高层建筑施工机器人的发展与展望.pdf

２０１７ 年 ４ 月下 第 ４６ 卷 第 ８ 期 施 工 技 术 ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ１０５ ＤＯＩ１０􀆱 ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１７０８０１０５ 高层建筑施工机器人的发展与展望 沈海晏，张维贵，刘 静，邱 科 （深圳市特辰科技股份有限公司，广东 深圳 ５１８００１） ［摘要］ 随着高层建筑施工技术的不断发展，建筑施工机器人的技术也应运而生。 通过机械化和智能化两个方面， 阐述了在附着式升降脚手架基础上发展的机器人爬架的特点，并提出了未来高层建筑施工机器人必然以机器人爬 架为平台载体，向建筑机器人生产线的发展趋势。 ［关键词］ 高层建筑；脚手架；爬架； 建筑机器人 ［中图分类号］ ＴＵ６８９［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００２⁃８４９８（２０１７）０８⁃０１０５⁃０４ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｒｏｂｏｔｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｒｉｓｅ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ＳＨＥＮ Ｈａｉｙａｎ， ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉｇｕｉ， ＬＩＵ Ｊｉｎｇ， ＱＩＵ Ｋｅ （Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｔｅｃｈｅｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ． ， Ｌｔｄ． ， Ｓｈｅｎｚｈｅｎ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１８００１， Ｃｈｉｎａ） ＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ⁃ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ， ｒｏｂｏｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｒｔ ｔｏ ａｐｐｅａｒ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｘｐａｔｉａｔｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ ｒｏｂｏｔｓ ｗｈｉｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｔｔａｃｈｅｄ ｓｅｌｆ⁃ｌｉｆｔｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄｓ ｂｙ ｔｗｏ ａｓｐｅｃｔｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ． Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｏｂｏｔｓ ｉｎ ｈｉｇｈ⁃ ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｕｓｔ ｂｅ ｔｏ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｒｏｂｏｔｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ ｒｏｂｏｔｓ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ； ｓｃａｆｆｏｌｄｓ； ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ； ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｒｏｂｏｔｓ ［作者简介］ 沈海晏，高级工程师，总经理，Ｅ⁃ｍａｉｌｔｃ＠ ｃｔｃ⁃ｃｔｃ． ｃｏｍ ［收稿日期］ ２０１７⁃０１⁃１６ ０ 引言 近年来，随着我国经济快速发展和城镇化水平 不断提高，国内城市人口密集程度也不断增高。 