機(jī)氣林-建筑行業(yè)機(jī)器人應(yīng)用報(bào)告
機(jī)氣林商城智能科技2019提供自動化零件，工控產(chǎn)品，工業(yè)機(jī)器人，以及機(jī)器人零部件。
機(jī)氣林電商有話說：
機(jī)器人在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用看似已經(jīng)十分平常，然而，對于和我們生活息息相關(guān)的建筑業(yè)而言，機(jī)器人技術(shù)仍然是新鮮事物。關(guān)于建筑和機(jī)器人，真相到底是什么？
一 、建筑業(yè)現(xiàn)狀
中國被稱作建筑大國，擁有世界上最大的建筑市場。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年建筑業(yè)總產(chǎn)值21萬億，預(yù)計(jì)在2018年將超過美國，成為世界第一建筑大國，占據(jù)全球建筑業(yè)產(chǎn)值的19.1%。隨著人工智能等技術(shù)發(fā)展，為建筑工業(yè)化及智能建造的發(fā)展提供了可能。建筑機(jī)器人是支撐智能建造的重要裝備，然而作為支撐建筑產(chǎn)業(yè)未來的建筑機(jī)器人，并沒有得到大家的充分關(guān)注。
自1945年以來，制造業(yè)、零售業(yè)和農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)率增長了150%，但建筑業(yè)的生產(chǎn)率幾乎沒有增長。建筑行業(yè)是世界上數(shù)字化程度最低、自動化程度最低的行業(yè)之一。數(shù)據(jù)顯示，40%的建筑公司仍然在工作中使用紙質(zhì)計(jì)劃,近50%的建筑專業(yè)人員手工準(zhǔn)備和處理日常報(bào)告,只有18%的公司報(bào)告說他們一直使用移動應(yīng)用程序來訪問項(xiàng)目數(shù)據(jù)和協(xié)作，近60%的建筑公司沒有研究任何新技術(shù)。
在10年內(nèi)，全面的數(shù)字化、自動化可以在設(shè)計(jì)、工程和建設(shè)階段節(jié)省0.7-1.2萬億美元(13- 21%)，在運(yùn)營階段節(jié)省0.3-0.5萬億美元(10-17%)，人工智能和機(jī)器人有潛力到2035年將建筑業(yè)的利潤提高71%。對建筑公司來說，機(jī)器人是一個(gè)有吸引力的解決方案，機(jī)器人將徹底改變建筑業(yè)。
二、建筑行業(yè)痛點(diǎn)
1. 勞動力短缺
勞動力短缺一直是建筑公司面臨的主要挑戰(zhàn)，美國勞工統(tǒng)計(jì)局報(bào)告顯示，過去12個(gè)月，美國建筑行業(yè)新增崗位達(dá)到33萬個(gè)。即便建筑業(yè)有著數(shù)十萬計(jì)的崗位空缺，而80%的建筑公司都找不到合適的工人。
美國勞動統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)：過去12個(gè)月建筑行業(yè)新增33萬個(gè)新崗位
80%的建筑公司找不到合適的員工
據(jù)了解，美國年輕建筑工人的比例從2005年到2016年下降了30%。56%的建筑商表示，他們受到熟練工人短缺的影響，僅2016年就有20萬個(gè)建筑職位空缺。建筑行業(yè)的員工流動率達(dá)21.4%，在所有行業(yè)內(nèi)比例最高。而平均每一個(gè)流失的員工將會給企業(yè)造成員工基本工資16%-20%的損失。極大的員工流失率，成為企業(yè)的沉重負(fù)擔(dān)。建筑工人的短缺，建筑行業(yè)薪水的日益提升，并沒有提升建筑工人的工作滿意度，26%的建筑工人表示，他們對缺乏相應(yīng)的工具感到沮喪，因?yàn)樗麄冃枰@些工具來更好地完成工作。
