施工技術｜建筑機器人驅動下的施工組織優化模式

       在住宅裝修領域，由于量價關系、施工管理等因素，墻磚鋪貼與地磚鋪貼通常呈統一發包與承包的特征（見圖1）。首先，墻磚鋪貼相對于地磚鋪貼，施工難度更大，因此其人工單價一般比地磚鋪貼作業高。出于對量價關系的考量，市場偏好將墻磚廠、地磚鋪貼工程進行統一發承包，以降低成本投入。其次，墻磚鋪貼與地磚鋪貼具有較高互通性，統一承包、發包能降低生產各方管理難度，有利于提高各方溝通效率。因此，墻磚鋪貼與地磚鋪貼長期以來在市場上一般呈現出整體性發包與承包組織特征，而這種組織特征也使墻磚鋪貼工序難以進一步細化。

圖1 傳統墻磚鋪貼所呈現的施工特點

       土建與裝修間存在強相關關系，裝修作業質量與進度受制于土建移交的基層質量與時間節點（見圖1）。土建移交基層質量問題往往影響裝修作業流水的形成與持續性，土建作業工期延長與整改也將影響裝修作業的計劃排程。首先，墻體垂平度、方正度不達標與基層空鼓是土建移交裝修階段的常見問題，通常導致后續裝修材料浪費并影響裝修觀感；其次，對土建質量問題的整改，需要耗費額外時間及成本。因此，土建基層質量及整改進度導致無法批量移交裝修，進一步導致流水作業面缺失。

       在住宅建筑中，墻面瓷磚鋪貼的作業場景十分復雜（見圖2）。首先，其主要應用于廚衛等空間，用于阻斷水汽、油污等因子對墻面的腐蝕，此類型區域一般空間局促、水電氣線路復雜。同時，廚衛狹小空間內劃分有多個功能分區，這導致作業面被分割為多個不規則作業面，進一步加大了墻磚鋪貼作業難度。其次，作業場景承載大量生產要素，且各要素相互獨立并自發展開作業，其流動具有隨機性和不可控性。以人力要素為例，鋪貼作業涉及切、搬、拌、貼等多個工序，這導致在同一作業場景下有多人同時作業，且作業人員往往按主觀即時判斷隨機切換作業面，以此提高個人作業效率。這極大地提高了工序間沖突概率，難以滿足流水生產對作業連續性的要求。

       結合上述施工特點分析，建筑機器人的發展能賦能于串聯施工生產中的關鍵要素，穩定施工生產質量及打通項目管理數字化鏈接，推動施工生產，實現數字化移交、流水化組織、標準化作業與網絡化管理（見圖2）。

圖2 基于建筑機器人發展的全局數字化

       測量機器人運用AI測量算法處理技術和模擬人工測量規則完成實測實量任務，保障測量范圍精準覆蓋。同時，其測量數據能實現云端即時上傳與儲存，并生成數據報表與進度及工效分析。測量機器人集成的建筑空間數據通過系統平臺進行數字化處理，并為作業類建筑機器人提供精確的基礎信息參數，為機器人自動化作業提供前置準備工作。進一步地，機器人驅動下的數字化移交推動形成建造過程各環節數字化鏈接，使建造全生命周期數據可追溯，有效保障復雜工程質量水平及工序間作業面移交效率。

       首先，建筑機器人的應用使施工生產效率趨于穩定，管理平臺可根據各款建筑機器人作業特點、工藝要求、材料特性等實施多機協同的流水組織，以及機器人端到端數字化鏈接。同時，項目全生命周期管理信息的數字化與可視化進一步推動科學策劃，支持合理制定和修正施工進度計劃、物料管理計劃、人員需求計劃等，形成可落地的智能化流水生產組織方案。流水化組織將繁雜的管理程序化，降低項目管理難度，提高管理精準度，推動管理效率有效提升。

       操作者按標準化作業程序進行操作，管理人員按其檢查操作者對標準的執行情況，從而可以最大限度地避免異常情況的發生。建筑機器人程序化的任務獲取與執行方式為建筑業標準化作業提供了基礎，標準化作業成為推動產業升級的重要因素。一方面，建筑機器人標準化作業有效規避傳統人工個體因素對作業質量的影響，包括作業經驗、身體狀態、精神狀態等，一定程度上保障作業質量的高水平與高穩定。另一方面，標準化作業經過一定基數的實踐經驗后，可通過回收作業執行產生的數據，建立模型供管理系統學習和進化，賦予管理系統深度學習功能，不斷修正作業標準，增強作業標準對復雜場景、復雜任務的適用性。

