基于建筑機器人的精益建造與管理實踐
——以廣州ST項目精裝修為例

段 瀚，張 峰，陳高虹，羅慶泉，吳露菲

（1、廣東博嘉拓建筑科技有限公司 廣東佛山 528000；2、廣東博智林機器人有限公司 廣東佛山 528000）

0 引言

2017 年2 月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進建筑業(yè)持續(xù)持續(xù)健康發(fā)展的意見》，意見指出研發(fā)制造和推廣智能建造設(shè)備，推廣BIM 技術(shù)全過程集成應(yīng)用并實現(xiàn)項目全生命周期的數(shù)據(jù)共享和信息化管理。2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提出，以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級為動力，形成涵蓋科研、設(shè)計、生產(chǎn)加工、施工裝配、運營等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。以積極推廣應(yīng)用建筑機器人為重點，促進建筑業(yè)提質(zhì)增效。2021 年3 月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳組織編制了《綠色建造技術(shù)導(dǎo)則（試行）》，推行精益化的生產(chǎn)和施工，有效采用BIM等相關(guān)技術(shù)，整體提升信息化水平。從國家政策導(dǎo)向不難看出，智能建造的發(fā)展是建筑產(chǎn)業(yè)全鏈條的數(shù)字化、工業(yè)化、綠色化。而建筑機器人的發(fā)展是全鏈條中的關(guān)鍵要素，其智能化發(fā)展能夠有效推動建造過程的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化與數(shù)字化。

1 項目概況

本案例項目位于廣州市增城區(qū)石灘鎮(zhèn)，以下簡稱ST 項目。此次裝修施工范疇為項目5 號樓，建筑面積合計11 964.67 m2。應(yīng)用了7 款建筑機器人、3 款運料機器人、5 款集中供給站，共74 臺機器人。運用了“建筑機器人+BIM+FMS（多機協(xié)調(diào)系統(tǒng)）+WMS（物流管理系統(tǒng)）”的建筑機器人系統(tǒng)性施工作業(yè)體系，通過科學(xué)的施工流水組織，進行了裝修階段端到端的智能建造生態(tài)實踐，初步構(gòu)建了裝修全周期施工閉環(huán)，實現(xiàn)了建造過程的精細化管理。

2 生產(chǎn)數(shù)字化

縱觀全球，建造業(yè)發(fā)展均呈現(xiàn)智能化、信息化、工業(yè)化態(tài)勢［1］。各國的專家、學(xué)者們對數(shù)字化建造的發(fā)展模式做了豐富的研究。數(shù)字建造是在新一輪科技革命大背景下，數(shù)字技術(shù)與工程建造系統(tǒng)融合形成的工程建造創(chuàng)新發(fā)展模式［2］。ST 項目利用多項數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)，完成了5號樓的建筑機器人系統(tǒng)性施工，如圖1 所示。項目在設(shè)計前端就采用了BIM 系統(tǒng)，應(yīng)用BIM 技術(shù)對工序組織進行模擬，同時考慮時間、空間以及安全等因素，對穿插施工進行可行性判斷，使得工作面得到充分利用［3］。當(dāng)進入精裝修施工階段后，同時應(yīng)用BIM 系統(tǒng)設(shè)置了所有建筑機器人的作業(yè)路徑，結(jié)合仿真、導(dǎo)航、視覺、算法等技術(shù)，實現(xiàn)自動化作業(yè)；且對施工計劃，人、材、機等進行信息化管理，實時了解現(xiàn)場施工進度以及資源配置情況。整個裝修過程采用BIM 數(shù)字化仿真分析、機器人施工、信息化管理、工廠化加工等數(shù)字化建造技術(shù)。數(shù)字化建造的實現(xiàn)，使得傳統(tǒng)建造模式轉(zhuǎn)向“制造-建造”的集成模式［4］。

由于在實際施工生產(chǎn)中會產(chǎn)生相關(guān)誤差，利用數(shù)字化測量技術(shù)模擬真實情形，能夠更快速、準(zhǔn)確、直觀地展示工程測量結(jié)果［5］。本項目采用了測量機器人對土建移交精裝修、室內(nèi)裝修、分戶驗收等環(huán)節(jié)進行實測實量工作，以此來修正現(xiàn)場施工過程中的數(shù)據(jù)偏差。測量機器人采用AI測量算法處理技術(shù)，通過點云掃描，模擬人工測量規(guī)則，利用虛擬靠尺、角尺等完成實測實量。通過實測實量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與天花、墻面打磨機器人進行聯(lián)動，進行修整工作，保證墻面、天花的質(zhì)量滿足后續(xù)裝修工序的要求。

