南15.7%,华中7.4%,东北5.6%,西北3.7%,西南3.7%)。大多数企业具有施工总承包(92.6%)、钢结构工程专业承包(69.4%)、地基基础工程专业(63.0%)、装饰装修工程专业承包(67.6%)的特级或一级资质,体现了较高的专业水平。另外,94.4%的企业有应用BIM的经验,其中相当一部分还应用过物联网、大数据、人工智能,以及自动化与机器人技术,体现了这些企业对新技术应用的积极态度。根据上述分析,可以认为参与本次调查的企业是国内施工自动化与机器人技术未来应用的潜在用户。值得注意的是,虽然有90.7%的受访者认为有必要在高层建筑施工中应用自动化与机器人技术,但只有18.5%的企业对此有明确的计划。

需求和影响因素的评价结果如表1和表2所示。需求的平均得分范围为3.15—4.36,影响因素的平均得分范围为3.30—4.41。排名前10的需求和影响因素用星号(*)标出。

需求

平均值

排名

需求

平均值

排名

1. 土方挖掘

3.26

18

*11. 外墙涂饰

3.67

9

2. 物料及设备的水平运输

3.54

12

12. 地面铺砖

3.53

14

*3. 物料及设备的垂直运输

3.85

5

13. 混凝土表面处理

3.54

13

*4. 钢结构焊接

4.36

1

14. 吊顶安装

3.25

19

*5. 钢结构安装

3.67

9

15. 轻质隔墙安装

3.29

17

*6. 钢结构涂装

3.98

3

16. 门窗安装

3.15

20

*7. 钢结构内力与变形监测

4.29

2

17. 原材料质量检测

3.52

15

*8. 预制构件安装

3.81

6

*18. 施工质量检测

3.78

7

9. 幕墙安装

3.65

11

*19. 机械与设备安全监测

3.74

8

10. 外墙饰面板(砖)安装

3.45

16

*20. 高空作业安全保护

3.89

4

表1 初步确定的需求及问卷调研的评价结果

 

影响因素

平均值

排名

影响因素

平均值

排名

*1. 施工人力成本

3.82

9

11. 对项目工期的政策要求

3.69

18

*2. 施工自动化与机器人技术应用的初始投资成本

4.41

1

12. 对施工造成的环境影响的政策要求

3.61

20

*3. 施工自动化与机器人技术应用带来经济效益的不确定性

3.94

4

13. 新技术应用、劳工流动等方面的国际开放程度

3.30

21

*4. 技术发展的成熟度是否得到验证并具有易用性

4.19

2

*14. 政府对相关技术科研创新的支持

3.87

7

*15. 政府对相关技术在施工中应用的支持

3.91

6

5. 新技术技能培训的成熟度

3.65

19

16. 社会创新意识

3.78

12

6. 新技术对传统施工方式的适应性

3.71

16

17. 社会环境保护意识

3.80

11

7. 建筑业对新技术的关注度和认可程度

3.73

13

*18.  社会对工人健康和安全的关注程度

3.86

8

8. 施工企业的自主研发能力

3.70

17

*19. 工人年龄结构与受教育程度

3.82

9

*9. 其他相关信息技术(BIM、物联网等)的应用水平

3.95

3

20. 装配式建筑的发展情况

3.72

14

10. 政府劳务政策

3.71

15

*21. 施工现场的管理水平

3.94

4

 

表2 初步确定的影响因素及问卷调研的评价结果

 

受访者

N

%

所在企业

N

%

职务

 

 

企业规模 (员工人数)

总工程师/副总工程师

53

49.1

小型企业(<600 人)

16

14.8

总经理/副总经理

12

11.1

中型企业 (600-3000 人)

46

42.6

技术负责人

31

28.7

大型企业(>3000 人)

46

42.6

其他

12

11.1

 

工作年限

 

 

曾在项目中应用过以下技术

< 5 年

6

5.6

BIM

102

94.4

5-10 年

14

13.0

物联网

43

39.8

11-15 年

7

6.5

大数据

34

31.5

16-20 年

11

10.2

人工智能

26

24.1

21-25 年

23

21.3

自动化与机器人

26

24.1

> 25 年

47

43.5

 

 

 

认为高层建筑施工中有必要应用自动化与机器人技术

98

90.7

有关于自动化与机器人技术应用的明确计划

20

  18.5

表3 受访者个人及所在企业的信息

 

优先发展方向与关键挑战

为确定优先发展方向与关键挑战,我们在2018年11月举办了国际专家研讨会。会议邀请了国内外相关领域的13名顶级专家参与,其中包括7名大学教授(中国2名、美国2名、德国1名、日本1名、加拿大1名)、6名工业界专家(3位来自国内施工单位的高级工程师、2名来自国内建设工程软件服务商的专家、1名来自国内机器人供应商的副总裁)。

