【学科发展报告】建筑智能化及机器人技术
建筑智能化是使用各种智能化技术及机器人设备，来保证建筑建设和运行的经济性和安全性［1-6］。机器人技术源自人们祈求摆脱“危、繁、脏、重”工作的本能需求，而建筑业几乎集工作强度大、繁复，工作环境差、危险等弊端于一身，两者具有极高的契合度［3，4］。由此，便特化出了“建筑机器人”的概念，以期通过机器替代或协助人类工作的方式，达到改善建筑业工作环境、提高工作效率的目的，最终实现建筑施工作业与运行的完全自主化、智能化［4，7］。
各种智能化技术及机器人化装备进入建筑业领域，将催生建筑业的革命，传统的建筑设计、工程施工、建筑使用模式将随之改变［4-8］。以智能化及机器人所引领的新一代数字化营建技术，目前还处于起步阶段。目前国内外对于机器人技术与智能化技术如何与建筑业有效结合、建筑设计与营建施工如何适应智能化机器的介入等问题，都还处于探讨阶段，尚未形成清晰的发展思路。
在建筑施工过程中，机器人与智能化技术的应用相当广泛，包括焊接作业、挂钩作业、钢筋搬运、配筋作业、耐火材料喷涂、混凝土浇筑、地面磨光和清扫、天棚作业、板材安装以及外壁面喷涂等工艺过程。在工程施工过程中，目前已开发了可完成穿孔、凿岩、扩底孔、涵拱合装以及混凝土浆喷涂作业任务的多种类型的机器人设备，在桥梁建造和隧道施工中，也使用了机器人技术。
（一）建筑机器人
我国建筑机器人研究工作起步较晚，在恶劣或危险作业环境下的建筑机器人方面已取得了一些研究成果。在国家“863”计划资助下，开发出了无人驾驶的振动式压路机、可编程挖掘机、自动凿岩机、大型喷浆机器人、管道机器人等智能化机械设备。
河北工业大学研发成功我国第一套面向大尺寸、大质量板材建筑板材安装的辅助操作机器人系统—— C-ROBOT-I，可满足大型场馆、楼宇、火车站与机场等装饰用大理石壁板、玻璃幕墙、天花板等的安装作业需求。河北工业大学与河北建工集团还在国家“863” 计划的支持下，成功研制了面向高空幕墙安装的机器人系统C-ROBOT-II并获得发明专利，成果通过建设部门的鉴定已达到国际先进水平［9］。上海盈创建筑科技有限公司开发了3D 打印建筑机器人系统，并建造了世界首套 3D 打印别墅和世界最高的 3D 打印楼房［10］。此外，哈尔滨工业大学研究开发了一种遥控式壁面爬行检查机器人，可用于建筑物或大型储存罐等壁面检查及喷涂。中国科学院沈阳自动化所开发的水下作业机器人已用于水下打捞及探测等作业，目前正在开展挖掘型建筑机器人的研究工作。
（二）作业施工过程的自动化与智能化技术
近年来，面向铁路、公路、地铁等大型基础设施施工过程的自动化和智能化技术得到了逐步推广。在地铁及隧道施工过程中，盾构管片由于体积大，重量重，且需要在盾构机内部狭小的空间内完成拼装，因此均采用机器人技术进行施工［11］。针对隧道施工地质条 件复杂多变、工程事故易发的问题，基于无线传感物联网的隧道施工监控量测技术已投入应用［12］。在大型桥梁的施工过程中，通过开发桥梁智能化施工控制系统，采用自适应法 施工控制系统［13］，从数据采集、数据传输到控制决策，实现了实时化与智能化，从而使 桥梁施工控制达到高精度、高效率。中交第二公路勘察设计研究院将机器人技术应用在特大桥梁水准控制测量以及变形监测中［14］。针对建筑、桥梁建设中广泛使用的箱式钢结构，清华大学提出了一种新型的焊接机器人系统［15］。在港珠澳大桥的建设过程中，自动焊接机器人的应用大幅提升了产品的质量，提高了生产效率［16］。在体育场馆等大型钢构建筑施工中，已有专用的焊接机器人参与部件高精度对接作业，如北京奥运场馆“鸟巢”“中国第一高楼”上海中心、“世博轴阳光谷”等项目的钢结构施工中均用到了建筑焊接机器人［17］。
就公开资料来看，目前除盾构机等部分设备自动化程度较高外，智能化技术和机器人技术在大型工程施工过程中的应用还未普及。因此，大型工程施工中的自动化和智能化水平还有很大的提升空间。
（三）智能化施工设备及技术
