机器人在各个行业的应用看似已经十分平常，然而，对于和我们生活息息相关的建筑业而言，机器人技术仍然是新鲜事物。关于建筑和机器人，真相到底是什么？

一 、建筑业现状

中国被称作建筑大国，拥有世界上最大的建筑市场。统计数据显示，2017年建筑业总产值21万亿，预计在2018年将超过美国，成为世界第一建筑大国，占据全球建筑业产值的19.1%。随着人工智能等技术发展，为建筑工业化及智能建造的发展提供了可能。建筑机器人是支撑智能建造的重要装备，然而作为支撑建筑产业未来的建筑机器人，并没有得到大家的充分关注。

自1945年以来，制造业、零售业和农业的生产率增长了150%，但建筑业的生产率几乎没有增长。建筑行业是世界上数字化程度最低、自动化程度最低的行业之一。数据显示，40%的建筑公司仍然在工作中使用纸质计划,近50%的建筑专业人员手工准备和处理日常报告,只有18%的公司报告说他们一直使用移动应用程序来访问项目数据和协作，近60%的建筑公司没有研究任何新技术。

在10年内，全面的数字化、自动化可以在设计、工程和建设阶段节省0.7-1.2万亿美元(13- 21%)，在运营阶段节省0.3-0.5万亿美元(10-17%)，人工智能和机器人有潜力到2035年将建筑业的利润提高71%。对建筑公司来说，机器人是一个有吸引力的解决方案，机器人将彻底改变建筑业。

二、建筑行业痛点

1.  劳动力短缺

劳动力短缺一直是建筑公司面临的主要挑战，美国劳工统计局报告显示，过去12个月，美国建筑行业新增岗位达到33万个。即便建筑业有着数十万计的岗位空缺，而80%的建筑公司都找不到合适的工人。

美国劳动统计局数据：过去12个月建筑行业新增33万个新岗位

80%的建筑公司找不到合适的员工

据了解，美国年轻建筑工人的比例从2005年到2016年下降了30%。56%的建筑商表示，他们受到熟练工人短缺的影响，仅2016年就有20万个建筑职位空缺。建筑行业的员工流动率达21.4%，在所有行业内比例最高。而平均每一个流失的员工将会给企业造成员工基本工资16%-20%的损失。极大的员工流失率，成为企业的沉重负担。建筑工人的短缺，建筑行业薪水的日益提升，并没有提升建筑工人的工作满意度，26%的建筑工人表示，他们对缺乏相应的工具感到沮丧，因为他们需要这些工具来更好地完成工作。

目前，全世界有超过1.8亿人从事建筑业。2017年，该行业新增21万个就业岗位，比2016年增长35%。57%的承包商预计在未来6个月雇佣更多工人。

建筑业作为中国的支柱产业，也正面临劳动力极其短缺的问题。2016年，中国建筑业从业人数5185.24万，仍无法满足日益增长的职位需求；而且，从事建筑业的年轻人占比例小，80后和90后各占比20.4%和10%，60后和70后分别占比27.3%和32.1%，年龄出现断层。

2.  施工安全性差

建筑工作是一项危险的陆上工作。我们通常所指的建筑类工作通常包括建造房屋、道路、树木堡垒、工作场所以及维修和保养基础设施。这些工作包括许多危险的任务和相对恶劣的条件，如工作的高度，噪音，灰尘、毒害、辐射、电动工具和设备等。建筑业最常见的死亡原因有四种:高空坠落、被物体击中、触电以及被夹在两个物体之间。在过去的几年里，发展中国家和不发达国家的建筑工作一直在增加。随着这类工作的增加，职业死亡人数也在增加。

不可否认，建筑业是一个危险的行业。在美国25个最危险的工作中，有9个来自于建筑业，(屋顶工、工地监工、设备操作员、暖通技术人员，以及其他建筑工作都在名单之列)。在美国，建筑业仅占工人总数的6%，但却占与工作场所相关死亡人数的21%；2015年美国建筑工人的死亡人数比2012年增加了16%。