为了确保高效的讨论和交流,13名专家分为中、英文两组(其中中文组8人、英文组5人)分别进行讨论。研讨会的前30分钟,由每位专家独立列出高层建筑施工自动化与机器人应用的3个优先发展方向和3个关键挑战,可参考但不限于问卷调查所得的十大需求和十大影响因素。在接下来的60分钟内,每位专家逐一介绍自己列出的内容,并由所有专家进行共同讨论。最后,专家们进行了60分钟的集体讨论,并根据讨论结果形成优先发展方向列表和关键挑战列表,结果如表4所示。

排名

优先发展方向 (英文组)

优先发展方向 (中文组)

关键挑战(英文组)

关键挑战(中文组)

1

高空作业安全保护

预制构件安装

技术应用带来经济效益的不确定性

技术成熟度不足

2

机械与设备安全监测

外立面建造及维护

技术成熟度不足

缺乏关于用户需求的数据及分析

3

钢结构相关操作,如涂装、焊接等

施工质量检测

现有施工模式不符合机器人应用的需求

现有施工模式不符合机器人应用的需求

表4 优先发展方向与关键挑战

 

两组共提出了6个优先发展方向和4项关键挑战。英文组的前两个优先发展方向与安全相关,分别是“高空作业安全保护”和“机械与设备安全监测”,第三是“钢结构相关操作(涂装、焊接等)”。目前,大量的钢结构产品都是在工厂中利用自动化设备和机器人进行加工的,但仍有部分操作需要在现场进行,特别是一些复杂的节点或构件的焊接等。如何将工厂化的钢结构机器人应用到施工现场,将是研究人员和机器人供应商未来的重要研究方向之一。“预制构件安装”排在中文组第一位,这与我国大力推动的装配式建筑发展的政策密切相关。另外,由于装配式构件具有标准化的特点,更适合机器人进行处理。中文组的第二个优先发展方向是“外立面建造及维护”,这是施工自动化与机器人技术发展30多年来始终热门的研究课题,该领域目前已有多种商业化产品,未来有望向更灵活、更安全的方向发展。第三是“施工质量检测”,由于质量检测任务重、重复性高,机器人不仅可以节省劳动力,还可以通过统计和采样的方法减少工作量。此外,利用机器人能避免数据造假,且能够前往工人难以进入的狭窄或危险的地方进行检查。

在关键挑战方面,排在英文组第一位的是“技术应用带来效益的不确定性”,这是大多数新技术推广时面临的典型问题。“技术成熟度不足”在英文组排名第二,在中文组排名第一。施工自动化与机器人技术领域已有大量研究成果,但只有少数成熟技术可以转化为实际应用。面对上述两项关键挑战,需要在实际应用之前进行更多的测试和示范工程验证,并从小规模的简单应用开始,逐步复杂化并扩大应用范围。英文组和中文组的第三项关键挑战均为“现有施工模式不符合机器人应用的需求”,即现有的设计过程、施工方法和施工组织中没有考虑到应用自动化与机器人的需要。针对这一挑战,需要对设计阶段和施工阶段进行重新设计,实现设计施工一体化,以便在集成化、标准化框架下进行机器人的开发。中文组排名第二的关键挑战是“缺乏关于用户需求的数据和分析”,即由于各参与方之间的信息孤岛,一些现有的机器人技术和产品并不完全符合用户需求。因此,各方之间需要建立良好的沟通与合作机制,使研究人员和机器人供应商能够真正掌握行业​需求,开发出具有实际应用价值的技术和产品。

 

结论

自动化与机器人技术是建筑施工未来发展的重要方向,但目前施工现场的应用水平依然较低。为此,本研究针对高层建筑施工中的自动化与机器人技术应用,进行了问卷调研,组织开展了国际专家研讨会,讨论和分析了优先发展方向与关键挑战,并提出了相应的建议。其中,优先发展方向包括高空作业安全保护、机械与设备安全监测、钢结构相关操作(如涂装、焊接等)、预制构件安装、外立面建造及维护,以及施工质量检测;关键挑战包括技术成熟度不足、现有施工模式不符合机器人应用的需求、技术应用带来经济效益的不确定性,以及缺乏关于用户需求的数据及分析。本文为研究人员、机器人供应商和施工单位在高层建筑施工中进一步开发和应用自动化与机器人技术提供了参考。

 

 

致谢

本研究由清华大学(土水学院)-广联达科技股份有限公司建筑信息模型(BIM)联合研究中心资助。

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