建筑机器人的前景究竟如何？建筑机器人发展背景及意义

在过去一年的时间里，房地产龙头企业碧桂园在机器人领域频频进行大动作，斥800亿巨资投入机器人领域。董事会主席杨国强更是在1月份的年会上宣布了碧桂园最新业务架构。重点布局的就是建筑机器人，作为建筑工人出身的他，一直有一个科技梦，认为重复的高强度劳动应该得到改善，机器人造房子只是时间问题。

建筑业现状

随着人口红利的消失，中国的建筑业面临着巨大的人工成本压力，以及高危、生产效率低等一系列难题。近百年来，虽然自然科学与工程技术领域的革新不断，建筑本身的形态和功能也大不相同，但建筑施工的业态形式却始终没有出现显著的变化。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。在既有的现代化技术体系中，最有可能承担起建筑业革新重任的便是机器人技术。

据美国总承办商协会调查，目前有70%的建筑公司陷入缺乏技术工人的窘境，因为现在愿意从事那些脏活累活的人寥寥无几，在制造业与服务业转型升级的背景下，传统建筑业逐渐丧失对年轻一代的吸引力。建筑机器人的出现也将改变原有的传统建筑模式。

建筑机器人发展背景及意义

提高生产效率

建筑机器人是营建效率急需提升的必由之路。在现在的建筑施工中，虽然已有大量机械设备参与，但更多的工序还是有赖于手工作业，导致建造周期绵长，少则数月，多至数年。饱受低效之苦，只有11%的承包商认为工地非常高效。建筑物流方面的问题对劳动生产率产生50%及以上的影响，还有设计返工、项目数据不准确和沟通失误等等因素。

过去20年，美国建筑业平均年生产率增加仅仅只有1%

而采用机器人技术，可使建造效率大获提升。以欧美的标准民居为例，传统人工作业的平均建造周期约为6~9个月，但若采用最新的机器人3D打印技术，建造周期可大幅缩短至1~2天。

这意味着遭遇地震、恐怖袭击、泥石流等灾难后，可以快速完成居所重建,保障居民的基本生存条件，这在以往是无法想象的。

2保障人员安全

建筑机器人是保障施工人员安全、提升工作品质的必然选择。建筑业是公认的高危行业，伤亡率仅次于矿山与交通事故之后。例如在美国，建筑业每年造成约40万人的死伤，死亡率极高已成为严重的社会问题。

另外，建筑施工人员的工作条件极差，繁重的操作，充斥着泥浆、粉尘、噪声、震动等工作环境，极大地危害着从业人员的身心健康，导致职业病高发。若要将建筑工人从中解脱出来，就现有技术发展水平来看，机器人技术或是破解这一难题最佳，也可能是唯一的途径。

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。在中国，《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。

各个国家建筑施工死亡率

劳动力短缺的必然选择

建筑机器人是人力资源日益短缺的必然选择。随着社会老龄化趋势的不断加速，青壮年劳动力的供给将日益紧缺。加之建筑业所具有的“危、繁、脏、重”属性，若未来建筑业不能成功去除这些不利标签，“重塑” 自我形象，势必无法吸引年轻劳动力进入这一行业。

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

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。澳大利亚2015年该国泥瓦匠的平均年龄已达55岁，若短期内无法吸引更多的年轻人加入，5~10年之内该国便面临无工可用的尷尬局面。

构建节约型社会的时代诉求

建筑机器人是构建节约型社会的时代诉求。建筑业属于资源需求极为密来的行业，而传统的手工作业方式又流于粗放，建材使用不能精确控制，导致营建过程的材料浪费极为巨大。据美国有关部门测算，一栋普通民居建造过程的材料浪费率高达40%。

事实上，若采用建筑机器人代替人工施工，通过合理现划和精细化作业，可大幅减少原材料浪费，甚至实现零浪费，利用机器人技术也可以实施老旧建筑材料的回收再利用。这些无形之中将会降低建筑成本，也符合构建节约型社会的时代价值要求。

实现人与自然和谐发展

建筑机器人是实现人与自然和谐发展的有效途经。传统建筑施工均为“侵入式”开发，先开挖破坏原有植被，这一方式对于自然环境的破坏性很大。另一方面，建筑施工期间产生的固体垃圾、废水、有毒有害物化学物质也会对环境产生很大危害。此外，水泥、钢材、玻璃等原材料的生产，对于环境的污染也很大。

在倡导环保的时代大背景下，如何实现更具环境友好性的营建开发、减少垃圾及废物排放、提高原材料的利用率，均是时代对于建筑业革新的迫切要求。而以建筑机器人为代表的未来数字化营建技术，有望彻底重塑建筑业的面貌，实现真正的绿色环保、无污染的营建。

搭建设计概念与实体间直接沟通的桥梁

从建筑技术的演进与革新的角度出发，机器人技术有望搭建起连接设计概念与实体之间直接沟通的桥梁，使得建筑师的构想能够更为快速地变为现实。正如ETH Zurich的建筑与数字建造专家Gramazio & Kohler所认为的那样，以建筑机器人为代表的数字化建造(Digital fabrication) 技术是连接数字世界和物质世界的有力工具，它让在虚拟环境进行的创意和设计，从数字信息进一步变成物质的现实。建筑机器人技术在重复生产上更有效率，也可在非标准建造上实现人手所无法实现的可能性。

全球重点建筑机器人企业

挪威 nLink

传统的作业方式依靠人工＋冲击钻，效率低下缺乏精度并且昂贵。挪威 nLink的移动机器人专为解决钻孔问题而设计，适用于各种建筑工地环境。

他们使用成本相对低廉的标准化元件进行生产，操作系统则完全由自己设计。与现有的工业机器人控制系统相比，系统更友好，工人们只需经过简单培训，就可以通过ipad来遥控机器人了。

