建筑行业机器人应用报告

  机器人在各个行业的应用看似已经十分平常,然而,对于和我们生活息息相关的建筑业而言,机器人技术仍然是新鲜事物。关于建筑和机器人,真相到底是什么?

一 、建筑业现状


    中国被称作建筑大国,拥有世界上最大的建筑市场。统计数据显示,2017年建筑业总产值21万亿,预计在2018年将超过美国,成为世界第一建筑大国,占据全球建筑业产值的19.1%。随着人工智能等技术发展,为建筑工业化及智能建造的发展提供了可能。建筑机器人是支撑智能建造的重要装备,然而作为支撑建筑产业未来的建筑机器人,并没有得到大家的充分关注。


    自1945年以来,制造业、零售业和农业的生产率增长了150%,但建筑业的生产率几乎没有增长。建筑行业是世界上数字化程度最低、自动化程度最低的行业之一。数据显示,40%的建筑公司仍然在工作中使用纸质计划,近50%的建筑专业人员手工准备和处理日常报告,只有18%的公司报告说他们一直使用移动应用程序来访问项目数据和协作,近60%的建筑公司没有研究任何新技术。


    在10年内,全面的数字化、自动化可以在设计、工程和建设阶段节省0.7-1.2万亿美元(13- 21%),在运营阶段节省0.3-0.5万亿美元(10-17%),人工智能和机器人有潜力到2035年将建筑业的利润提高71%。对建筑公司来说,机器人是一个有吸引力的解决方案,机器人将彻底改变建筑业。


二、建筑行业痛点


1.  劳动力短缺


    劳动力短缺一直是建筑公司面临的主要挑战,美国劳工统计局报告显示,过去12个月,美国建筑行业新增岗位达到33万个。即便建筑业有着数十万计的岗位空缺,而80%的建筑公司都找不到合适的工人。

美国劳动统计局数据:过去12个月建筑行业新增33万个新岗位


80%的建筑公司找不到合适的员工


    据了解,美国年轻建筑工人的比例从2005年到2016年下降了30%。56%的建筑商表示,他们受到熟练工人短缺的影响,仅2016年就有20万个建筑职位空缺。建筑行业的员工流动率达21.4%,在所有行业内比例最高。而平均每一个流失的员工将会给企业造成员工基本工资16%-20%的损失。极大的员工流失率,成为企业的沉重负担。建筑工人的短缺,建筑行业薪水的日益提升,并没有提升建筑工人的工作满意度,26%的建筑工人表示,他们对缺乏相应的工具感到沮丧,因为他们需要这些工具来更好地完成工作。


    目前,全世界有超过1.8亿人从事建筑业。2017年,该行业新增21万个就业岗位,比2016年增长35%。57%的承包商预计在未来6个月雇佣更多工人。


    建筑业作为中国的支柱产业,也正面临劳动力极其短缺的问题。2016年,中国建筑业从业人数5185.24万,仍无法满足日益增长的职位需求;而且,从事建筑业的年轻人占比例小,80后和90后各占比20.4%和10%,60后和70后分别占比27.3%和32.1%,年龄出现断层。


2.  施工安全性差


    建筑工作是一项危险的陆上工作。我们通常所指的建筑类工作通常包括建造房屋、道路、树木堡垒、工作场所以及维修和保养基础设施。这些工作包括许多危险的任务和相对恶劣的条件,如工作的高度,噪音,灰尘、毒害、辐射、电动工具和设备等。建筑业最常见的死亡原因有四种:高空坠落、被物体击中、触电以及被夹在两个物体之间。在过去的几年里,发展中国家和不发达国家的建筑工作一直在增加。随着这类工作的增加,职业死亡人数也在增加。


    不可否认,建筑业是一个危险的行业。在美国25个最危险的工作中,有9个来自于建筑业,(屋顶工、工地监工、设备操作员、暖通技术人员,以及其他建筑工作都在名单之列)。在美国,建筑业仅占工人总数的6%,但却占与工作场所相关死亡人数的21%;2015年美国建筑工人的死亡人数比2012年增加了16%。