目前，全世界有超過1.8億人從事建筑業(yè)。2017年，該行業(yè)新增21萬個(gè)就業(yè)崗位，比2016年增長35%。57%的承包商預(yù)計(jì)在未來6個(gè)月雇傭更多工人。
建筑業(yè)作為中國的支柱產(chǎn)業(yè)，也正面臨勞動力極其短缺的問題。2016年，中國建筑業(yè)從業(yè)人數(shù)5185.24萬，仍無法滿足日益增長的職位需求；而且，從事建筑業(yè)的年輕人占比例小，80后和90后各占比20.4%和10%，60后和70后分別占比27.3%和32.1%，年齡出現(xiàn)斷層。
2. 施工安全性差
建筑工作是一項(xiàng)危險(xiǎn)的陸上工作。我們通常所指的建筑類工作通常包括建造房屋、道路、樹木堡壘、工作場所以及維修和保養(yǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。這些工作包括許多危險(xiǎn)的任務(wù)和相對惡劣的條件，如工作的高度，噪音，灰塵、毒害、輻射、電動工具和設(shè)備等。建筑業(yè)最常見的死亡原因有四種:高空墜落、被物體擊中、觸電以及被夾在兩個(gè)物體之間。在過去的幾年里，發(fā)展中國家和不發(fā)達(dá)國家的建筑工作一直在增加。隨著這類工作的增加，職業(yè)死亡人數(shù)也在增加。
不可否認(rèn)，建筑業(yè)是一個(gè)危險(xiǎn)的行業(yè)。在美國25個(gè)最危險(xiǎn)的工作中，有9個(gè)來自于建筑業(yè)，(屋頂工、工地監(jiān)工、設(shè)備操作員、暖通技術(shù)人員，以及其他建筑工作都在名單之列)。在美國，建筑業(yè)僅占工人總數(shù)的6%，但卻占與工作場所相關(guān)死亡人數(shù)的21%；2015年美國建筑工人的死亡人數(shù)比2012年增加了16%。
在英國，建筑行業(yè)造成了31%的工作死亡和10%的重大工傷。在南非，建筑工地每年造成150人死亡，大約400人受傷。在巴西，所有職業(yè)死亡的發(fā)生率為每10萬人3.6人。
各個(gè)國家建筑施工死亡率
國內(nèi)建筑行業(yè)與美國以及世界其他國家一樣，面臨安全事故高發(fā)的態(tài)勢。7月30日，國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會辦公室關(guān)于“2018年上半年全國建筑業(yè)安全生產(chǎn)形勢”的通報(bào)指出，全國事故總量持續(xù)保持在高位，上半年全國建筑業(yè)共發(fā)生生產(chǎn)安全事故1732起、死亡1752人，同比分別上升7.8%和1.4%，事故總量已連續(xù)9年排在工礦商貿(mào)事故第一位，事故起數(shù)和死亡人數(shù)自2016年起連續(xù)“雙上升”，高處墜落和坍塌是事故主要類型。在一般事故中，高處墜落事故占全部事故總數(shù)的48.2%，在較大事故中，坍塌事故起數(shù)占總數(shù)的45.1%，其余分別為高處墜落、中毒窒息、物體打擊等。
由此可見，由建筑行業(yè)特性決定的施工安全性差，是一個(gè)世界性的難題和痛點(diǎn)。機(jī)器人可以接管一些更危險(xiǎn)的任務(wù)，并允許人類工人完成更多的認(rèn)知任務(wù)，從而改善建筑環(huán)境中的工人安全。在一個(gè)10萬億美元的行業(yè)中，即使是運(yùn)營成本上的微小差異也可能意味著巨大的節(jié)省。更少的工作場所事故意味著更低的運(yùn)營成本，從長遠(yuǎn)來看，這可以為建筑公司節(jié)省很多成本。
3. 勞動生產(chǎn)率低
建筑業(yè)是一個(gè)價(jià)值10萬億美元的全球產(chǎn)業(yè)，但卻飽受低效之苦，只有11%的承包商認(rèn)為工地非常高效。平均來看，98%的大型建設(shè)項(xiàng)目超出預(yù)算，基礎(chǔ)設(shè)施生產(chǎn)率的提高每年可以節(jié)省1.63萬億美元。
