全自动化的建筑行业?仍需努力

全自动化的建筑行业?仍需努力插图 Industrial robots welding automotive part in a car factory. Image © Factory Easy | Shutterstock

    近几十年来,工业制造领域已经普及了机器人自动化。大多数汽车、家用电器、甚至家用机器人本身,都来自于机器人“大军”的制造和组装。机器人自动化带来了更高的生产效率,更安全的工作环境,更低的成本和更卓越的品质。经过多年发展的机器人流水线,过程中已经仅需要极少的人工干预和配合。

    然而,在建筑工地上,我们却很少能够发现高水平的自动化。为什么呢?我们怎样才能让它成为现实呢?继续研讨之前,我们需要评估一下在机器人自动化领域,我们当下的状态和面临的限制与瓶颈。

    人工建造到自动化

    全自动化的建筑行业?仍需努力插图1 © ICD/ITKE University of Stuttgart

    古埃及的庙宇和金字塔持续的吸引力,不仅来自于它们庞大的规模,还来自于建造它们的技术。古埃及人发明了斜坡、杠杆等简单的机械来帮助建造金字塔。事实上,几千年后,建造方式没有发生太大的变化——这依然是一个依靠非自动化机器的劳动密集型产业,尽管这些机器远比古代的机器复杂和高效得多。

    建筑行业正面临着劳工安全、成本控制、环保法规等诸多方面的挑战。全球范围的劳动力老龄化导致工人减少,工伤增多。因此,需要更多的钱来支付更高的工资、保险费,进行职业安全培训和购买安全设备。

    20世纪60年代,工业机器人开始进入社会的视线。这款名为“Unimate”的机械手可以在6个方向上自由移动,操作重达500磅的物体。它为生产线的全自动化铺平了道路。过去20年里,全球工业机器人的数量翻了三番,达到225万台。1993年至2016年,对机器人技术的投资推动国际经合组织国家的人均GDP增长了10%。然而,尽管有如此明显的好处,建筑行业却还没有接受自动化的趋势。

    毫无疑问,自动化机器人系统有助于降低生产和劳动力成本。根据麦肯锡的分析,美国制造业的劳动力薪酬是机器人平均价格的4倍。然而,经济效益的提升,并没能推动建筑行业中的自动化普及——这一进程还面临着更多的障碍。

    工业生产中,机器人通常在稳定的室内环境中,在固定的流水线或工作空间内来完成指定的工作。但在建筑行业,情况则完全不同。建筑工地上充满了意外和不确定性。工人们需要在潮湿和干燥、炎热和寒冷、沙漠和海洋,开放和狭窄等极端和多变的环境中工作。这些都是建筑机器人发明者面临的巨大技术挑战——一个能“做任何事”并能适应不同环境的机器人将是相当昂贵的。

    建筑自动化的挑战还来自于法规和程序层面。为了确保建筑工程的质量和安全,政府制定了复杂的、甚至可以说严厉的法规。劳动者接受职业资格评估,并承担合同中规定的法律责任,这些都为工程的质量安全提供了保证。如果机器人取代了工人,如何将这些要求强加给它们?谁来为工程缺陷或意外负责?建造中的机器人的伦理是也是一个重大的问题。

    建设项目的复杂性也限制了机器人技术的采用。一个建设项目,通常包括数百个任务和多个阶段。尽管我们的机器人能够精密地完成单个任务,但我们还没有能够进行自动化管理的系统。这就像一支没有职业经理人的明星足球队。而开发这样一个系统,需要对工艺流程和施工管理都有深入的了解,在这方面,我们尚且缺乏研究和科学的模型。

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    在未来10到20年内,建筑工地的许多单项任务可能会实现自动化,但距离全自动化,还有很长的路要走。