    在英国,建筑行业造成了31%的工作死亡和10%的重大工伤。在南非,建筑工地每年造成150人死亡,大约400人受伤。在巴西,所有职业死亡的发生率为每10万人3.6人。

各个国家建筑施工死亡率


    国内建筑行业与美国以及世界其他国家一样,面临安全事故高发的态势。7月30日,国务院安全生产委员会办公室关于“2018年上半年全国建筑业安全生产形势”的通报指出,全国事故总量持续保持在高位,上半年全国建筑业共发生生产安全事故1732起、死亡1752人,同比分别上升7.8%和1.4%,事故总量已连续9年排在工矿商贸事故第一位,事故起数和死亡人数自2016年起连续“双上升”,高处坠落和坍塌是事故主要类型。在一般事故中,高处坠落事故占全部事故总数的48.2%,在较大事故中,坍塌事故起数占总数的45.1%,其余分别为高处坠落、中毒窒息、物体打击等。

       

       由此可见,由建筑行业特性决定的施工安全性差,是一个世界性的难题和痛点。机器人可以接管一些更危险的任务,并允许人类工人完成更多的认知任务,从而改善建筑环境中的工人安全。在一个10万亿美元的行业中,即使是运营成本上的微小差异也可能意味着巨大的节省。更少的工作场所事故意味着更低的运营成本,从长远来看,这可以为建筑公司节省很多成本。


3.  劳动生产率低


     建筑业是一个价值10万亿美元的全球产业,但却饱受低效之苦,只有11%的承包商认为工地非常高效。平均来看,98%的大型建设项目超出预算,基础设施生产率的提高每年可以节省1.63万亿美元。

过去20年,美国建筑业平均年生产率增加仅仅只有1%


    建筑行业劳动生产率低,主要表现在以下几个方面:

    一是建筑物流方面的问题对劳动生产率产生50%及以上的影响;二是建筑设计返工多,在建筑和工程产品的全部返工经验中,高达70%是由设计引起的返工;三是项目数据不准确和沟通失误,52%的返工是由于项目数据不准确和沟通不畅造成的,30.9%的建造业专业人士表示,沟通不畅的首要原因是对问题/要求反应迟钝。35%的建筑专业人员(每周超过14小时)的时间都花在了非生产性活动上,包括寻找项目信息、解决冲突、处理错误和返工。这意味着,仅在美国,2018年就有313亿美元的返工将由糟糕的项目数据和沟通失误造成;四是劳动生产率因个体和场地不同差异巨大,数据显示,两组工人在同一地点、同一时间从事相同工作的生产率差异为50%。而在不同的生产地点,生产率差异为500%。


    总的来说,仅在2018年,非最优活动就将使美国建筑业付出超过1770亿美元的劳动力成本。


三、建筑领域自动化的难点


    尽管自动化的运用,将大大提高建筑领域的劳动生产率以及为其节约大量成本。但机器人在建筑领域的应用,仍面临一些难点。


    在工厂等受控环境中,机器人可以出色地执行重复性任务。通过将机器人纳入预制构件的大规模制造,可显著提升生产效率。然而,建筑工地远非一个可控的环境。机器人要想盈利和生产,它们需要能够适应环境中的实时变化,而几乎不需要编程。而现实情况是,大多数情况下机器人很难适应和改变环境。


    同时,在建筑工地上,各种任务同时进行,这些任务与分配给每个任务的资源是相互联系的。建筑场地具有很强的动态性,任务和周围环境都容易发生系统的变化,建筑活动的执行者常常被障碍物、不平的表面、设备等包围。建筑施工场所的非结构化特性使得它们不能适应机器人的移动。


    为了让机器人能在建筑工地上充分发挥作用,它们必须具有便携性、四处移动的能力、“感知”周围环境的能力,以及处理接收到的数据或信息的能力。不仅如此,机器人还应该能够处理笨重或沉重的负载,如横梁或预制板(可重达数吨),他们还应该能够处理易碎的材料,如瓷砖、配件或玻璃等。


四、建筑机器人的应用领域及种类


    一些机器人正在承担这些具有历史挑战性的任务。建筑机器人的开发应用始于20世纪80年代,以日本最为领先。韩国、美国、德国、西班牙等的建筑机器人发展迅速。而且目前对于极限环境下的智能建造(NASA)也越来越被重视。