在英国，建筑行业造成了31%的工作死亡和10%的重大工伤。在南非，建筑工地每年造成150人死亡，大约400人受伤。在巴西，所有职业死亡的发生率为每10万人3.6人。

各个国家建筑施工死亡率

国内建筑行业与美国以及世界其他国家一样，面临安全事故高发的态势。7月30日，国务院安全生产委员会办公室关于“2018年上半年全国建筑业安全生产形势”的通报指出，全国事故总量持续保持在高位，上半年全国建筑业共发生生产安全事故1732起、死亡1752人，同比分别上升7.8%和1.4%，事故总量已连续9年排在工矿商贸事故第一位，事故起数和死亡人数自2016年起连续“双上升”，高处坠落和坍塌是事故主要类型。在一般事故中，高处坠落事故占全部事故总数的48.2%，在较大事故中，坍塌事故起数占总数的45.1%，其余分别为高处坠落、中毒窒息、物体打击等。

由此可见，由建筑行业特性决定的施工安全性差，是一个世界性的难题和痛点。机器人可以接管一些更危险的任务，并允许人类工人完成更多的认知任务，从而改善建筑环境中的工人安全。在一个10万亿美元的行业中，即使是运营成本上的微小差异也可能意味着巨大的节省。更少的工作场所事故意味着更低的运营成本，从长远来看，这可以为建筑公司节省很多成本。

3.  劳动生产率低

建筑业是一个价值10万亿美元的全球产业，但却饱受低效之苦，只有11%的承包商认为工地非常高效。平均来看，98%的大型建设项目超出预算，基础设施生产率的提高每年可以节省1.63万亿美元。

过去20年，美国建筑业平均年生产率增加仅仅只有1%

建筑行业劳动生产率低，主要表现在以下几个方面：

一是建筑物流方面的问题对劳动生产率产生50%及以上的影响；二是建筑设计返工多，在建筑和工程产品的全部返工经验中，高达70%是由设计引起的返工；三是项目数据不准确和沟通失误，52%的返工是由于项目数据不准确和沟通不畅造成的,30.9%的建造业专业人士表示，沟通不畅的首要原因是对问题/要求反应迟钝。35%的建筑专业人员(每周超过14小时)的时间都花在了非生产性活动上，包括寻找项目信息、解决冲突、处理错误和返工。这意味着，仅在美国，2018年就有313亿美元的返工将由糟糕的项目数据和沟通失误造成；四是劳动生产率因个体和场地不同差异巨大，数据显示，两组工人在同一地点、同一时间从事相同工作的生产率差异为50%。而在不同的生产地点，生产率差异为500%。

总的来说，仅在2018年，非最优活动就将使美国建筑业付出超过1770亿美元的劳动力成本。

三、建筑领域自动化的难点

尽管自动化的运用，将大大提高建筑领域的劳动生产率以及为其节约大量成本。但机器人在建筑领域的应用，仍面临一些难点。

在工厂等受控环境中，机器人可以出色地执行重复性任务。通过将机器人纳入预制构件的大规模制造，可显著提升生产效率。然而，建筑工地远非一个可控的环境。机器人要想盈利和生产，它们需要能够适应环境中的实时变化，而几乎不需要编程。而现实情况是，大多数情况下机器人很难适应和改变环境。

同时，在建筑工地上，各种任务同时进行，这些任务与分配给每个任务的资源是相互联系的。建筑场地具有很强的动态性，任务和周围环境都容易发生系统的变化，建筑活动的执行者常常被障碍物、不平的表面、设备等包围。建筑施工场所的非结构化特性使得它们不能适应机器人的移动。

为了让机器人能在建筑工地上充分发挥作用，它们必须具有便携性、四处移动的能力、“感知”周围环境的能力，以及处理接收到的数据或信息的能力。不仅如此，机器人还应该能够处理笨重或沉重的负载，如横梁或预制板(可重达数吨)，他们还应该能够处理易碎的材料，如瓷砖、配件或玻璃等。