伴 随着新时期城市人口的不断增加和土地价格不断 上涨，为了更好地解决城市土地利用率和城市人口 居住等问题，高层及超高层建筑与日俱增。 由于高 层及超高层建筑已成为当前城市建设的显著特征， 这对建筑工程施工提出了更高的要求和挑战，而作 为建筑施工必不可少的脚手架，其功能和作用也在 不断延伸。 脚手架施工对建筑施工的质量、进度、安全和 成本有着直接的影响。 在高层及超高层建筑中，由 于高度的影响，传统的外脚手架具有搭设困难、安 全系数低、费时、费料、费工等问题，已无法适应高 层和超高层建筑施工要求［１⁃２］。 因此，近１０ 多年来， 落地式外脚手架和外挂脚手架逐渐在高层建筑工 程施工中被淘汰，取而代之的是附着式升降脚手架 （爬架） ［３］。 爬架技术对高层建筑施工技术具有重 要影响，其改变了高层建筑的高处和悬空作业的施 工环境，使之变为低处架设，施工期间如同室内作 业，具有显著的设备化和机械化优点。 另外，爬架 的安全、高效、环保、美观等优越性能更是传统脚手 架无法比拟的。 近年来，随着人工费的大幅度增长 以及安全要求的大幅度提高，爬架的经济性价比更 加凸显出来。 然而爬架最初仅靠简单的动力装置进行升降 操作，操控不够便捷。 因此，开发了智能操作系统 对爬架的升降进行操控，改善了爬架的智能自动化 性能。 智能爬架仍只属于自动化设备范畴，尚未达 到工业机器人的程度。 在近几年工业机器人发展 的大趋势中，建立在智能爬架技术基础上的新一代 智能脚手架 机器人爬架得到了长足发展，并开 始应用于部分高层建筑的施工中，积极推动着我国 建筑施工工业化的发展。 １０６ 施工技术第 ４６ 卷 １ 机器人爬架 机器人爬架是建立在附着式升降脚手架基础 上的升级技术，又名机器人防护平台，是将附着式 升降脚手架发展为智能化的机器人设备，通过机械 臂的智能攀爬达到升降效果［４］。 如图 １ 所示，该机 器人防护平台主要结构包括左右机械臂、导轨（含 非能动转轮安全防坠器）、附着在建筑物上的固定 件、防护平台主体（包括附板件、翻板、脚手板和防 护网等）、升降系统和智能控制系统等。 图 １ 机器人爬架的主要结构 Ｆｉｇ． １ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ 从图 １ 可以看出，不同于传统爬架，机器人爬架 在结构上具有可调节并仿人体攀爬的左右机械臂。 图 １ 左侧显示为仿生架机位，该结构主要由数个右 机械臂、左机械臂、内侧导轨及外侧导轨组成。 右 机械臂全部连接在内侧导轨上，左机械臂则全部连 接在外侧导轨上；机械臂加装在导轨与建筑结构 间，对各个楼层外形的结构变化都可通过调整机械 臂来适应，如图 ２ａ 所示。 整个仿生架机位通过机位 支承件和机位连接件与架体连接在一起，在结构上 形成一个整体，相互牵制，从而构成了机器人爬架 施工防护平台的主体结构，如图２ｂ 所示。 机器人爬 架的升降是通过左、右机械臂交替上升或下降来实 现的。 图 ３ 显示了在施工过程中机器人爬架的提升 过程右机械臂解锁后收起，通过升降系统使机械 臂随同内侧导轨运动，同时左机械臂受力，为右机 械臂提升提供支撑点；当右机械臂到达指定楼层 后，机械臂会与预埋在建筑物结构上的固定件锁稳 （见图 ３ａ）。 随后左机械臂再动作提升，此时带动整 个架体提升，最终左、右机械臂的相互交替运动带 动防护平台达到上升的效果（见图 ３ｂ）。 图 ２ 机器人爬架示意 Ｆｉｇ． ２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ 图 ３ 机器人爬架提升过程 Ｆｉｇ． ３ Ｔｈｅ ｌｉｆｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ 在智能化方面，机器人爬架采用全自动同步控 制系统，实现控制机械臂抓紧松脱，集群自动驾驶 升降，并可主动预防不安全状态。 如图 ３ 所示，机器 人爬架的提升首先需要机械臂解锁才可进行下一 步动作。 因此在安全状态下的提升过程中，智能系 统会使右机械臂松脱，当右机械臂到达待建楼层 后，右机械臂臂手抓紧；随后智能系统控制左机械 臂的动作，使平台准备下一步的提升过程。 