過去20年，美國建筑業(yè)平均年生產(chǎn)率增加僅僅只有1%
建筑行業(yè)勞動生產(chǎn)率低，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
一是建筑物流方面的問題對勞動生產(chǎn)率產(chǎn)生50%及以上的影響；二是建筑設(shè)計(jì)返工多，在建筑和工程產(chǎn)品的全部返工經(jīng)驗(yàn)中，高達(dá)70%是由設(shè)計(jì)引起的返工；三是項(xiàng)目數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和溝通失誤，52%的返工是由于項(xiàng)目數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和溝通不暢造成的,30.9%的建造業(yè)專業(yè)人士表示，溝通不暢的首要原因是對問題/要求反應(yīng)遲鈍。35%的建筑專業(yè)人員(每周超過14小時(shí))的時(shí)間都花在了非生產(chǎn)性活動上，包括尋找項(xiàng)目信息、解決沖突、處理錯誤和返工。這意味著，僅在美國，2018年就有313億美元的返工將由糟糕的項(xiàng)目數(shù)據(jù)和溝通失誤造成；四是勞動生產(chǎn)率因個(gè)體和場地不同差異巨大，數(shù)據(jù)顯示，兩組工人在同一地點(diǎn)、同一時(shí)間從事相同工作的生產(chǎn)率差異為50%。而在不同的生產(chǎn)地點(diǎn)，生產(chǎn)率差異為500%。
總的來說，僅在2018年，非最優(yōu)活動就將使美國建筑業(yè)付出超過1770億美元的勞動力成本。
三、建筑領(lǐng)域自動化的難點(diǎn)
盡管自動化的運(yùn)用，將大大提高建筑領(lǐng)域的勞動生產(chǎn)率以及為其節(jié)約大量成本。但機(jī)器人在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，仍面臨一些難點(diǎn)。
在工廠等受控環(huán)境中，機(jī)器人可以出色地執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)。通過將機(jī)器人納入預(yù)制構(gòu)件的大規(guī)模制造，可顯著提升生產(chǎn)效率。然而，建筑工地遠(yuǎn)非一個(gè)可控的環(huán)境。機(jī)器人要想盈利和生產(chǎn)，它們需要能夠適應(yīng)環(huán)境中的實(shí)時(shí)變化，而幾乎不需要編程。而現(xiàn)實(shí)情況是，大多數(shù)情況下機(jī)器人很難適應(yīng)和改變環(huán)境。
同時(shí)，在建筑工地上，各種任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，這些任務(wù)與分配給每個(gè)任務(wù)的資源是相互聯(lián)系的。建筑場地具有很強(qiáng)的動態(tài)性，任務(wù)和周圍環(huán)境都容易發(fā)生系統(tǒng)的變化，建筑活動的執(zhí)行者常常被障礙物、不平的表面、設(shè)備等包圍。建筑施工場所的非結(jié)構(gòu)化特性使得它們不能適應(yīng)機(jī)器人的移動。
為了讓機(jī)器人能在建筑工地上充分發(fā)揮作用，它們必須具有便攜性、四處移動的能力、“感知”周圍環(huán)境的能力，以及處理接收到的數(shù)據(jù)或信息的能力。不僅如此，機(jī)器人還應(yīng)該能夠處理笨重或沉重的負(fù)載，如橫梁或預(yù)制板(可重達(dá)數(shù)噸)，他們還應(yīng)該能夠處理易碎的材料，如瓷磚、配件或玻璃等。
四、建筑機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域及種類
