建筑机器人多机协同的绿色建造模式与实践研究.pdf
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1、第 54 卷第 23 期 2023 年 12 月Vol.54 No.23 Dec.20232861 建 筑 技 术 Architecture Technology建筑机器人多机协同的绿色建造模式与实践研究段 瀚1,2,3,罗庆泉2,陈琳欣2(1.清华大学建设管理系,100084,北京;2.广东博嘉拓建筑科技有限公司,528000,广东佛山;3.广东博智林机器人有限公司,528000,广东佛山)摘要:基于建筑机器人相关技术和发展以及建筑业的典型场景特点,从多机器人协同式作业的绿色生产特征、生产动力机制与实施优化路径等 3 个方面归纳总结了建筑机器人多机协同的绿色建造模式。同时,以传统油漆喷涂为研
2、究对象,结合相关案例分析了建筑机器人多机协同的应用实践,为建筑机器人与绿色建造的绿色性发展提供支撑。关键词:建筑机器人;多机协同;绿色建造方法中图分类号:TU 74 文献标志码:A 文章编号:1000-4726(2023)23-2861-06STUDY ON GREEN CONSTRUCTION MODEL AND PRACTICE UNDER SYNERGY OF MULTIPLE CONSTRUCTION ROBOTSDUAN Han1,2,3,LUO Qing-quan2,CHEN Lin-xin2(1.Department of Construction Management,Tsin
3、ghua University,100084,Beijing,China;2.Guangdong Great Build Co.,Ltd.,528000,Foshan,Guangdong,China;3.Guangdong Bright Dream Robotics Co.,Ltd.,528000,Foshan,Guangdong,China)Abstract:Based on the technology of the construction robots and features of typical scences in the construction industry,a gree
4、n construction model that boasts the synergy of multiple construction robot units was summarized.It concerned three dimensions:the characteristics of green production,the mechanism of productive dynamics,and the optimization pipeline for performance.Also,this paper toke the traditional spraying proj
5、ect as the subject of study,analyzed how such a synergy robotics project was practiced by incorporating the relevant cases.Its with a view to informing the theories and practices related to construction robotics and green construction.Keywords:construction robot;synergy robotics;green construction m
6、ethod建筑业是我国国民经济的支柱产业。但长期以来,我国建筑业的发展依赖大量的资源投入,导致建筑业面临资源浪费、污染排放、效率低下、管理粗放等问题,严重制约了建筑业高质量发展。近年来,随着气候变化的加剧,绿色发展成为社会共识,绿色建造也成为建筑业转型升级的重要抓手。科技革新与智慧管理为绿色建造发展提供了新的动力,得益于人工智能技术的发展,我国对建筑机器人的研究与应用水平不断提高,作为一种全新的生产资料,建筑机器人推动着建筑业标准化、数字化、绿色化的发展进程。对此,国家大力支持其与建筑业的融合发展。2017 年国务院办公厅发布关于促进建筑业持续健康发展的意见,强调加强技术研发应用,尤其加快先进