通过重 力传感器，智能系统会对各个机位进行重力测量并 预警。 如当某一机位的信号参数超过设定的临界 值，智能系统会对该机位进行声光报警；而当参数 超过设定的危险值时，机器人爬架停止升降。 整个 施工过程中，智能系统会记录、储存和显示每个机 位的实际升降和超出数据，在荷载出现异常后自动 计算并显示解决方案，使平台的升降具有良好的同 步控制精度。 另外，系统会主动上传每个机位的数 据至服务器，使管理人员可通过监视器远程实时监 测系统运行的状态，并可接收命令进行数据的调 整。 因此，机器人爬架具有更高的智能化程度，体 现为自动驾驶、自动报警、安全监控、人机交流和远 程管理等智能化的特点，该智能系统拓扑如图 ４ 所示。 ２０１７ Ｎｏ． ８沈海晏等高层建筑施工机器人的发展与展望１０７ 图 ４ 机器人爬架智能系统拓扑 Ｆｉｇ． ４ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ ｒｏｂｏｔ 机器人必须具备自动控制程序、一定的结构形 态和完成一定动作的能力 ３ 个重要特征，而机器人 爬架因具有可攀爬固定的机械臂、可自动运行某些 特定功能的动作及可人机交流等特点，已具备了机 器人的特征。 对比传统脚手架和附着式升降脚手 架（见表 １），机器人防护平台在机械化、自动化、智 能化、信息化程度和设备集成度、防污染密闭、安全 系数和美观性等方面都有很大的提高。 而在局部 区域，机器人爬架以更智能的自动化施工取代了人 工施工（如附墙、定位等），因此具有更为良好的节 约化和智能化性能，使建筑施工的效率更高。 整个 建筑行业机器人发展的大趋势中，更多的建筑机器 人不断发展和涌现，在规范化和标准化方面也会不 断提出新的要求。 因此，机器人爬架的发展在高层 建筑施工中具有标志性的作用，并已开始应用于高 层建筑建设中，部分在建工程如图 ５ 所示。 表 １ 传统脚手架、爬架和机器人爬架特点比较 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｃａｆｆｏｌｄ， ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ ａｎｄ ｒｏｂｏｔ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ 指标传统脚手架爬架机器人爬架 机械化程度低较高高 自动化程度低较高高 智能化程度低中等较高 信息化程度低中等较高 设备集成度无低较高 防污染密闭低中等较高 安全系数低较高高 美观性低高高 ２ 未来和展望 虽然目前的机器人爬架初步具备了机器人特 征，但由于机械臂的自由度不高，只是机器人的初 级形态。 因此，新一代的机器人爬架仍有许多改进 空间，如提高机械臂的自由度，搭设更多自动化功 能的机械臂，增加更多相关的拟人化智能模块等。 住房和城乡建设部印发的２０１６２０２０ 年建筑业信 息化发展纲要中提出［５］，全面提高建筑业信息化 水平，着力增强 ＢＩＭ、大数据、智能化、移动通讯、云 计算、物联网等信息技术集成应用能力，使建筑业 图 ５ 机器人爬架在高层建筑中的应用 Ｆｉｇ． ５ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｓｃａｆｆｏｌｄ ｒｏｂｏｔｓ ｉｎ ｈｉｇｈ⁃ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ 数字化、网络化、智能化取得突破性进展。 因此，高 层及超高层建筑脚手架施工未来的发展方向必然 需要达到上述纲要的技术要求，并已开始获得相关 研究［６⁃７］。 根据上述建筑业信息化发展纲要，高层 建筑防护脚手架的发展方向如图 ６ 所示。 从图中可 看出，在建筑行业的机器人发展大趋势引导下，附 着式升降脚手架已经开始在向新一代机器人爬架 发展；而未来建筑机器人生产线必然取代新一代的 机器人爬架，这是由机器人发展趋势和建筑机器人 生产线的特点所决定。 图 ６ 高层建筑防护脚手架的发展方向 Ｆｉｇ． ６ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｓｃａｆｆｏｌｄｓ ｉｎ ｈｉｇｈ⁃ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ 随着建筑行业的发展模式正在向网络化、智能 化、绿色化转变，大量中低端生产设备正在加速被 淘汰。 