一些機(jī)器人正在承擔(dān)這些具有歷史挑戰(zhàn)性的任務(wù)。建筑機(jī)器人的開發(fā)應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，以日本最為領(lǐng)先。韓國、美國、德國、西班牙等的建筑機(jī)器人發(fā)展迅速。而且目前對于極限環(huán)境下的智能建造（NASA）也越來越被重視。
建筑機(jī)器人應(yīng)用主要在四個(gè)方面：設(shè)計(jì)、建造、破拆、運(yùn)維。設(shè)計(jì)方面，主要指Autodesk，目前一直在籌劃如何讓機(jī)器人來代替CAD，成為設(shè)計(jì)師的合作伙伴，而不是單純滿足于成為設(shè)計(jì)師的輔助工具。目前建筑市場上的設(shè)計(jì)工具很少，一定程度上仍無法滿足現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的需求；建造方面是建筑機(jī)器人需求量最大的一部分，也是目前開展機(jī)器人應(yīng)用較多的環(huán)節(jié)，機(jī)器人建造分為工廠和現(xiàn)場兩個(gè)領(lǐng)域，現(xiàn)場建造仍是機(jī)器人應(yīng)用的難點(diǎn)。運(yùn)維方面是建筑機(jī)器人的持久性應(yīng)用領(lǐng)域，涉及到管道檢測、安防、清潔、管理等眾多運(yùn)行維護(hù)的場合。破拆方面是除了爆破以外，未來大型建筑的破拆、資源再利用將是未來巨量建筑的一個(gè)難題，機(jī)器人將派上用場。
如今，建筑機(jī)器人已經(jīng)初步發(fā)展成了包括測繪機(jī)器人、砌墻機(jī)器人、預(yù)制板機(jī)器人、施工機(jī)器人、鋼梁焊接機(jī)器人、混凝土噴射機(jī)器人、施工防護(hù)機(jī)器人、地面鋪設(shè)機(jī)器人、裝修機(jī)器人、清洗機(jī)器人、隧道挖掘機(jī)器人、拆除機(jī)器人、巡檢機(jī)器人等在內(nèi)的龐大家族。
五、代表性機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用及項(xiàng)目
1. 砌墻機(jī)器人
前段時(shí)間美國公司推出了一款名為“半自動梅森”（SAM100）的砌磚機(jī)器人，每天可砌磚3000塊(國內(nèi)的一個(gè)工人一般每天只有250—300塊磚)。澳大利亞誕生世界上第一臺全自動商用建筑機(jī)器人Hadrian X，它每小時(shí)的鋪磚量達(dá)到了驚人的1000塊，可7×24小時(shí)工作，但售價(jià)同時(shí)也高達(dá)200萬美元。Hadrian X不再采用傳統(tǒng)水泥，而是建筑膠來粘合磚塊，從而大大提升建筑的速度、強(qiáng)度，并可強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的最終熱效應(yīng)。Hadrian X可處理不同尺寸的磚塊，可切可割，可琢可磨。
由Construction Robotics公司開發(fā)的SAM 100聲稱是世界上第一臺用于現(xiàn)場砌筑的商用機(jī)器人
此外，由Fast Brick Robotics開發(fā)的Hadrian X還可以3D打印和砌磚，在短短兩天內(nèi)完成一座傳統(tǒng)磚房的上部結(jié)構(gòu)。
2. 3D打印建筑機(jī)器人