       隨著智能一體化施工模式的推廣應用，工程管理逐漸形成橫縱一體化的網絡化管理，資源配置效率極大提升。首先，網絡化管理通過生產信息的實時共享打破固有組織壁壘，推動形成建設主體、生產主體與勞務主體實現橫向一體化，極大地提高橫向主體間協作效率與整體管理效率。另外，基于BIM模型及建筑機器人集成空間數據，形成設計、生產、管理各環節的縱向一體化，能及時發現和處理生產過程中的異常情況，保障網絡系統高效運行。充分發揮BIM、互聯網、區塊鏈、云計算等技術優勢,不斷推動生產模式和組織方式變革，網絡化管理成為智能一體化施工模式的重要管理手段。

       建筑機器人作為一種全新勞動力形態，正在深刻改變著建筑業生產組織方式。但與傳統制造業不同的是，建筑業施工現場采用產品不動、設備移動的生產方式，且施工生產環境往往較復雜多變?；谠O計圖紙預設作業程序的建筑機器人無法預判作業場景中突發的、無序的變化因素，因此建筑機器人難以實現完全自動作業。人機合作將在一定時間范圍內成為建筑機器人應用常態。同時，隨著建筑機器人應用深化及其所形成的數字化技術推動，亦會不斷優化人機分工與組織模式。結合不同生產場景和環節，人機合作策略可分為：界面分工與人機協作、工序分工與人機協同、決策分工與人機融合等（見圖3）。

圖3 分工細化與人機合作策略

       在單個工序作業中，作業面的合理劃分與要素組織是效率提升的關鍵。人機協作是保障效率較優的合作策略，通過合理劃分作業界面并充分發揮各自作業優勢，以此實現綜合效率最優。在此過程中，建筑機器人牽引下的數字技術可實現2個核心功能，推動形成高效的人機協作模式。首先，建筑機器人與BIM模型間的數字化鏈接推動設計深化，打破設計端與作業端的專業壁壘，全面呈現作業面結構信息，有效保證界面分工精度。其次，建筑機器人主要以數字指令作為作業依據，其作業狀態及質量具有較高穩定性，使作業過程更可控，較大程度上避免了傳統作業時多要素之間相互干擾。

       單工序人機協作帶來的效率提升，為人機合作在更廣范圍、更深層次的應用奠定了基礎，推動了人機協同的作業模式，形成了更加豐富多元的多工序穿插縱向流水。人機協同以組織優化為核心目標，旨在通過合理的工序任務分配建立人機間協同關系，提升縱向流水組織效率。首先應對傳統工序進行拆解與重組，形成基于人機合作的工序序列。其次，在空間與時間雙維度下對工序進行分配，保障流水連續性。在空間維度上，通過優化路徑規劃以避免人機協同過程中發生更復雜的干擾；在時間維度上，通過強化計劃排程的合理性與實時動態性，使其既能滿足工藝規范要求，同時規避人機作業時間沖突或作業面閑置。

       本體技術與關聯技術和系統的深度聯合將進一步推動人機合作關系深化，逐步演進為人機融合的人機合作高階狀態。此狀態中，人和機器通過直接接觸者間接交互方式，共享、協調、分配、使用物理空間和信息空間的資源和信息，并在此基礎上實現決策分工，降低生產管理難度。一方面，人機交互的信息交換過程為機器人自主學習提供了大量人工經驗與智慧，使建筑機器人獲得較強環境感知能力、學習能力，其可參與單任務下的簡單決策。另一方面，建筑機器人集成計算機技術、人工智能技術可獲得大量可靠數據信息并反饋至管理人員，協助人工對復雜的系統性問題進行分析與決策。

       以廣州市ST項目一標段裝修工程為案例，探討人機合作策略工程實踐。該工程總建筑面積為11964.67m²，主要施工對象為23層住宅建筑。其墻磚鋪貼工序共投入11臺智能設備，包括6臺墻磚鋪貼機器人2臺測量機器人、3臺打磨機器人，并融合BIM、調度系統等關鍵技術。

       ST項目首先采用BIM技術進行前置深化，在此基礎上結合人機作業特點劃分人機作業界面。同時，在三維模型中進行虛擬鋪貼作業，明確準確作業量。以02戶型公衛南向作業面為例，其鋪貼面積約為17m²,瓷磚規格為300mm×600mm，通過鋪貼模擬及設計優化，明確該工作面共涉及55塊整磚及65塊切割磚鋪貼，并修正水電預留位、吊柜位置。完成前置深化后，結合作業面復雜程度、人機作業要求等對墻面進行界面劃分，綜合機器人與人力的最優方式，將作業面中部成片的整磚鋪貼面劃分為機器人作業面，而將邊角位置、水電開孔位置、部件交接位置的零散切割磚鋪貼面劃分為人工作業面，如圖4所示。傳統人工作業模式下平均作業效率為15m²/d，需耗時1.13d完成該作業面。而經過合理的人機界面劃分，墻磚鋪貼的人機協作綜合作業效率達到3~4m²/h，5h內即可完成該作業面墻磚鋪貼任務。

