建筑4.0： 建筑機器人發展，是機遇還是挑戰？

近年來，機器人和自動化系統越來越多地出現在各行各業，甚至成為了我們日常生活的一部分，正改變著我們的生活和工作方式。傳統人力正讓位于現代機器人技術。‎但建筑業目前仍然是自動化程度最低的行業之一，體力勞動仍被認為是生產力的主要驅動力。目前我國建筑業信息化率僅約為0.03%，與國際建筑業信息化率平均水平0.3%相比差距巨大。建筑產業信息化建設任重而道遠。

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建筑機器人市場

建筑智能建造產業升級是解決建筑業諸多問題的有效途徑之一。廣義的建筑機器人囊括了建筑物全生命周期相關的所有機器人設備，狹義的建筑機器人特指與建筑施工作業密切相關的機器人設備，通常是一個在建筑預制或施工工藝中執行某個具體的建造任務(如砌筑、切割、焊接等)的裝備系統。

建筑機器人行業的市場需求與建筑業息息相關。從全球市場來看，近年全球建筑機器人行業的規模保持持續增長態勢，2020年全球建筑機器人的市場規模達到1.13億美元，同比增長了15.31%。同時，熟練勞動力的減少使得建筑業越來越需要專業的機器人來跟上城市化建設的步伐，以及符合綠色建造的要求。

我國建筑業產值規模不斷擴大，也為建筑機器人行業提供了充足的發展空間。預計到2023年，中國建筑機器人行業應用規模將達到224億元。雖然目前中國的建筑機器人專利技術增長迅速，但大部分仍在研發期，并未進入商用領域或實現規模化量產，下游應用滲透率不及1%。

· 建筑業難題

建筑業勞動力短缺問題正日益加劇。越來越少的年輕人打算投身于建筑行業。同時，建筑施工也伴隨著嚴重的安全問題。根據粗略統計，約30%的職業事故發生在建筑業，建筑業發生致命事故的風險是其他行業的四倍。同時，勞動生產率問題，成本效益問題，也是建筑參與者們關注的重點問題。

通過機器人可以解決工地的健康和安全問題，完成大型和重型負載的搬運，以及代替工人在環境污染區域完成工作。此外，機器人可以完成復雜、重復的加工處理工作，執行危險性任務。通過自動化的施工方式，填補行業內勞動力和技術工人的短缺，也吸引年輕人加入建筑領域的工作。

從成本效益來看，以混凝土材料的使用為例，相比傳統建造方式，3D打印混凝土技術可以節約建筑材料30%-60%，節省人工成本50%-80%，縮短工期50%-70%，從而大幅降低建筑生產成本。

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目前的機器人技術

根據波士頓咨詢集團（BCG）從2019年開始的研究，到2025年，全球工業自動化程度將提高15%，主要由機器人的使用而推動，特別是諸如裝載、卸載機器類的常規任務的自動化技術。

KEWAZO是一家位于慕尼黑的德國初創公司，專注于機器人控制的腳手架組裝。在建筑施工過程中，腳手架組裝工作非常低效且勞動密集——超過80%的時間用于在組裝過程中運輸腳手架零件。KEWAZO為建筑工地和工業廠房提供智能機器人電梯，可有效地進行腳手架施工。‎KUKA集團與斯圖加特大學計算機設計與建筑學院 (ICD)合作，借助兩款 KUKA 產品實現了輕質建筑構件的機器人化制造工藝。

建筑行業技術創新的另一個例子是蘇黎世聯邦理工學院，該大學正在建造一種環境智能的移動建筑機器人，用于直接在施工現場建造組件。借助于攝像頭、傳感器和智能控制系統，這類機器人能夠獨立定位和導航，還可以對各種不可預見的問題做出反應，如施工材料的偏差等。‎2021年，ABB集團還與蘇黎世聯邦理工學院共同開發了一種木結構建筑機器人。

另一家位于丹麥的奧迪卡模板機器人公司Odico Framework Robotics，則致力于通過機器人制造大型建筑模板。

機器人在建筑行業的另一個應用領域是傳感器技術的自動化。包括掃描建筑工地并記錄當前狀態的測量車輛。通過機器人實現速度更快、范圍更廣的數據收集和數據處理分析。這些數據可以支持決策者進行規劃決策，幫助實現項目的數字孿生建設。‎

機器人在建筑行業的使用

在自動化水平、機器人應用方面，制造業、汽車領域的水平要遠高于建筑業水平。目前，大多數機器人的研發是由工業機器人為基礎，結合建筑領域的特點，加以創新發展而來。雖然國內外建筑機器人發展水平不一，但整體上偏向于新材料（如輕質碳纖維）建筑物、構件加工以及構件施工安裝、搬運方面的應用。部分機器人廠商已實現自動定位，自動巡視等功能。智能建造機器人的應用潛力還很大，其智能化水平以及普適度，還需進一步的研究與完善。