由于高层建筑的施工周期较长，行业对效率 性、经济性和安全性的需求更加推动了这种趋势的 发展。 建筑机器人生产线的特点是能使机器人防 护平台集成各种具有数字化、网络化和智能化的建 筑施工设备和机器人，取代高层建筑施工中低效率 的建筑设备和技术，以更完善的集成平台为高层建 筑建设的效率性、经济性和安全性提供保障。 建筑 机器人生产线如图 ７ 所示。 从图 ７ 可以看出，下一代建筑机器人生产线内 部集成了各个功能设备和机器人，其中包括基本设 施部分（供水供电、照明、消防、茶水间、卫生间、工 １０８ 施工技术第 ４６ 卷 图 ７ 建筑机器人生产线 Ｆｉｇ． ７ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ 具房等）、机械部分（钢筋、混凝土、吊运、３Ｄ 打印和 未来新设备等）、机具部分（模板、支撑、喷淋养护、 焊接切割、红外线定位和未来新机具等）和其他部 分（ＬＥＤ 广告、建筑伞、逃生舱、监控系统等）。 从图 中可以看出，每个功能模块都各具特色，都能局部 各自提高建筑施工的效率；但也由于其相互的独立 性，施工效率并不能更为有效地提高，如平台上升 后各设备需通过塔式起重机进行运输，降低塔式起 重机的使用效率。 因此，建筑机器人生产线通过外 层机器人防护平台和内部电梯井防护平台加载上 述不同的功能模块，使多个独立的施工设备或机器 人在此平台体系下集成，并自动爬升移位，有效提 高施工效率，主要表现为以下几个特点。 １）工业化生产的每个工作站在流水线上独立 工作，从而具有很高的生产效率（见图 ８ａ）；而机器 人爬架对高层建筑的建设也具有类似的效果，即平 台升降时各个模块也随之升降，使得建筑施工能够 进行流水线作业（见图 ８ｂ）。 ２）通过大数据、智能化等高信息技术的支持， 可更便捷地在机器人爬架平台进行各个设施和机 器人信息的一体化管理，确保高层建筑施工的进 度、安全和质量，如图 ９ 所示。 ３）标准化后形成的具有更多建筑功能的建筑 机器人生产线能使设备的周转更灵活，有效提高施 工效率，实现高层建筑施工的流水线作业，如表 ２ 所示。 表 ２ 各阶段的设备和材料上移的 自动化程度对比 Ｔａｂｌｅ ２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｅａｃｈ ｓｔａｇｅ 脚手架阶段 每建一层楼，机械、机具、设施 和周转材料上移的自动化程度 固定架无 爬架、机器人爬架较低 建筑机器人生产线高 图 ８ 流水线示意 Ｆｉｇ． ８ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｌｉｎｅ 图 ９ 建筑机器人信息一体化示意 Ｆｉｇ． ９ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔｓ ３ 结语 机器人爬架是一个具有提高进度、安全、环保 和文明施工等优势的施工平台，更是一个优越的升 降搭载平台。 未来，机器人搭载平台必然搭载更多 的标准化和智能化的功能设备，并将施工信息总体 集成，向建筑机器人生产线的方向发展，将现有施 工技术的发展方向由提高施工机械化水平向施工 机器人的方向发展。 参考文献 ［ １ ］ 樊璇珠． 爬架施工技术在高层建筑工程中的应用［Ｊ］． 应用 技术， ２０１４ （４） １９１⁃１９２． ［ ２ ］ 李会良． 爬架在高层建筑施工中的应用研究［Ｄ］． 西安长 安大学， ２０１０． ［ ３ ］ 胡海龙． 附着式升降脚手架使用过程中的安全控制［Ｊ］． 施 工技术， ２０１４ ，４３（Ｓ１） ２３１⁃２３２． ［ ４ ］ 沈海晏． 机器人带来的安全变革［Ｊ］． 劳动保护， ２０１６ （７） １００⁃１０１． ［ ５ ］ 住房和城乡建设部． 住房和城乡建设部印发２０１６２０２０ 年 建筑业信息化发展纲要 ［Ｊ］． 中国建设信息化，２０１６， （１８）２． ［ ６ ］ 霍永君，刘鹏，方天文，等． 绿色施工新技术在某工程建设中 的应用［Ｊ］． 施工技术， ２０１５ ，４４（１０） ６５⁃６８． ［ ７ ］ 武雷，邵明民，夏聘． ＢＩＭ 技术在脚手架安全管理中的应用研 究［Ｊ］． 施工技术， ２０１６，４５ （１８） １５⁃１７．