建筑工业化及装配式建筑是未来建筑业发展的重要方向，我国已将其作为国家战略予以重点推进，包括建筑标准化、建筑构配件生产工厂化、施工机械化智能化等。目前， 面向装配式建筑的智能化生产技术开发明显不足，还没有形成有效的平台支撑［18］。上海 城建集团成立了预制装配式建筑研发中心［19］，建立了首个“装配式建筑标准化部件库”， 采用了RFID 芯片，并建设了以 PC构件为主线的预制装配式建筑BIM。中南建筑产业集团开发了全预制装配楼宇技术［20］。该技术用于解决装配式混凝土结构上下层竖向预制构件之间的钢筋连接，整体预制装配率达到90%以上。远大住宅工业有限公司研发的基于PC 的全生命周期绿色建筑，与传统建筑相比，具有节水节能等特点［21］。
目前，我国装配式建筑生产技术还不太成熟，工厂化生产虽然实现了预制件生产的机械化，但相关设备的自动化程度不高，智能化水平偏低，大量工序目前仍需工人手工实施。
（一）国外建筑机器人研究现状
在国际上，建筑机器人的研究始于 20 世纪 70 年代。日本作为先行者，相关工作主要集中于清水、鹿岛、小松等大型公司。美国的建筑机器人研究多集中在大学，包括麻省理工学院、南加州大学、哈佛大学、卡内基梅隆大学等。在欧洲多国在建筑机器人及数字化营建技术方面颇有建树，包括瑞士苏黎世联邦理工学院、英国帝国理工学院、西班牙加泰罗尼亚先进建筑研究所等。
最近五年，关于建筑机器人的研发工作快速增多。学术领域，西班牙加泰罗尼亚先进建筑研究所（IAAC）开发的3D打印建筑机器人系统MiniBuilders展示了多机器人协作实施大尺度工程施工的潜力［22］。瑞典Umea大学提出了可自动分离钢筋和混凝土的ERO 概念机器人，有望实现建筑物自动拆除和废料自动回收。麻省理工学院（MIT）开发了面向建筑施工外骨骼机器人SRA 和 SRL［23］，以及名为“数字营建平台（DCP）”的自动建筑机器人系统［24，25］。南加州大学开发了“轮廓工艺”高性能混凝土 3D打印技术，NASA 计划将其用于未来月球和火星基地的建造［26］。普渡大学开发了多表面重复装修作业机器 人［27］。新加坡未来城市实验室联合开发了MRT地瓷砖铺设机器人。英国帝国理工学院开发了多无人机协同3D打印技术，有望用于建筑物的建造过程［28］。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）及其附属的国家数字加工研究中心在建筑机器人研发方面建树颇多，开发的系统包括：自主砌墙机器人In-situ Fabricator，该系统智能化程度高，可在非结构环境下实施非标准墙体的砌筑作业［28，30］；钢筋网现场制作机器人 Mesh Mould，实现了非标准钢筋网的就地加工，并就用料、结构强度等进行优化［31，32］；首次提出了“飞行营建” 概念并利用四旋翼无人机进行了模拟搭建展示［33，34］；还研发了面向木制建筑物的机器人Robotic Timber Construction［35］。基于仿生学思路，哈佛大学设计了一种模仿白蚁群巢穴行为的 TERMES 微型群体机器人，并进行了搭建构筑物的模拟演示［36］。斯图加特大学模仿水蜘蛛的织网行为，提出了面向充气结构的自适应加固方法［37］。此外，机器人技术还被用于室内环境的营造和太阳能收集方面［38，39］。
在工业领域，近年来已有多家公司的建筑机器人产品投入或即将投入商用。如日本小松株式会社研发了“智能建设”系统，该系统集成了小松公司的无人驾驶挖掘机、推土机等设备，利用无人机监控施工进度，达成了多型工程设备的有效协同［40］。澳大利亚Fastbrick Robotics 公司推出了 Hadrian109 大型砌筑机器人系统。美国 Construction Robotics 公司发布了基于导轨和工业机械臂的 SAM（semi-automated mason）砌砖机器人。挪威的nLink 公司还推出了用于建筑物内部施工的自动钻孔移动机器人。
（二）国内外研究状况比较
综合上述信息可以看出，我国建筑用机器人的发展总体上落后于国外先进水平，但优势则集中在隧道、桥梁等大型基础设施的建设方面。首先，我国建筑机器人单机品类相对较少，相关设备的智能化程度也偏低，百花齐放的发展形势尚未形成。目前国内仅见板材安装、喷浆、清洗、构件焊接等少数几种建筑机器人系统。相较之下国外建筑机器人品类已较为丰富，墙体砌筑、钢筋网箍扎、瓷砖铺设、钻孔、3D 打印、清洗等机器人系统已投入商用。其次，新技术与新理念在建筑领域的应用拓展不足。如国外在 3D 打印建筑技术及设备的研究已较为充分［41］，我国则较为欠缺；再如基于无人机的飞行营建技术和可穿戴辅助施工设备方面，国内尚未开展研究；仿生学方法的应用也是如此。再次，人 - 机及多机合作是未来建筑机器人走向大规模应用的必然趋势。国外机构围绕该问题已从协同框架、理论算法、演示系统开发等多个层面开展很多卓有成效的工作，我国该方面的研究还非常薄弱。