· 新建筑中的機器人技術應用

基于信息物理系統的建筑智能建造通過充分利用信息化手段以及機器人智能建造裝備的優勢，可以有效加強環境感知、建造工藝、材料性能等因素的信息整合。對于新建筑，有許多機器人可以使人類施工更有效，更安全。例如，在單戶住宅和標準化建筑的預制件制作過程中，機器人以及機械工作已經是標準配置。各個構件在工廠的生產線上制造，然后在幾個小時內在安裝現場組裝。‎‎但機器人技術的潛力遠未如此。機器人可以替代人類完成一些特別危險或高強度工作，如在高層施工和重型部件運輸，此類工作可以通過腳手架機器人，或為建筑物配備窗戶的立面機器人實現。

· 機器人在運維中的應用

運維階段的翻新和修繕工作，也可以通過機器人來完成。但在翻新過程中，自動化流程的運行要求和熟練度的要求，使得機器人的使用變得困難得多。建筑工地及其流程最初用于手動工作，首先必須適應機器人，以便提高其性能。‎考慮到維修工作環境的特殊性，翻新工作中應用的機器人應該是便攜式機器人。翻新機器人的使用已有很多應用案例，如粉刷外墻和室內裝飾，組裝天花板或鋪設瓷磚。在未來，機器人甚至可以接管整個室內設計和室內裝修。

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建筑機器人疑慮

機器人的大力推廣與研發也伴隨著部分建筑行業參與者的疑問。

· 建筑工地的復雜性是機器人技術使用的障礙‎？

機器人的特點是在受控且安全的環境中高效率地進行重復任務。但建筑工地具有復雜性和不確定性。單個（建筑）機器人的確能夠接管鋪設磚石或構件裝配的過程。但為了機器人的使用真正高效且有利可圖，機器人需要具有適應環境實時變化的功能。‎這種功能應是機器人自身所具備的，而不是需要定制化開發或是重新編程才能實現的。

建筑機器人的工作內容還有著位移空間大、負載需求高、自由度需求高、安全系數要求高等特點。隨著工業機器人軸數的增多，多軸聯動控制系統的研究愈發深入，發展到今天已經出現了七軸機器人熱潮。為了應對這些工作難點，新一代建筑工業機器人需要具備模塊化、智能化和系統化的功能特點。

· 機器人比人類勞動力便宜？‎

使用機器人是否就比人類勞動力便宜，這個問題在現階段仍然難以回答。機器人的投資成本非常高，截至目前，只有少數機器人用于實際施工現場。此外，在使用機器人時，需要考慮整個生命周期。除了實際的購買和調試外，定期維護、重新編程和更新也是一項不容忽視的成本開支。建設項目的范圍也是一個決定性的成本影響因素：隨著項目規模的增加，不僅所需機器人的數量將增加，監控范圍也隨之增加。‎但從長遠角度來看，結合目前建筑基層工人老齡化趨勢明顯和勞動人口流失率高等現象，建筑施工中對機器人的投入將是可持續性更高的選擇。

· 機器人的應用取代人類勞動力？

在效率方面，相比人工，機器人的確有著巨大優勢。例如美國建造機器人公司（Construction Robotics）開發的半自動砌磚機器人（Semi-Automated Mason, SAM）砌筑系統可使墻體砌筑效率提高3-5倍，減少80%的人工砌筑作業。目前該砌筑機器人系統已投入商用。

與此同時，有些人認為數字化可以減少就業機會并取代勞動力。但就目前來說，機器人還不可能完全取代人類勞動力。施工過程非常復雜，需要一定的靈活性。但隨著數字化在建筑行業的進一步發展，在工程施工領域，也許會創新發展出一個完全自動化、數字化的、可以實現機器人化的建筑工地。‎‎即便如此，‎建筑工地的人力也不會消失，只是變成了操控機器人的角色。‎機器人技術不是對建筑行業勞動力的威脅，而是一個未來的機遇。

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總結

機器人在建筑行業目前正處于起步研發階段。已有部分項目采用了機器人進行施工工作。特別是在新建建筑以及場地測量方面，機器人是高效率幫手。當然，建筑機器人仍然需要進一步得研發完善，包括流程的調整，操作人員的培訓等，最重要的是，需要提高機器人日常使用的適用性。‎

建筑業的自動化進程雖然緩慢，但數字化技術的應用已在建筑行業快速地推廣。從長遠來看，可以擴大和改善人類的工作并提高生產率的建筑機器人等智能建造技術，在未來也將會得到推廣使用。‎

文章來源：魯班研究院