7、建造设备、智能设备的研发、制造和推广应用。同时也指出建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程集成应用的关键作用,以及要加快实现工程建设项目全生命周期数据共享和信息化管理。2020 年国家发展和改革委员会等七部门发布关于印发绿色建筑创建行动方案的通知,方案中鼓励积极探索人工智能、建筑机器人等新技术在工程建设领域的应用,推动绿色建造与新技术融合发展。2022 年城乡建设领域碳达峰实施方案明确指出推进绿色低碳建造,包括推广智能建造,形成一系列建筑机器人标志性产品。随着市场主体不断加大对建筑机器人领域的投入,建筑机器
8、人已经成为驱动建筑业转型升级的新动能,但目前还未形成体系化的应用指导理论,其绿色建造的应用价值尚待总结。基于建筑机器人的相关技术,以墙面喷涂作业为例,梳理基于建筑机器人多机协同下的绿色建造生产特征及实施路径,为智能建造的绿色性发展提供理论与实践支撑。1 传统油漆喷涂的作业特点1.1 结构影响较大装修作业与土建结构施工、机电安装存在施工界收稿日期:20230831 作者简介:段瀚(1988),男,河南三门峡人,博士,e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 23 期2862面重叠的问题,尤其与结构工程存在强相关关系,结构工程的设计与施工不仅决定着建筑体的安全性,也深刻影响着后续装修作业的质量
9、与进度。当前我国建筑结构施工主流方式为现浇作业和预制装配式。由于现浇体系使用人工支模,容易产生支模不规则的情况,通常导致结构垂平度不达标。而装配式则在工厂完成结构部件预制,但由于生产现场存在较多不确定因素,预制部件间的连接界面容易出现误差,使连接界面与结构基层发生偏移。为降低结构基层质量对装修作业的影响,通常需要在土建移交装修阶段对墙面进行二次打磨修正,以满足后续装修的作业要求。除此以外,土建移交装修阶段人工验收通常存在较大误差,导致部分结构质量问题无法被监测,而在后期装修阶段频繁出现空鼓、开裂、渗漏等基层问题,严重制约装修作业的进度与质量。1.2 工序复杂多元建筑施工工序复杂,涉及各类技术工
10、种,经过多年的组织发展,我国建筑业已基本形成土建、装修、机电安装的一级工序,一级工序下又有多个细分工序。多个细分工序按照施工时间轴层层叠加,形成多个工序界面。但上一道工序的质量问题通常被下一道工序所掩盖,同时,下一道工序作业容易破坏上一道工序的完成面,以上因素通常导致隐蔽质量问题,增大建筑施工质量的不稳定性。传统墙面喷涂作业大致分为基层处理、墙面覆盖及喷涂操作等,而各施工步骤也包含多项具体任务。在基层处理环节,需要对墙面、天花基层进行清洁、打磨等;在墙面覆盖环节,需要进行腻子找平、腻子打磨、局部点补等工作;而喷涂操作环节则需要进行一次底漆喷涂及两次面漆喷涂,以保证墙面喷涂作业的观感。在建筑施工
11、过程中,各工序相互制约,且不同作业主体的技能水平具有个体差异性,使得施工作业质量具有不稳定性与不可控性。1.3 影响职业健康建筑业深度依赖生产要素的投入,作业过程需耗费大量的材料及能源,容易产生多种形式的环境污染物,包括噪声污染、粉尘污染、固体废弃物污染 等,同时建筑业也是劳动密集型产业,高污染排放对施工人员职业健康构成严重威胁。以墙面喷涂工序为例,在对结构基层进行修整作业以及打磨腻子层的过程中将产生大量粉尘,作业人员通常因成本及防护意识未能科学地选择防尘工具,难以进行有效的呼吸防护。研究表明,长期处于高浓度飘尘环境的人群容易患上慢性阻塞性肺部疾病,心脑血管疾病发病率及死亡率提升1。国家卫生健
12、康委员会发布2020 年我国卫生健康事业发展统计公报,显示我国全年共报告职业病新病例 17 064 例,其中职业性尘肺病 14 367例,占比超过 84%,是我国最主要的职业病类型。大部分职业健康损伤具有不可逆性,严峻的职业健康态势一方面增大了社会救治负担,另一方面不利于绿色建造的可持续发展。2 建筑机器人多机协同的绿色建造方法2.1 建筑机器人多机协同的绿色生产特征2.1.1 绿色建造的概念内涵绿色建造由绿色建筑发展而来,根据 2019 年住房和城乡建设部发布的绿色建筑评价标准,绿色建筑是能为人们提供健康、适用、高效的使用空间,最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑,其主要目标是节约资源