建筑机器人及数字化营建技术的出现，势必引起传统建筑形式、施工模式及建筑环境的一场剧变。如何使两者有机结合、相互适应从而最大限度发挥智能营建的优势。对此， 英国政府已资助了一项名为“针对建筑环境的柔性机器人装配模块”（FRAMBE）的研究计划，拟就机器人技术引入建筑施工途径、方式以及建筑业如何适应这一变化开展系统性研究并完成实验验证，但目前国内尚未见类似研究。
（一）发展趋势
随着信息技术和智能机器人技术的不断成熟，以及人力成本的日渐攀升，机器人进入建筑及其他基础设施施工领域已成必然之势［1，6，7］。目前无论在工业界还是学术界，对于智能化施工设备及建筑机器人的研发越来越受重视，未来必将出现一个爆发式的增长。
（1）可重构的建筑机器人技术。建筑作业的差异化要求机器人具有可重构性，以便通过同一设备建造多类型工程，从而降低建筑机器人的开发、生产成本；而对于城市地下管线的探测与维护，模块化可重构的蛇形管线（线）机器人具有先天性优势。
（2）机器人与人协同工作技术研究。短期内建筑机器人无法独立开展工作，必然是以辅助施工角色配合工人施工［7］。因此，便捷的人 - 机交互模式、人员安全保护措施等， 是建筑机器人研发必须考虑的因素。
（3）机器人自主清洗与维护技术。受建筑施工环境及建筑材料特点所决定，建筑机器人硬件设备的可清洗性程度与自主保养能力、对于恶劣且复杂的工作环境的适应能力等， 都必须予以思考。
（4）机器人智能化技术提升。当前，建筑机器人的成型开发已初见端倪，机器人是智能化的操作体，既要有自主工作能力，又要具有一定的判断力，即“智能化”。未来建筑机器人需在智能化方面实现突破。
（5）特殊环境下的建筑机器人作业系统研制。以月球 / 火星基地、核辐射区蔽掩、水下设施等为代表的特殊建筑物，施工风险极高甚至人员不可达，未来建筑机器人必须能够在这些特殊环境中进行关键性作业。
（二）对策与展望
建筑智能化与机器人技术研究具有明显的行业特色和应用导向的特点。因此，建筑机器人研究一定要结合建筑业的实际情况和需求，以便更好地融入实际建筑任务，形成人、机和环境的统一整体。面对建筑行业的复杂背景，提出以下几条发展对策。
（1）在有关部门的统一协调下，结合各研发单位的优势进行立项，积极开展各单位的合作，做到突出重点、优势互补，避免重复研究和开发。
（2）由易到难逐步推进。对一些缺乏基础的项目，首先实现人工辅助机器人作业，然后逐步发展为全自动化、智能化模式。
（3）首先选择迫切需要的、容易实现的项目，例如，板材安装、墙体砌筑、抹灰等进行研究，逐步向其他高、精、尖项目发展。
（4）通过项目的研发，随着推广应用的深入，逐步带动一些建筑机器人的生产企业， 形成比较完整的建筑施工机器人的项目研究、生产制造、使用管理的产业链。
（5）随着建筑施工机器人的不断发展，建筑设计和施工的规范以及验收的标准也要随之适应改变，从而形成比较完整的建筑施工机器人行业发展和应用软件配套体系。
随着自动化、智能化技术的不断发展，建筑机器人技术必将逐渐走向普及。建筑机器人作为一项极具发展潜力的技术，有望实现“更安全、更高效、更绿色、更智能”的信息化营建，整个建筑业也将借机完成跨越式的发展。最近十余年来，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，相关技术及人才储备也较为充足。建筑业本身目前也具有强烈内生革新动力。因此，在国家大力推进建筑工业化，大力倡导发展装配式建筑的大背景下，以及提倡创新的诸多利好局势下，建筑机器人未来在我国必将取得长足的发展。
内容节选自《控制科学与工程学科发展报告》
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