圖4 界面劃分與人機協作

       多工序下人機協同面臨更復雜的作業環境，對組織優化與人機任務分配提出了更高要求，以保障流水的連續性與效率性。ST項目首先在土建移交階段采用測量機器人采集基層信息，然后生成質量數據并聯動打磨機器人對指定位置進行不同深度的打磨作業，使基層質量最大程度地匹配墻磚鋪貼的質量及觀感要求。測量機器人與打磨機器人聯動作業形成的數字化移交，突破了土建基層質量對后續裝修作業的制約，改變零星移交為每5層一移交。同時，機器人在2h續航作業中按固定工作節拍和預設的鋪貼角度、高度、力度進行墻磚鋪貼標準化作業。為延伸和放大機器人流水效率，ST項目對人機進行任務分配，將墻磚鋪貼工序拆解為“前置準備→機器人整鋪貼→人工切割磚鋪貼的順次作業任務（見圖5）。

圖5 工序劃分與人機協同

       重構后的工序任務對人機協同方案提出了更高要求，需充分保證計劃排程的合理性，同時優化人機空間路徑規劃。ST項目為2梯6戶高層建筑，每層分布有3種戶型，各戶型分配2臺墻磚鋪貼機器人進行交替作業以對沖機器人充電過程產生的作業面空置；同時，各戶匹配2名工人進行切割磚鋪貼，每2名工人交替完成某一戶型的切割磚鋪貼。而在時間維度上，前置作業中刷涂界面劑后必須確保不低于24h的靜置風干，待作業面滿足鋪貼工藝要求后，鋪貼機器人方可進場作業。同時，為避免過多的人員流動干擾鋪貼機器人激光接收器正常運轉，現場嚴格執行機器退場人工進場的交替進退場模式，墻磚鋪貼效率大幅提升。

       以5層廚衛墻磚鋪貼作業任務為例，鋪貼作業總面積為1234.7m²，若按傳統作業模式，一般組織3人1組，共2組瓦工進行作業，平均單人作業效率為15m²/d，鋪貼作業用時13.7d。另外，前置工作中，人工測量平均工期為1d，打磨修整工期根據基層質量水平有所浮動，平均工期為3d，一般總工期為17.8d，而在人機協同模式下，首先采用2臺測量機器人和3臺打磨機器人進行前置作業，同時劃分人機作業界面及作業任務，測算出機器人作業面積為522.5m²，傳統人工作業面積為712.2m²，然后制定和執行人機穿插作業方案，共投入6臺鋪貼機器人及6名瓦工24h交替連續作業，總工期為5d完成作業任務（見圖6）。以測量機器人與打磨機器人為核心的數字化移交打通了各工序間數字化鏈接，且標準化作業使各工序作業質量趨于穩定，削弱上一道工序質量問題對下一道工序的制約。進一步地，基于人機協同作業重構工序任務以塑造范圍更廣、效率更高的流水作業。

圖6 人機協同與傳統人工作業效率對比

       為克服復雜環境、多元管理主體對人機合作流水的干擾，ST項目在施工過程中采用多機調度系統與倉儲物流系統對接BIM建模系統，形成融合機器人管理、任務分配與材料管理于一體的管理體系，并實現以機械控鍵及中控觸屏為介質的人機交互。ST項目墻磚鋪貼工程首先通過BIM建模系統分析整體作業量，包括鋪貼數量及輔料用量，并利用倉儲物流系統生成物料采購、入庫、調度預案。其次，BIM系統能實時更新和反饋作業需求和設備需求，并動態修正物料需求，最后聯動多機調度系統下發工單。此過程中，管理體系得以準確記錄人、材、機等調度及作業數據，使綜合效率可預判、可控制、可追溯。同時，當生產現場發生機器人無法自主處理的突發情況，可通過人機交互實現更具靈活性的人工監督與干預，保障了人機融合過程中的最優狀態。人機交互本質是信息的連接、處理與反饋，穩定的網絡信號是實現人機交互的必要條件。在ST項目生產運行中，由于網絡信號的不穩定、夜間10點以后限速等情況導致多機調度系統、倉儲物流系統、人機交互程序被中斷，一定程度上擾亂了作業計劃與流水實施。

       人機融合是人機合作關系中的最高階，而當前管理精細化及人機交互方式仍有較大深化空間。人機融合模式的管理精細化應延展至更長生產鏈條，覆蓋生產現場“人、機、料、法、環”等全要素，并分別從機器本體技術、應用環境等方面降低人機交互難度以提高人機融合生產效率。