    将机器人技术和自动化引入建筑行业的优势

    全自动化的建筑行业?仍需努力插图2 Smart Slab. Image © Mike Lyrenmann

    在关于建筑和未来建造的争论中,机器人技术一直是一个不可或缺的方向。它可以用来解决行业中一些沉疴痼疾。

    机器人技术在上世纪80年代迅速发展,尤其是在日本,解决了劳动力老龄化和年轻工人不愿从事重体力劳动造成的劳动力短缺问题。如今,每个发达国家和地区都面临着老龄化问题,以美国为例,建筑工人的年龄平均值已从2000年的37.9岁升至2010年的40.4岁。工人年龄越大,工伤则更为严重,因此补偿费用也随之增加。在45年的职业生涯中,建筑工人有75%的可能性遭遇致残性伤害,两百分之一的可能性在工作中受到致命伤害。在高风险任务(比如拆除和高空作业),人们希望机器人能够介入并填补这些任务的劳动力短缺问题。

    在未来,机器人能够一周七天,一天24小时无差错地工作,这无疑是个显著的优势。人类不是机器,疲劳是不可避免的弱点,于是,错误和偏差经常出现在他们的工作中。相比之下,机器人从不感到疲劳,并能够以高度的精确性和一致性完成相同的任务。

    归根结底,机器人技术和自动化在建筑领域的最大好处是释放了设计的可能性。建筑师总有着无尽的设计想法,但在现实世界中,工人技术、施工时间、建筑成本等因素都必须考虑周全,这往往阻碍了最终创意的实现。全自动机器人技术的引入可以消除这些限制因素,在可以预见的将来,更复杂、更艺术的建筑将被机器人建造。

    建筑机器人可以彻底改变建筑行业的未来

    全自动化的建筑行业?仍需努力插图3 A façade robot designed by Prof Darwin Lau learns painting skills. Image Courtesy of Prof. Darwin Lau

    在2017年香港城市/建筑双城双年展上,来自香港中文大学(中大)工程学院的研究团队和建筑学院的Adam Fingrut教授展示了一款名为CU Brick的绳索驱动机器人,它以叠砌块的方式进行建造。建筑物的结构不规则,因此每个砌块必须精确地放置在指定的位置,误差非常小。这个项目展示了机器人技术如何帮助建筑师实现“设计的可能性是无限的”的理念。

    CU Brick是一款便携式机器人,在不同的环境条件下,系统的执行器可以安装在建筑物的墙壁或者屋顶的金属框架结构上,这为实现传统方式难以完成的大规模精确的三维造提供了可能性。系统软件计算并控制电缆的牵引力,从而允许夹持器精确移动以放置砖块。

    全自动化的建筑行业?仍需努力插图4 A researcher of Prof Darwin Lau’s team conducts testing on the façade robotic system. Image Courtesy of Prof. Darwin Lau

    最近,我们团队正在进行的另一个与建筑施工相关的项目是高层立面操作机器人的开发。与CU Brick扩展新的砖结构设计的可能性不同,立面机器人旨在解决建筑施工和维护领域的一个重要问题:如何安全地将工人从高空作业中移走。这一系统试图满足各种高空操作场景地需求,如窗户清洁、外墙油漆和维修工程。目前,这类工作都是由工人在吊篮上完成的,操作起来既危险又昂贵。是的,我们制造机器人并不是为了取代工人,而是为他们创造一个更安全的工作环境。明年,我们会在中大的一个建筑外立面上测试机器人,以证明其实用性和有效性。

    建筑行业已经开始认识到,由于人口老龄化,自动化机器人技术需要得到更进一步的关注。在科研机构的技术攻坚,政府机构的政策扶持下,更多的公司正在积极拓展伙伴关系,探索发展机会,将机器人技术商业化,并其具备针对各种工作空间的更强适应性,这可能会进一步加快建筑机器人行业内自动化程度的发展。

    译者:舒晨箫

    全自动化的建筑行业?仍需努力插图5 The application of automated robotics in bricklaying is pulling ahead of the whole industry. Image Courtesy of Prof. Darwin Lau

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