同時，形成的數(shù)據(jù)在具體的施工環(huán)節(jié)會進一步指導(dǎo)相關(guān)工序，如與墻磚鋪貼機器人的聯(lián)動。墻磚鋪貼機器人施工首先是結(jié)合BIM 模型地圖導(dǎo)入路徑規(guī)劃系統(tǒng)，確定墻磚鋪貼機器人的作業(yè)路徑。同時依托測量機器人的點云掃描技術(shù)，將墻體的垂平度、方正性、陰陽角數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息語言導(dǎo)入墻磚鋪貼機器人中，形成瓷磚膠涂膠厚度和鋪貼排版信息，結(jié)合視覺識別進行二次定位，獲得目標(biāo)物體的空間位置和姿態(tài)等有效信息，最后利用所得信息使機械臂完成抓取、涂膠、鋪貼等動作［6］。測量機器人與墻磚鋪貼機器人的組合施工，呈現(xiàn)出了通過建筑機器人應(yīng)用以及BIM 系統(tǒng)構(gòu)建的智能建造體系實踐，可賦能傳統(tǒng)施工生產(chǎn)要素，重塑施工組織關(guān)系，如圖1所示。

圖1 建筑機器人驅(qū)動下的生產(chǎn)數(shù)字化Fig.1 Production Digitalization Driven by Construction Robotics

3 施工標(biāo)準(zhǔn)化

3.1 施工組織

效率是基于生產(chǎn)相關(guān)的人、材、機和環(huán)境之間的相互作用［7］。在傳統(tǒng)施工中，施工計劃是基于工期和經(jīng)驗組織的生產(chǎn)全要素的效率組合，但建筑產(chǎn)品多種多樣，其施工過程涉及大量的施工工藝，工序工種復(fù)雜繁瑣。同時，從事建筑施工的人員大多數(shù)為年齡偏大的農(nóng)民工，施工方法往往通過口口相傳的方式進行傳教，導(dǎo)致施工標(biāo)準(zhǔn)化難以落地，個體施工效率的差異較大，整體呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性，因此實際的施工組織與施工計劃總是存在較大的偏差。然而，建筑機器人的出現(xiàn)，使得正向的以及由要素自下而上形成的施工組織效率能夠進行量化，形成“穩(wěn)定的”施工流水線。

ST項目的精裝修工程是在主體結(jié)構(gòu)封頂后進入，基于建筑機器人不同的施工效率、對應(yīng)工序材料的特性以及工藝工法的復(fù)雜性，編制總控施工進度計劃。本次施工的關(guān)鍵線路分為3 個內(nèi)容（見圖2）：由下而上的墻面油漆工程，由膩子涂敷、膩子打磨與室內(nèi)噴涂等機器人系統(tǒng)作業(yè)。油漆工程具有工序較為繁復(fù)、占據(jù)場地范圍廣、施工工效高、節(jié)奏快等特點，是3 條關(guān)鍵線路中的主線路。為了保障主線路的效率整體最大化，確定為由下而上的順序施工流水；針對墻磚鋪貼工程特性，結(jié)合墻磚機器人施工區(qū)域獨立性較強，對于施工范圍外的場地影響較小，穿插施工相對靈活，設(shè)置為從中間樓層進行穿插作業(yè)；而針對地磚鋪貼工程，由于地磚鋪貼工藝施工后需預(yù)留瓷磚膠靜止固化時間較長，占據(jù)的施工范圍較廣，對其余工序穿插施工的影響最大，以及地磚鋪貼機器人效率較高，因此其流水鋪排為自上而下的方式，可避免與其他工序穿插施工的沖突。同時，整個施工過程有三項重點內(nèi)容：①前置準(zhǔn)備。作業(yè)前對施工場地進行實測與修整，以滿足建筑機器人自動化作業(yè)條件，穩(wěn)定建筑機器人的施工效率；②輔助措施。物料供應(yīng)采用集中供應(yīng)、自動運輸?shù)姆绞?，保障建筑機器人持續(xù)地自動化運行；③集中充電與集中沖洗。機器人作業(yè)的最大特性就是可連續(xù)、可穩(wěn)定作業(yè)，所以作業(yè)前中后期都要進行供電保障。以及為了保持可持續(xù)的作業(yè)，對機器應(yīng)當(dāng)進行及時沖洗，以免材料凝結(jié)，導(dǎo)致作業(yè)中斷。

圖2 建筑機器人施工流水模式Fig.2 The Construction Flow Pattern of Construction Robotics

3.2 材料管理

傳統(tǒng)施工中，材料管理缺乏數(shù)字化管理。從材料下單、進場、二次轉(zhuǎn)運到使用多數(shù)為線下管理。由于建筑材料的多樣性，人工管理易導(dǎo)致材料管理雜亂無章、損耗嚴(yán)重，因此需構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)信息傳遞平臺，對材料進行信息化、精細化管理，使得材料的全生命周期管理具有可追溯性［8］。ST 項目通過采用信息化管理技術(shù)，植入智能物料供應(yīng)體系，對材料進行集中管理，全程監(jiān)控物料出入，實現(xiàn)倉儲管理智能化、材料加工集中化、材料運輸自動化（見圖3）。

圖3 材料智能化管理Fig.3 Intelligent Management of Materials

⑴倉儲管理智能化

應(yīng)用智能物料管理系統(tǒng)，能夠滿足關(guān)于裝修物料存儲與管理的功能，如：倉儲管理、自動存取、物料預(yù)警、批量取料、權(quán)限管控、智慧平臺數(shù)據(jù)交換以及物料供應(yīng)鏈接生產(chǎn)線集成等，形成一個工業(yè)模塊化的物料存儲管理系統(tǒng)，可根據(jù)項目管理人員提需實際情況（產(chǎn)品型號、需求用量、施工區(qū)域等）自動配送相關(guān)物料到達指定區(qū)域。

