自動(dòng)化技術(shù)在建筑裝修工程中的應(yīng)用

吳文凱,趙寒濤,李 麒,董 莘

(黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所,哈爾濱 150090)

0 引言

建筑業(yè)在科技革新的推動(dòng)下,作為勞動(dòng)密集型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)具有巨大的升級(jí)空間,要推進(jìn)新型城市建設(shè),需發(fā)展智能建造,推廣綠色建材、裝配式建筑及鋼結(jié)構(gòu)住宅[1]。裝修工程是建筑業(yè)的重要組成部分,傳統(tǒng)的施工方法與手段存在機(jī)械化程度低、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、依賴成熟技術(shù)工人等缺點(diǎn),限制了其發(fā)展,而將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于建筑裝修工程中,可全面提升其智能化、自動(dòng)化程度,推動(dòng)智能建造的發(fā)展。

裝修裝飾工程是建筑物完成主體結(jié)構(gòu)建造后通過進(jìn)一步作業(yè)達(dá)到投入使用目的所需的施工工程,包括建筑地面工程、抹灰工程、門窗工程、吊頂工程、輕質(zhì)隔墻工程、飾面工程、幕墻工程、涂飾工程、裱糊與軟包工程、細(xì)部工程等[2],具有項(xiàng)目繁雜、工程量大、周期長(zhǎng)、人工量大、造價(jià)高等特點(diǎn),普遍存在機(jī)械化施工程度與生產(chǎn)效率低及施工質(zhì)量不穩(wěn)定的問題,其生產(chǎn)效率與施工質(zhì)量主要取決于管理制度的完善程度及施工人員的技術(shù)水平,故亟需提升施工作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化水平,利用重復(fù)精度較高的自動(dòng)化施工設(shè)備,保障施工質(zhì)量與效率,節(jié)約工程成本。建筑業(yè)對(duì)裝修施工作業(yè)自動(dòng)化的需求體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)重體力作業(yè)的機(jī)械化替代。室內(nèi)裝修工程同其他建筑工程類似,存在重體力作業(yè),涉及設(shè)備、物料的搬運(yùn)與使用,對(duì)工人的體力有著較高的要求。許多工序需要登高作業(yè),存在諸多的安全隱患。而機(jī)械化施工作業(yè)可以有效提高工作效率,節(jié)省人工,減少安全隱患。

2)保證高精度的施工作業(yè)。裝修施工工程是對(duì)毛坯建筑物不平整、歪斜結(jié)構(gòu)面或線進(jìn)行找平修正、補(bǔ)平等,單純依靠人工進(jìn)行測(cè)量施工精度有限,人為引入誤差波動(dòng)較大,難以保證高效完成高精度作業(yè)。引入自動(dòng)化測(cè)量技術(shù),結(jié)合機(jī)械化的高重復(fù)精度,是保證高精度作業(yè)的重要途徑。

3)技術(shù)工種工序的自動(dòng)化替代。裝修工程許多工序作業(yè)如抹灰、刮膩、鋪磚等對(duì)技術(shù)工人的要求較高,高度依賴數(shù)量有限、培養(yǎng)周期長(zhǎng)的熟練技術(shù)工人,導(dǎo)致施工質(zhì)量及生產(chǎn)效率相互制約,難以實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量工程。開發(fā)專用的自動(dòng)化設(shè)備及配套工藝技術(shù),操作便捷,不依賴工人作業(yè),可達(dá)到更高質(zhì)量、更高水平、更高效率的施工。

4)質(zhì)量驗(yàn)收自動(dòng)化。裝修工程完成施工后需要進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收,質(zhì)檢人員按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)流程作業(yè),采用專業(yè)的檢測(cè)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行驗(yàn)收。但部分檢測(cè)指標(biāo)的幾何尺寸無法實(shí)現(xiàn)窮盡測(cè)量,采用抽取檢測(cè)結(jié)果則可能遺漏有缺陷的位置。隨著技術(shù)的發(fā)展,視覺檢測(cè)技術(shù)已成功應(yīng)用于裝修工程質(zhì)量驗(yàn)收中,可以更加直接全面地檢測(cè)參數(shù),實(shí)現(xiàn)質(zhì)量驗(yàn)收自動(dòng)化,全面提升效率。

5)施工作業(yè)的數(shù)字化與信息化。裝修工程質(zhì)量與施工管理水平密切相關(guān),采集、整理、統(tǒng)計(jì)、分析、管理施工數(shù)據(jù)是智能建造必不可少的環(huán)節(jié)。構(gòu)建自主可控的工程項(xiàng)目管理平臺(tái),建立企業(yè)、行業(yè)大數(shù)據(jù)中心,提供大數(shù)據(jù)分布式云存儲(chǔ)、高效處理及計(jì)算,創(chuàng)建全息數(shù)字化模型,對(duì)工程建造全過程數(shù)據(jù)流、工作流進(jìn)行管控是工程施工實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與信息化發(fā)展的主要趨勢(shì)[3]。