3D打印機(jī)器人是目前建筑行業(yè)最先進(jìn)的自動化應(yīng)用之一。它能夠按照不同的環(huán)境和材料來搭建建筑結(jié)構(gòu)。3d打印機(jī)器人通過一個(gè)移動機(jī)械臂打印出整個(gè)結(jié)構(gòu)安全的建筑，該機(jī)械臂通過數(shù)字預(yù)先編程和指令，在接收指令后開始按照設(shè)定的樣式和程序打印建筑。這種3D打印機(jī)器人技術(shù)，也帶來了建筑材料的創(chuàng)新?！鞍胱詣用飞焙虷adrian X使用的都是傳統(tǒng)方形磚，但建筑行業(yè)和機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)顯然對這種建筑材料并不滿意，美國麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)全新的數(shù)字建設(shè)機(jī)臺，可利用3D打印技術(shù)“打印”建筑，該機(jī)器人使用的建筑材料是泡沫和混凝土的混合物，壁與壁之間留有空隙，可嵌入線路及管道。
麻省理工學(xué)院研發(fā)的數(shù)字建設(shè)機(jī)臺。這款產(chǎn)品最底部的裝置就像裝有坦克履帶的探測車一樣，上面有兩只機(jī)械手臂，手臂的末端還裝有噴嘴。
中國公司W(wǎng)inSun將3D打印機(jī)與機(jī)械臂結(jié)合在一起。機(jī)械臂控制3D打印機(jī)的運(yùn)動，使其能夠立即創(chuàng)建大型結(jié)構(gòu)。該公司聲稱，他們的機(jī)器人3D打印設(shè)備在一天內(nèi)就制造了10個(gè)單層住宅。
3. 無人機(jī)
Komatsu小松已經(jīng)建立了一個(gè)多用途無人機(jī)和推土機(jī)自動化系統(tǒng)。無人機(jī)在建筑工地上空飛行，監(jiān)控交付、庫存和整體進(jìn)度。此外，無人駕駛飛機(jī)還可以創(chuàng)建建筑工地的3D地圖，然后將這些地圖傳送給無人駕駛推土機(jī)——這些信息可以在不需要司機(jī)的情況下直接指揮推土機(jī)。
大疆研發(fā)的幻影4無人機(jī)，將厘米級導(dǎo)航和定位與高性能成像系統(tǒng)相結(jié)合，以提高測量效率和準(zhǔn)確性，降低操作難度和成本，可以作為測量，測繪或檢測操作的工具。
Flyability公司研發(fā)的無人機(jī)，專門針對如核電站、礦洞、油井等人類難以企及的領(lǐng)域的檢測。
4. 建筑拆除機(jī)器人
建筑拆除機(jī)器人是另一種即將進(jìn)入主流應(yīng)用領(lǐng)域的建筑機(jī)器人。雖然他們比拆遷人員慢，但在生命周期結(jié)束時(shí)拆除建筑物的混凝土和結(jié)構(gòu)部件時(shí)，他們要安全得多，也便宜得多。
Husqvarna DXR系列遙控拆除機(jī)器人是最新的拆除機(jī)械，具有功率大、重量輕、功能設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。
工人可以遠(yuǎn)程操作Husqvarna DXR拆遷機(jī)器人，而不需要進(jìn)入危險(xiǎn)的拆遷場地中
美國Brokk公司從事拆除機(jī)器人生產(chǎn)研發(fā)40余年，其Brokk系列17臺拆除機(jī)器人，可以適應(yīng)不同場景和環(huán)境的建筑拆除需求。
Brokk最新款拆除機(jī)器人
5. 施工場地的自動“漫游者”
配備了高清攝像頭和傳感器的自動漫游者，它們可以在工地周圍導(dǎo)航，是能夠識別和避免障礙物的機(jī)器人。
如由法國機(jī)器人公司Effidence開發(fā)的“EffiBOT”，可以跟隨工人，攜帶工具和材料。
Doxel是一款漫游者，它使用高清晰度攝像機(jī)和“光成像、探測和測距”(LIDAR)傳感器進(jìn)行建筑現(xiàn)場檢查，并與設(shè)計(jì)模型和程序進(jìn)行比較。
6. 其他應(yīng)用
丹麥公司OdicoFormwork Robotics，研發(fā)了一種使用“熱絲切割”來開發(fā)復(fù)雜的雙曲混凝土模具的機(jī)器人。傳統(tǒng)上，這種費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的工藝很少用于建筑。