目前租用他们机器人一天的花费大概为2000美金。在各种实际操作中，挪威 nLink比传统的人工方式普遍能快5-10倍。

澳大利亚 Fastbrick Robotics

澳大利亚科技公司 Fastbrick Robotics 设计 3D 建筑机器人 Hadrian X，工作效率是人工的 4 倍。24 小时连续工作的话， Hadrian X 两天内就可以建好一座房子。它可以读懂图纸，通过 3D 扫描技术，精确地计算出每一块砖头的位置，比建筑工人精准不少。

美国 ConstructionRobotics

位于纽约维克多Construction Robotics公司，在科罗拉多州恩格尔伍德市的一个建筑工地上，工人们花了几周时间学习如何操作砌砖机器人SAM(半自动泥水匠，Semi-Automated Mason)。该机器人价值40万美元(约253万元)，能在8小时内砌好3000块砖石，是普通工人工作量的数倍。

但 SAM 并非完全无需人力支援，建筑工人仍需将砖块运送到输送带上，然后 SAM 才能以机械手臂将砂浆打浆，再把砖块放到墙上。而另一个建筑工人需要清理多余的砂浆，所以暂时也不会导致工人无工可做。

日本清水建设

1982年，日本建筑公司清水建设“钢骨架喷涂耐火覆盖材料的SSR—Ⅰ型机器人”曾是世界上第一台实际应用于建筑施工的机器人。之前公开了一处实验设施，那里汇集了一批将 “上岗” 的建筑机器人，包括自动焊接的 “焊接机器人” 和安装天花板的 “天花板施工机器人”。

建筑机器人的应用领域及种类

早期，欧美等发达国家对于建筑机器人的研究从未中断，但遗憾的是这些设备一直未能投入应用。 直到近几年，才陆续有一些系统走出实验室，被应用于实际之中。

如今的建筑机器人种类不断增多，应用的领域有混凝土预制大板生产线、钢筋骨架成型、模板组合与拆卸、大型容器组装、焊接及喷漆、混凝土布料、空调风管检查及清理、外墙饰面检查、地面压光与清扫等等。种类有测绘机器人、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。

◆◆具有代表性◆◆

墙体砌筑机器人

墙/地面施工机器人

清拆/清运作业机器人

3D打印建筑机器人

飞行建造机器人系统

发展措施与建议

（1）加速传统建筑设备的机器人化改造

对现有的建筑施工设备进行机器人化改造，是发展建筑机器人技术并使其快速投入应用的一条捷径。例如，对于建筑用工程施工车辆，如挖据机、推土机、压路机、渣土车等，可基于遥操作、自主导航与避障，路径规划与运动控制、智能环境感知、无人驾驶等技术对其进行改造，实现相关车辆操作的遥控化、半自主化，甚至完全自主化，减少操作人员的工作负担、优化工作环境、提升作业安全性和效率，推进施工作业的标准化和精细化。参照这一模式， 亦可考虑对塔吊、起重机等提举系统进行遥操作改造，通过远程遥控操作彻底解除施工人员的安全威胁。

（2）促进即有机器人技术在建筑业中的应用

目前研发的很多机器人技术均属于通用技术。它们在建筑业中具有广阔的应用前景。例如，在环境感知与建模方面，可利用无人飞行器(UAV)、轮式/履带机器人等移动平台搭载激光雷达，结构光摄像头、3D视觉等环境感知设备，基于多源信息融合、同时定位与地图创建(SLAM) 等环境建模技术，实现建筑物内外结构及周边环境的自主列绘与3D建模；利用UAV井配合SLAM技术，实现土方开挖、废料清运及结构物施工进度及工程量的实时监测，为大尺度施工作业中多设备任务优化与协调提供铺垫。再如，基于机械手，移动机器人底盘搭建的通用移动操作平台，有望替代人工完成诸如砌筑，抹灰、平整、抛光、编织、铺贴、钻孔等很多操作。

（3）大力推动建筑业专用机器人系统研发

毋庸置疑，建筑业有其独有的特殊性，故通用技术不可能解决所有问题。为了能够更好地实施营建，根据建筑业之特性研发专用建筑机器人，是极其必要的。例如，3D打印建筑机器人的突出代表“轮廓工艺”技术，针对房屋施工的各种特殊需求，进行了有效的针对设计，最终才成就了该系统直接打印包括水电管线在内的完整房屋的能力。喷浆机器人、ERO混凝土回收机器人等，均是针对建筑业的特殊需要定制研发的。这一方面的工作，后续要进一步加大力度。

（4）协同推进适应于机器化随工的新型建筑结构及建材研究

为了充分发挥建筑机器人的优势，传统的建筑形式与施工模态必然要作出相应的改变。目前来看较为可行的选径是采用模块化结构，利用机器人进行模块的预制、组装，这将大幅减小机器人的作业难度，同时可有效提高新建筑的营建速度。另外，新型建材的研发也要同步推进。例如，3D打印建筑机器人对于混凝上的流动性、凝固速度等有很高的要求；实施飞行营建则要求各模块间具有主动结合的能力。

结语

建筑机器人作为一个具有极大发展潜力的新兴技术，有望实现“更安全、更高效、更绿色、更智能”的信息化营建，整个建筑业或借机完成跨越式发展。建筑业在我国属于支柱产业，这一庞大的内需市场为我国建筑机器人的发展壮大提供强有力的保障。数年来，我国在工业机器人、特种机器人以及机器人通用技术方面已经积累了较多的经验，并储备了大量人才，加之国家大力倡导创新的利好局势，建筑机器人未来在我国必将取得长足的发展。