⑵材料加工集中化

對于材料的加工分為兩類，塊狀材料如瓷磚在瓷磚加工區(qū)集中加工。流質(zhì)體類材料按標(biāo)準(zhǔn)化配比集中攪拌，設(shè)有瓷磚膠攪拌站、膩子攪拌站、乳膠漆攪拌站。通過集中處理后的物料配送至作業(yè)樓層，戶內(nèi)整體設(shè)置瓷磚堆放區(qū)、泡磚區(qū)和流質(zhì)體物料輸送點，形成統(tǒng)一化管理。

⑶材料運輸自動化

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需求指令，利用智能物流管理系統(tǒng)，通過物流搬運機器人搬運塊狀材料、流質(zhì)體運輸機器人運送流質(zhì)體類材料，以及智能施工電梯的結(jié)合，實現(xiàn)材料無人化自動運輸，大大降低了材料損耗和運輸成本。

3.3 相關(guān)構(gòu)件

工業(yè)化裝修具有明顯的環(huán)保效益、質(zhì)量效益、成本效益以及工期效益，是市場發(fā)展的必然趨勢［9］。ST 項目部分裝修部件如踢腳線、石膏線、鋁扣板、門套、門、櫥柜、衛(wèi)浴等通過模塊化設(shè)計，在工廠進行標(biāo)準(zhǔn)、高效的流水化生產(chǎn)，按照工序在現(xiàn)場進行穿插組裝。通過自動化的機器取代手工作業(yè)、工廠加工取代現(xiàn)場施工，不僅提高生產(chǎn)效率，而且減少材料損耗和現(xiàn)場作業(yè)產(chǎn)生的建筑垃圾，進一步實現(xiàn)了精裝修的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和綠色化。

4 管理精細化

建筑業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，工人技能參差不齊，穩(wěn)定性較弱，加上以手工作業(yè)為主，導(dǎo)致其管理較為分散、計劃執(zhí)行力度不高，因此精細化管理在施工管理中尤其重要與必要［10］。ST 項目基于建筑機器人的施工工效，利用BIM 系統(tǒng)與測量機器人將工程信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字語言，結(jié)合資源配置、施工安全、質(zhì)量、技術(shù)、成本等生產(chǎn)要素進行施工流水鋪排，形成施工計劃。但由于施工生產(chǎn)環(huán)節(jié)面臨多元的問題，為了進一步確保施工計劃的準(zhǔn)確性，項目同時運用了工單管理系統(tǒng)（見圖4）。通過派發(fā)施工工單，F(xiàn)MS系統(tǒng)（多機協(xié)調(diào)系統(tǒng)）接收工單后調(diào)度機器人按指定路徑到指定區(qū)域進行施工；同時，同步物料需求至WMS 系統(tǒng)（物料管理系統(tǒng)）。WMS 系統(tǒng)接收指令后調(diào)度集中供給站及運料機器人進行物料供應(yīng)，并對物料出入庫進行智能化管理。實際施工完成數(shù)據(jù)通過機器人反饋回工單管理系統(tǒng)，形成工單閉環(huán)。整個工單管理機制對項目的計劃與控制兩個過程進行有效整合［11］，每個最小管理單元的各個環(huán)節(jié)責(zé)任到個人，各個環(huán)節(jié)的工作明確，并且被記錄、可追溯、可管理，同時實行3d 滾動排查模式，對人、材、機等資源配置問題早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早處理，實現(xiàn)建造過程的精細化管理。

圖4 工單管理系統(tǒng)流程Fig.4 The Flow of Work Order Management System

5 結(jié)語

智能建造方興未艾，“智能”在建筑業(yè)各個環(huán)節(jié)都在嵌入式的蓬勃發(fā)展。建筑機器人的智能化發(fā)展將會是推動傳統(tǒng)建筑業(yè)向標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、數(shù)字化與智能化的關(guān)鍵抓手，是傳統(tǒng)建筑業(yè)進一步分工與管理精細化的關(guān)鍵要素。目前，雖然建筑機器人的發(fā)展還處于起步階段，但在廣州ST 項目中已經(jīng)體現(xiàn)出了生產(chǎn)端的集中優(yōu)化，如整體效率穩(wěn)定、質(zhì)量符合要求以及工期進一步提升等。同時由于建筑機器人與BIM 系統(tǒng)的結(jié)合，施工生產(chǎn)現(xiàn)場的分工進一步重組與優(yōu)化，推動了管理端的精細化。面對建筑機器人這一新技術(shù)的不斷發(fā)展，未來還要進一步探索建筑機器人與設(shè)計端的標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)動、與上游供應(yīng)鏈的信息互聯(lián)、與智能產(chǎn)品終端的運維反饋以及與BIM 和區(qū)塊鏈技術(shù)的管理協(xié)同等。