    建筑机器人应用主要在四个方面:设计、建造、破拆、运维。设计方面,主要指Autodesk,目前一直在筹划如何让机器人来代替CAD,成为设计师的合作伙伴,而不是单纯满足于成为设计师的辅助工具。目前建筑市场上的设计工具很少,一定程度上仍无法满足现代建筑设计的需求;建造方面是建筑机器人需求量最大的一部分,也是目前开展机器人应用较多的环节,机器人建造分为工厂和现场两个领域,现场建造仍是机器人应用的难点。运维方面是建筑机器人的持久性应用领域,涉及到管道检测、安防、清洁、管理等众多运行维护的场合。破拆方面是除了爆破以外,未来大型建筑的破拆、资源再利用将是未来巨量建筑的一个难题,机器人将派上用场。


    如今,建筑机器人已经初步发展成了包括测绘机器人、砌墙机器人、预制板机器人、施工机器人、钢梁焊接机器人、混凝土喷射机器人、施工防护机器人、地面铺设机器人、装修机器人、清洗机器人、隧道挖掘机器人、拆除机器人、巡检机器人等在内的庞大家族。


五、代表性机器人技术应用及项目


1. 砌墙机器人


    前段时间美国公司推出了一款名为“半自动梅森”(SAM100)的砌砖机器人,每天可砌砖3000块(国内的一个工人一般每天只有250—300块砖)。澳大利亚诞生世界上第一台全自动商用建筑机器人Hadrian X,它每小时的铺砖量达到了惊人的1000块,可7×24小时工作,但售价同时也高达200万美元。Hadrian X不再采用传统水泥,而是建筑胶来粘合砖块,从而大大提升建筑的速度、强度,并可强化结构的最终热效应。Hadrian X可处理不同尺寸的砖块,可切可割,可琢可磨。

由Construction Robotics公司开发的SAM 100声称是世界上第一台用于现场砌筑的商用机器人


此外,由Fast Brick Robotics开发的Hadrian X还可以3D打印和砌砖,在短短两天内完成一座传统砖房的上部结构。


2. 3D打印建筑机器人


    3D打印机器人是目前建筑行业最先进的自动化应用之一。它能够按照不同的环境和材料来搭建建筑结构。3d打印机器人通过一个移动机械臂打印出整个结构安全的建筑,该机械臂通过数字预先编程和指令,在接收指令后开始按照设定的样式和程序打印建筑。这种3D打印机器人技术,也带来了建筑材料的创新。“半自动梅森”和Hadrian X使用的都是传统方形砖,但建筑行业和机器人研发机构显然对这种建筑材料并不满意,美国麻省理工学院的研究团队开发了一个全新的数字建设机台,可利用3D打印技术“打印”建筑,该机器人使用的建筑材料是泡沫和混凝土的混合物,壁与壁之间留有空隙,可嵌入线路及管道。


麻省理工学院研发的数字建设机台。这款产品最底部的装置就像装有坦克履带的探测车一样,上面有两只机械手臂,手臂的末端还装有喷嘴。


    中国公司WinSun将3D打印机与机械臂结合在一起。机械臂控制3D打印机的运动,使其能够立即创建大型结构。该公司声称,他们的机器人3D打印设备在一天内就制造了10个单层住宅。


3. 无人机


    Komatsu小松已经建立了一个多用途无人机和推土机自动化系统。无人机在建筑工地上空飞行,监控交付、库存和整体进度。此外,无人驾驶飞机还可以创建建筑工地的3D地图,然后将这些地图传送给无人驾驶推土机——这些信息可以在不需要司机的情况下直接指挥推土机。