復(fù)雜的模具現(xiàn)在可以用機(jī)械臂切割
現(xiàn)在，這些機(jī)器人可以通過編程來制作復(fù)雜的模板模具，其精度要比人類工人高，而且只需很短的時(shí)間，就可以將復(fù)雜的設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
Zaha Hadid建筑事務(wù)所正利用這個(gè)特殊的機(jī)器人來建造中國“廬山小學(xué)”項(xiàng)目
Odico研發(fā)的另一款熱刀切割機(jī)器人，使用多機(jī)器人單元控制一個(gè)靈活的，加熱的葉片，由其專利軟件解決方案控制，能夠在切割的同時(shí)控制葉片的形狀。
在鋼筋加固領(lǐng)域，由先進(jìn)建筑機(jī)器人公司(Advanced Construction Robotics)開發(fā)的“泰博特”(Tybot)已在賓夕法尼亞州的一個(gè)橋梁項(xiàng)目上試用捆綁鋼筋，這是首批在現(xiàn)場施工的機(jī)器人之一。
用于捆綁鋼筋的機(jī)器人
瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich National Centre for Competence in Research, NCCR)的數(shù)字制造技術(shù)也取得了快速發(fā)展。這里的研究人員已經(jīng)開發(fā)出可以建造砌體墻、架設(shè)鋼筋結(jié)構(gòu)、甚至組裝木結(jié)構(gòu)建筑的現(xiàn)場建造者。
還有一些按照設(shè)計(jì)模型運(yùn)輸材料或承擔(dān)具體任務(wù)的機(jī)器人，可全天候進(jìn)行挖掘、運(yùn)輸?shù)然顒?，無需休息，大大提高了效率，降低了成本。突出的例子包括Volvo的HX-01翻車機(jī)和一個(gè)由Built Robotics開發(fā)的自動推土機(jī)。
沃爾沃開發(fā)了HX-01，可以在現(xiàn)場自動運(yùn)輸貨物
Built Robotics的機(jī)器人推土機(jī)理論上可以24小時(shí)進(jìn)行土方工程
由新加坡Transforma Robotics今年推出的全球首款噴漆機(jī)器人，也是機(jī)器人在建筑領(lǐng)域?qū)嵺`的成功嘗試。
Transforma的噴漆機(jī)器人，可以有效提升噴漆效率，節(jié)約室內(nèi)裝修成本
2015年成立于深圳的廣田機(jī)器人研發(fā)的抹墻機(jī)器人，可以自動上升下降進(jìn)行墻面噴涂，采用自動激光定位，避免了在墻上打點(diǎn)，可自動完成墻面抹平，墻面平整度小于2mm。
抹墻機(jī)器人噴涂機(jī)和刮平機(jī)，噴涂機(jī)負(fù)責(zé)將水泥抹到目標(biāo)墻面，完成涂抹步驟，刮平機(jī)則根據(jù)抹墻的工序要求，在噴涂機(jī)完成抹灰步驟后，將墻面刮平，達(dá)到預(yù)期的墻面平整度，從而完成刮平步驟，抹墻最快可達(dá)100㎡/小時(shí)
該公司生產(chǎn)的另一款智能裝修機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)噴漆、鋪磚、墻面打磨、墻面質(zhì)量檢測等功能。
智能裝修機(jī)器人帶有全方位移動底盤和視覺定位系統(tǒng)
雖然我們只是剛剛開始看到機(jī)器人可以為建筑行業(yè)做些什么，但已經(jīng)有更多更先進(jìn)的機(jī)器人在開發(fā)中，有朝一日可能在某些行業(yè)和工作崗位上完全取代人類。然這聽起來令人生畏，但機(jī)器人技術(shù)的興起，對于將人類從危險(xiǎn)的工作中解放出來，是一個(gè)巨大的進(jìn)步。
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