1 自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

將各種先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)如傳感器測(cè)量、人工智能、自動(dòng)控制、視覺識(shí)別、機(jī)器人等引入到建筑業(yè)中是未來的發(fā)展趨勢(shì)。以下自動(dòng)化技術(shù)已應(yīng)用于裝修工程中,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化建設(shè)。

1.1 BIM建筑信息模型技術(shù)

BIM(Buildig Information Modeling)是建筑信息建模技術(shù),是利用信息技術(shù)將工程/設(shè)施通過數(shù)字化處理,將各式信息以3D形式用于協(xié)助或解決工程不同生命周期階段各種問題[4]。BIM模型中每一個(gè)構(gòu)件都包含具體信息,包括材料、單價(jià)、重量、廠家、進(jìn)度、負(fù)責(zé)人等,并在建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的每個(gè)階段中進(jìn)行精細(xì)化管理。

BIM全壽命周期模型直觀可視,通過三維圖形可以完整地表達(dá)建筑的空間位置關(guān)系及構(gòu)件的幾何形狀,可視化地呈現(xiàn)所有參數(shù)報(bào)表及建設(shè)效果圖,幫助完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)決策。在裝修施工中應(yīng)用BIM技術(shù),可將CAD設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化成可視化三維模型,使人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)或施工中存在的問題,實(shí)現(xiàn)各部門的信息溝通共享,通過計(jì)算工程用料、用量來提高效率,保障項(xiàng)目順利進(jìn)行。

1.2 SLAM建圖導(dǎo)航技術(shù)

SLAM技術(shù)(Simultaneous Localization and Mapping)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù),一般是指機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng),在移動(dòng)過程中根據(jù)位置及地圖進(jìn)行自身定位,建造增量式地圖,是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主定位及導(dǎo)航的重要技術(shù)[5]。

室內(nèi)裝修工程智能化施工需要機(jī)器人具有較強(qiáng)的自主性,能夠進(jìn)行自身導(dǎo)航并進(jìn)行定位施工,因此SLAM技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。目前,SLAM系統(tǒng)主要基于視覺、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)及慣性導(dǎo)航傳感器等硬件設(shè)備進(jìn)行環(huán)境感知與探測(cè),通過測(cè)量機(jī)器人當(dāng)前所在位置方位與周圍墻面、立柱、障礙物的距離,進(jìn)行不斷掃描以建立環(huán)境地圖?；趹T性導(dǎo)航傳感器定位設(shè)備所在位置,生產(chǎn)自動(dòng)規(guī)劃的行駛路徑與施工定位點(diǎn),為高精度施工進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

1.3 機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺技術(shù)是通過光學(xué)裝置及非接觸式傳感器自動(dòng)接收、處理一幅真實(shí)物體的圖像,獲得所需信息并將其用于控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)的裝置[6]。

裝修工程需要進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備站位定位,傳統(tǒng)的人工作業(yè)通過激光投線儀等設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)找正,而自動(dòng)化施工可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量定位,借助機(jī)器視覺技術(shù),在結(jié)構(gòu)光的照射環(huán)境下,通過工業(yè)相機(jī)對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行圖像采集,結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)對(duì)施工對(duì)象的幾何要素、表面平整度、光潔度等進(jìn)行檢測(cè),引導(dǎo)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整角度校正作業(yè)姿態(tài),對(duì)已完成施工的對(duì)象進(jìn)行測(cè)量檢驗(yàn)以評(píng)價(jià)是否符合施工要求,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化施工及指標(biāo)檢測(cè)功能。

2 裝修機(jī)器人的發(fā)展

自動(dòng)化技術(shù)在建筑裝修工程中的應(yīng)用越來越多,適用于各種工程施工的裝修機(jī)器人不斷涌現(xiàn),成為智能建造不可或缺的重要組成。按施工類型主要分為以下幾種:

2.1 噴涂機(jī)器人

裝修噴涂作業(yè)相較于滾涂具有更高的效率,但作業(yè)過程污染較大,采用機(jī)器人替代人工能夠減少對(duì)施工人員的身體損害。不同于工業(yè)噴涂機(jī)器人相對(duì)固定的方式,裝修噴涂機(jī)器人具有自行規(guī)劃施工路徑并自動(dòng)移動(dòng)的功能。

2007 年,研究人員開發(fā)了室內(nèi)裝修機(jī)器人(如圖1)用于墻面噴漆,采用機(jī)械臂作為動(dòng)作機(jī)構(gòu),可進(jìn)行油漆混合噴涂,實(shí)現(xiàn)顏色的調(diào)配[7]。