四、建筑机器人的应用领域及种类

一些机器人正在承担这些具有历史挑战性的任务。建筑机器人的开发应用始于20世纪80年代，以日本最为领先。韩国、美国、德国、西班牙等的建筑机器人发展迅速。而且目前对于极限环境下的智能建造（NASA）也越来越被重视。

建筑机器人应用主要在四个方面：设计、建造、破拆、运维。设计方面，主要指Autodesk，目前一直在筹划如何让机器人来代替CAD，成为设计师的合作伙伴，而不是单纯满足于成为设计师的辅助工具。目前建筑市场上的设计工具很少，一定程度上仍无法满足现代建筑设计的需求；建造方面是建筑机器人需求量最大的一部分，也是目前开展机器人应用较多的环节，机器人建造分为工厂和现场两个领域，现场建造仍是机器人应用的难点。运维方面是建筑机器人的持久性应用领域，涉及到管道检测、安防、清洁、管理等众多运行维护的场合。破拆方面是除了爆破以外，未来大型建筑的破拆、资源再利用将是未来巨量建筑的一个难题，机器人将派上用场。

如今，建筑机器人已经初步发展成了包括测绘机器人、砌墙机器人、预制板机器人、施工机器人、钢梁焊接机器人、混凝土喷射机器人、施工防护机器人、地面铺设机器人、装修机器人、清洗机器人、隧道挖掘机器人、拆除机器人、巡检机器人等在内的庞大家族。

五、代表性机器人技术应用及项目

1. 砌墙机器人

前段时间美国公司推出了一款名为“半自动梅森”（SAM100）的砌砖机器人，每天可砌砖3000块(国内的一个工人一般每天只有250—300块砖)。澳大利亚诞生世界上第一台全自动商用建筑机器人Hadrian X，它每小时的铺砖量达到了惊人的1000块，可7×24小时工作，但售价同时也高达200万美元。Hadrian X不再采用传统水泥，而是建筑胶来粘合砖块，从而大大提升建筑的速度、强度，并可强化结构的最终热效应。Hadrian X可处理不同尺寸的砖块，可切可割，可琢可磨。

由Construction Robotics公司开发的SAM 100声称是世界上第一台用于现场砌筑的商用机器人

此外，由Fast Brick Robotics开发的Hadrian X还可以3D打印和砌砖，在短短两天内完成一座传统砖房的上部结构。

2. 3D打印建筑机器人

3D打印机器人是目前建筑行业最先进的自动化应用之一。它能够按照不同的环境和材料来搭建建筑结构。3d打印机器人通过一个移动机械臂打印出整个结构安全的建筑，该机械臂通过数字预先编程和指令，在接收指令后开始按照设定的样式和程序打印建筑。这种3D打印机器人技术，也带来了建筑材料的创新。“半自动梅森”和Hadrian X使用的都是传统方形砖，但建筑行业和机器人研发机构显然对这种建筑材料并不满意，美国麻省理工学院的研究团队开发了一个全新的数字建设机台，可利用3D打印技术“打印”建筑，该机器人使用的建筑材料是泡沫和混凝土的混合物，壁与壁之间留有空隙，可嵌入线路及管道。

麻省理工学院研发的数字建设机台。这款产品最底部的装置就像装有坦克履带的探测车一样，上面有两只机械手臂，手臂的末端还装有喷嘴。

中国公司WinSun将3D打印机与机械臂结合在一起。机械臂控制3D打印机的运动，使其能够立即创建大型结构。该公司声称，他们的机器人3D打印设备在一天内就制造了10个单层住宅。

3. 无人机

Komatsu小松已经建立了一个多用途无人机和推土机自动化系统。无人机在建筑工地上空飞行，监控交付、库存和整体进度。此外，无人驾驶飞机还可以创建建筑工地的3D地图，然后将这些地图传送给无人驾驶推土机——这些信息可以在不需要司机的情况下直接指挥推土机。