    大疆研发的幻影4无人机,将厘米级导航和定位与高性能成像系统相结合,以提高测量效率和准确性,降低操作难度和成本,可以作为测量,测绘或检测操作的工具。


    Flyability公司研发的无人机,专门针对如核电站、矿洞、油井等人类难以企及的领域的检测。


4. 建筑拆除机器人


    建筑拆除机器人是另一种即将进入主流应用领域的建筑机器人。虽然他们比拆迁人员慢,但在生命周期结束时拆除建筑物的混凝土和结构部件时,他们要安全得多,也便宜得多。


    Husqvarna DXR系列遥控拆除机器人是最新的拆除机械,具有功率大、重量轻、功能设计等特点。

工人可以远程操作Husqvarna DXR拆迁机器人,而不需要进入危险的拆迁场地中


    美国Brokk公司从事拆除机器人生产研发40余年,其Brokk系列17台拆除机器人,可以适应不同场景和环境的建筑拆除需求。

Brokk最新款拆除机器人


5. 施工场地的自动“漫游者”


    配备了高清摄像头和传感器的自动漫游者,它们可以在工地周围导航,是能够识别和避免障碍物的机器人。

如由法国机器人公司Effidence开发的“EffiBOT”,可以跟随工人,携带工具和材料。


Doxel是一款漫游者,它使用高清晰度摄像机和“光成像、探测和测距”(LIDAR)传感器进行建筑现场检查,并与设计模型和程序进行比较。


6. 其他应用

 

  丹麦公司OdicoFormwork Robotics,研发了一种使用“热丝切割”来开发复杂的双曲混凝土模具的机器人。传统上,这种费时费钱的工艺很少用于建筑。

复杂的模具现在可以用机械臂切割


    现在,这些机器人可以通过编程来制作复杂的模板模具,其精度要比人类工人高,而且只需很短的时间,就可以将复杂的设计变为现实。


Zaha Hadid建筑事务所正利用这个特殊的机器人来建造中国“庐山小学”项目


    Odico研发的另一款热刀切割机器人,使用多机器人单元控制一个灵活的,加热的叶片,由其专利软件解决方案控制,能够在切割的同时控制叶片的形状。


    在钢筋加固领域,由先进建筑机器人公司(Advanced Construction Robotics)开发的“泰博特”(Tybot)已在宾夕法尼亚州的一个桥梁项目上试用捆绑钢筋,这是首批在现场施工的机器人之一。


用于捆绑钢筋的机器人


    瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich National Centre for Competence in Research, NCCR)的数字制造技术也取得了快速发展。这里的研究人员已经开发出可以建造砌体墙、架设钢筋结构、甚至组装木结构建筑的现场建造者。


    还有一些按照设计模型运输材料或承担具体任务的机器人,可全天候进行挖掘、运输等活动,无需休息,大大提高了效率,降低了成本。突出的例子包括Volvo的HX-01翻车机和一个由Built Robotics开发的自动推土机。


沃尔沃开发了HX-01,可以在现场自动运输货物


Built Robotics的机器人推土机理论上可以24小时进行土方工程


    由新加坡Transforma Robotics今年推出的全球首款喷漆机器人,也是机器人在建筑领域实践的成功尝试。


Transforma的喷漆机器人,可以有效提升喷漆效率,节约室内装修成本


  2015年成立于深圳的广田机器人研发的抹墙机器人,可以自动上升下降进行墙面喷涂,采用自动激光定位,避免了在墙上打点,可自动完成墙面抹平,墙面平整度小于2mm。


抹墙机器人喷涂机和刮平机,喷涂机负责将水泥抹到目标墙面,完成涂抹步骤,刮平机则根据抹墙的工序要求,在喷涂机完成抹灰步骤后,将墙面刮平,达到预期的墙面平整度,从而完成刮平步骤,抹墙最快可达100㎡/小时


  该公司生产的另一款智能装修机器人,可实现喷漆、铺砖、墙面打磨、墙面质量检测等功能。


智能装修机器人带有全方位移动底盘和视觉定位系统



    虽然我们只是刚刚开始看到机器人可以为建筑行业做些什么,但已经有更多更先进的机器人在开发中,有朝一日可能在某些行业和工作岗位上完全取代人类。然这听起来令人生畏,但机器人技术的兴起,对于将人类从危险的工作中解放出来,是一个巨大的进步。



参考文献

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https://www.theb1m.com/video/this-robot-could-build-zaha-hadid-architects-next-project;

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