13、、保护环境、减少污染。绿色建筑的定义在一定程度上奠定了学界对绿色建造的理解与认识的基础。基于此,有学者认为,建筑垃圾减量化是绿色建造中节约资源和保护环境的重要内容2,并提出有关方法与措施,包括优化材料选择、废材二次回收与利用等。随着科学技术以及建筑工业化、智能化的提高,学界开始基于全生产周期的视角阐释绿色建造,将绿色建造过程划分成绿色建材、绿色政策、绿色策划、绿色设计、绿色施工、绿色运维、绿色拆除以及综合利用一体化共 7 个阶段3,认为其是实现工程建设全过程资源节约、环境友好、效率提高、品质提升的新型建造方式4。但当前,我国建筑业依然面临诸多挑战,存在要素投入量大、资源利用率低、生产效率低、建
14、造质量不稳定、污染排放大等问题。着眼于建筑业面临的困局,同时结合当前建筑机器人应用与推广实践经验,本研究通过引入建筑机器人提升建筑业生产的数字化水平,使建筑生产组织向制造业精细化、网络化的生产方式转变,同时利用多建筑机器人的任务协同式作业形成现场横纵向的生产线,使建筑生产过程趋于稳定化、效率化、少人化。建筑机器人作为新型智能工程设备是数字化与建筑工程结合的产物,而数字化的内涵就是绿色化,其贯穿建筑生产设计、施工、运维等环节,通过实现建2023 年 12 月2863段瀚,等:建筑机器人多机协同的绿色建造模式与实践研究筑生产全过程的质量稳定、效率提升、资源节约呈现出绿色建造的内涵属性,是智能建造绿
15、色性的核心构成部分。2.1.2 建筑机器人相关技术建筑机器人是指应用于土木工程领域的机器人,其能按照计算机程序或者人类指令自动执行简单重复的施工任务5,其本体由底盘移动机构、末端执行机构、感知系统和中枢决策系统等部分组成。得益于导航、视觉、算法等人工智能技术的发展,建筑机器人能适应多种作业场景,包括土建阶段的砌砖、混凝土浇筑与抹平工序以及装修阶段油漆喷涂、墙地砖铺贴等工序。建筑机器人的应用在一定程度上降低了传统人工的劳动强度,基于数字化与自动化技术提供了状态更稳定的生产力。同时,建筑机器人以数字化为技术牵引,连接前端设计环节,打通后端生产计划,优化生产组织方式。一方面,建筑机器人与 BIM 集
16、成应用。BIM 是对工程项目信息详尽的数字化表达6,能准确呈现建造项目的模拟环境与结构状态,主要应用于设计深化及模拟施工环节,为建筑机器人提供作业路径。另一方面,建筑机器人借助调度系统实现多机协同作业,该系统可通过互联网、供应链、传感器等技术对多款多台机器人进行统一控制和调度管理。基于建筑机器人技术支撑的协同关系如图 1 所示。建筑机器人相关技术智能建造绿色建造导航视觉机器 人 1机器人 2 机器 人 3算法机械臂相关 软件相关人工智能技术调度系统工序次序综合功效工艺要求施工日志原始数据采集录入链接前后端数据数字数据对象建模技术BIM协同关系数字化设计建筑机器人结合各款机器人信息数据数字化表达
17、生产端设计计划排程功能结构图 1 基于建筑机器人技术支撑的协同关系2.1.3 多机协同的作业特征(1)建筑作业环境的多元性与复杂性。多机协同作业环境的多元性与复杂性同时来自环境本身和多机系统。首先,建筑业涵盖多种业态,包括住宅、商业中心、大型公共场馆等,不同的建筑物或相同的建筑物在不同的位置、不同的施工环境下的生产组织方式、施工技术等不尽相同,因此建筑物都是“定制化”生产的。同时,多样的建筑生产要素、复杂的要素结构、多变的生产环境及系统要素与环境间广泛的作用方式7,使建造场景呈现出高复杂性。另外在多机系统中,任务分配的动态性、信息交互的实时性以及路径规划的合理性使各建筑机器人互为约束因子,在一
18、定程度上增加了多机器人协同式作业的时空复杂性。(2)生产工序的多任务性与多目标性。在建筑生产中,一个工序包含了多个任务与多个目标。以墙面喷涂工序为例,包括腻子涂抹、腻子打磨、油漆喷涂等,不同任务在地域、天气与环境等不同情况下还存在多次作业。同时建筑空间中又存在多个不同场景,如客厅、卧室、公共区域等,不同场景具象的位置工艺又存在差异化,如墙面、天花、飘窗等位置的作业工艺。因此涉及不同场景、不同空间、不同位置的作业方式,墙面喷涂工程整体又呈现出多目标性。(3)多机器人效率与协同的连续性。建筑作业环境的多元性与复杂性、生产工序的多任务性与多目标性体现了建筑生产过程中的关键问题是效率,且是有效的效率。
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