大疆研发的幻影4无人机，将厘米级导航和定位与高性能成像系统相结合，以提高测量效率和准确性，降低操作难度和成本，可以作为测量，测绘或检测操作的工具。

Flyability公司研发的无人机，专门针对如核电站、矿洞、油井等人类难以企及的领域的检测。

4. 建筑拆除机器人

建筑拆除机器人是另一种即将进入主流应用领域的建筑机器人。虽然他们比拆迁人员慢，但在生命周期结束时拆除建筑物的混凝土和结构部件时，他们要安全得多，也便宜得多。

Husqvarna DXR系列遥控拆除机器人是最新的拆除机械，具有功率大、重量轻、功能设计等特点。

工人可以远程操作Husqvarna DXR拆迁机器人，而不需要进入危险的拆迁场地中

美国Brokk公司从事拆除机器人生产研发40余年，其Brokk系列17台拆除机器人，可以适应不同场景和环境的建筑拆除需求。

Brokk最新款拆除机器人

5. 施工场地的自动“漫游者”

配备了高清摄像头和传感器的自动漫游者，它们可以在工地周围导航，是能够识别和避免障碍物的机器人。

如由法国机器人公司Effidence开发的“EffiBOT”，可以跟随工人，携带工具和材料。

Doxel是一款漫游者，它使用高清晰度摄像机和“光成像、探测和测距”(LIDAR)传感器进行建筑现场检查，并与设计模型和程序进行比较。

6. 其他应用

丹麦公司OdicoFormwork Robotics，研发了一种使用“热丝切割”来开发复杂的双曲混凝土模具的机器人。传统上，这种费时费钱的工艺很少用于建筑。

复杂的模具现在可以用机械臂切割

现在，这些机器人可以通过编程来制作复杂的模板模具，其精度要比人类工人高，而且只需很短的时间，就可以将复杂的设计变为现实。

Zaha Hadid建筑事务所正利用这个特殊的机器人来建造中国“庐山小学”项目

Odico研发的另一款热刀切割机器人，使用多机器人单元控制一个灵活的，加热的叶片，由其专利软件解决方案控制，能够在切割的同时控制叶片的形状。

在钢筋加固领域，由先进建筑机器人公司(Advanced Construction Robotics)开发的“泰博特”(Tybot)已在宾夕法尼亚州的一个桥梁项目上试用捆绑钢筋，这是首批在现场施工的机器人之一。

用于捆绑钢筋的机器人

瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich National Centre for Competence in Research, NCCR)的数字制造技术也取得了快速发展。这里的研究人员已经开发出可以建造砌体墙、架设钢筋结构、甚至组装木结构建筑的现场建造者。

还有一些按照设计模型运输材料或承担具体任务的机器人，可全天候进行挖掘、运输等活动，无需休息，大大提高了效率，降低了成本。突出的例子包括Volvo的HX-01翻车机和一个由Built Robotics开发的自动推土机。

沃尔沃开发了HX-01，可以在现场自动运输货物

Built Robotics的机器人推土机理论上可以24小时进行土方工程

由新加坡Transforma Robotics今年推出的全球首款喷漆机器人，也是机器人在建筑领域实践的成功尝试。

Transforma的喷漆机器人，可以有效提升喷漆效率，节约室内装修成本

2015年成立于深圳的广田机器人研发的抹墙机器人，可以自动上升下降进行墙面喷涂，采用自动激光定位，避免了在墙上打点，可自动完成墙面抹平，墙面平整度小于2mm。

抹墙机器人喷涂机和刮平机，喷涂机负责将水泥抹到目标墙面，完成涂抹步骤，刮平机则根据抹墙的工序要求，在喷涂机完成抹灰步骤后，将墙面刮平，达到预期的墙面平整度，从而完成刮平步骤，抹墙最快可达100㎡/小时

该公司生产的另一款智能装修机器人，可实现喷漆、铺砖、墙面打磨、墙面质量检测等功能。

智能装修机器人带有全方位移动底盘和视觉定位系统

虽然我们只是刚刚开始看到机器人可以为建筑行业做些什么，但已经有更多更先进的机器人在开发中，有朝一日可能在某些行业和工作岗位上完全取代人类。然这听起来令人生畏，但机器人技术的兴起，对于将人类从危险的工作中解放出来，是一个巨大的进步。