圖1 室內(nèi)裝修機(jī)器人

2018年,研究人員開發(fā)了用于室內(nèi)墻壁噴漆的機(jī)器人Pictobot(如圖2),它是一種基于激光掃描引導(dǎo)的可移動(dòng)6自由度機(jī)器手噴涂系統(tǒng),通過三維激光掃描儀識(shí)別環(huán)境地形,可避免油漆等有害物質(zhì)被人體攝入的風(fēng)險(xiǎn)及危害[8]。

圖2 Pictobot機(jī)器人

我國(guó)研發(fā)的室內(nèi)噴涂機(jī)器人能夠?qū)γ?、天花板及石膏線等結(jié)構(gòu)進(jìn)行乳膠漆的底漆、面漆噴涂,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)噴涂的自動(dòng)化(如圖3)。

圖3 我國(guó)研制的室內(nèi)噴涂機(jī)器人

2.2 抹灰機(jī)器人

抹灰工程是對(duì)毛坯墻面進(jìn)行灰漿的抹涂、刮平作業(yè),實(shí)現(xiàn)對(duì)墻面凹凸、歪斜粗的找平,以彌補(bǔ)澆筑過程后產(chǎn)生的表面缺陷。抹灰工程工序十分重要,是后續(xù)刮膩?zhàn)印娖峒百N磚的必要作業(yè),施工量大,占用人工多,找正要求高,工人熟練程度對(duì)其施工質(zhì)量影響較大。抹灰施工機(jī)器人的出現(xiàn)大大提高了墻面施工的自動(dòng)化程度及質(zhì)量。目前較為成熟的抹灰機(jī)械產(chǎn)品主要為鋼絲繩吊掛式及齒輪齒條式抹灰機(jī)(如圖4),能夠?qū)⑸皾{涂覆于墻面再進(jìn)行振實(shí)刮平作業(yè)的半自動(dòng)化,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了人工替代,但仍存在生產(chǎn)效率低、抹灰密實(shí)程度不均勻、功損相對(duì)較高等問題[9]。

抹灰工程“智能裝備+產(chǎn)業(yè)工人”模式采用砂漿輸送泵+機(jī)械噴涂機(jī)+刮平機(jī)器人3種設(shè)備組合使用(如圖5),實(shí)現(xiàn)了砂漿自出罐泵送至樓層、噴涂上墻至抹面成型的人機(jī)融合作業(yè)。

圖5 抹灰機(jī)器人

機(jī)器人抹灰系統(tǒng)(如圖6)已應(yīng)用于某項(xiàng)目的地下室主配電機(jī)房墻面抹灰工程中。由供料設(shè)備、送料管、抹灰機(jī)器人等部分組成,通過BIM建模提前布放的定位激光線,實(shí)現(xiàn)機(jī)器抹灰。

圖6 機(jī)器人抹灰系統(tǒng)

2.3 鋪磚機(jī)器人

墻面與地面裝飾磁磚的鋪貼是裝修工程的重要組成部分,要求磚塊間表面平整、接縫均勻、水平垂直,對(duì)工人的技術(shù)水平要求很高。

智能機(jī)器人協(xié)作鋪磚系統(tǒng)(如圖7)基于CSPACE實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)及MATLAB/Simulink開發(fā),利用機(jī)器臂完成取磚、抹灰、鋪貼等一系列動(dòng)作,完成地磚鋪貼施工。

圖7 智能機(jī)器人協(xié)作鋪磚系統(tǒng)

地磚鋪貼機(jī)器人CA80(如圖8)利用綜合激光導(dǎo)航、視覺識(shí)別、標(biāo)高定位等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自主行走、精準(zhǔn)移位、規(guī)劃鋪貼,進(jìn)行瓷磚膠鋪設(shè)、地磚運(yùn)輸、地磚鋪設(shè)施工過程自動(dòng)化作業(yè)。還開發(fā)了一款用于室內(nèi)墻磚鋪貼的自動(dòng)化機(jī)器人(如圖9)。

圖8 磚鋪貼機(jī)器人CA80

圖9 墻磚鋪貼機(jī)器人

2.4 其他建筑裝修機(jī)器人

除上述裝修機(jī)器人外,研究人員根據(jù)不同的市場(chǎng)需求開發(fā)了各類產(chǎn)品,如地面整平機(jī)器人、墻面打磨機(jī)器人、膩?zhàn)油扛矙C(jī)器人等。這些機(jī)器人處于不同的開發(fā)與應(yīng)用階段,對(duì)建筑裝修工程的智能化、自動(dòng)化升級(jí)起到重要的推動(dòng)作用,是智能建造的必然發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)束語

針對(duì)智能制造的發(fā)展趨勢(shì),分析了室內(nèi)裝修工程對(duì)于施工自動(dòng)化的需求,介紹了自動(dòng)化技術(shù)在建筑裝修中的應(yīng)用及主要的機(jī)器人產(chǎn)品,以期促進(jìn)建筑裝修的智能化、自動(dòng)化的發(fā)展。