高層建筑自動化施工系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用

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摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高層建筑自動化施工系統(tǒng)的應(yīng)用能有效提高高層建筑工程的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量，解決勞動力短缺和安全風(fēng)險等諸多問題，具有十分顯著的研究價值和社會價值。本文主要介紹了高層建筑自動化施工系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，并分析了高層建筑自動化施工系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中的優(yōu)勢和存在的問題，最后提出了其未來發(fā)展方向，以供探討。

關(guān)鍵詞：自動化施工系統(tǒng)；高層建筑；應(yīng)用；自動化技術(shù)

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑產(chǎn)業(yè)應(yīng)用先進(jìn)自動化技術(shù)來的現(xiàn)象越來越廣泛。自動化技術(shù)指在無人干預(yù)的情況下，機(jī)器或裝置等能按照預(yù)訂的程序或指令自動控制操作的技術(shù)。由于高層建筑施工存在較大的技術(shù)難度和安全隱患，傳統(tǒng)的人力施工已無法滿足現(xiàn)階段日益發(fā)展的社會市場，由此自動化施工技術(shù)逐漸取代人力施工被用于高層建筑工程施工中?；诟鞣N自動化技術(shù)，高層建筑自動化施工系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來，其能有效提高高層建筑工程的生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量，解決勞動力短缺和安全風(fēng)險等諸多問題。因此，高層建筑自動化施工系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用具有十分顯著的研究價值和社會價值。

1高層建筑自動化施工系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

高層建筑自動化施工系統(tǒng)是指基于各種自動化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高層建筑在全天候施工大棚覆蓋下進(jìn)行自動化施工，其中自動化技術(shù)包括射頻識別技術(shù)（RFID）、視覺傳感和數(shù)字圖像處理技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、無人機(jī)等。高層建筑自動化施工系統(tǒng)起源于1980年的日本，其主要由四個部分組成：（1）同步頂升的全天候施工大棚系統(tǒng)；（2）運(yùn)輸系統(tǒng)：用于物料或設(shè)備的垂直升降和水平輸送；（3）計(jì)算機(jī)信息控制系統(tǒng)：用于對整個施工現(xiàn)場進(jìn)行集中管理，例如，施工計(jì)劃、設(shè)備管理和物料管理；（4）集成子系統(tǒng)：用于特定建筑工作的施工系統(tǒng)，例如，鋼裝配、焊接和預(yù)制構(gòu)件安裝等。實(shí)踐表明，高層建筑自動化施工系統(tǒng)采用全天侯自動化或機(jī)械化作業(yè)，不受天氣變化的影響，極大地提高了生產(chǎn)效率和施工質(zhì)量。下面我們主要介紹高層建筑自動化施工系統(tǒng)中的運(yùn)輸系統(tǒng)和集成子系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。

1.1運(yùn)輸系統(tǒng)

運(yùn)輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)材料和設(shè)備的現(xiàn)場運(yùn)輸，尤其是垂直吊裝，極大地影響了高層建筑的施工效率，由此，相關(guān)研究主要集中在提高自動化運(yùn)輸系統(tǒng)的工作效率上。日本的Nishimura等提出了一種舉升系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以防止舉起的組件沿其垂直軸旋轉(zhuǎn)。Lee等提出了一種機(jī)器人塔式起重機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過測量直線距離的激光設(shè)備以及測量水平和垂直角度的編碼器和加速度計(jì)來優(yōu)化路徑。Cho等開發(fā)了一種利用射頻識別（RFID）和泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)（USN）的智能舉升車，其可以捕獲物料移動信息并進(jìn)行智能管理。Lee等確定了高層建筑中現(xiàn)有自動升降機(jī)的兩個主要挑戰(zhàn)，即升降機(jī)的停控和工人與升降機(jī)之間的通信，因此，提供了一種改進(jìn)的自動升降機(jī)概念模型。

1.2集成子系統(tǒng)

集成子系統(tǒng)用于特定建筑工作的施工系統(tǒng)，例如，鋼裝配、焊接和預(yù)制構(gòu)件安裝等。下面主要介紹鋼梁組裝、外墻工作與立面安裝。（1）鋼梁組裝。鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中很常見，鋼梁組裝是高風(fēng)險、高難度的工作，因此，自動化施工技術(shù)能大大提高其工作效率和安全性。韓國開發(fā)一種機(jī)械臂自動化組裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括自動錨固裝置，控制系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。另一方面，臺灣大學(xué)于2017年提出的機(jī)器人自動組裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)、對齊、螺栓連接和卸載等自動化工作方法，使得鋼梁組裝過程實(shí)現(xiàn)自動化。（2）外墻工作。施工自動化技術(shù)在高層建筑外墻工作上主要體現(xiàn)在清潔、檢查和維護(hù)等方面。針對其工作性質(zhì)，研究大多圍繞攀爬機(jī)器人、清潔機(jī)器人和檢查機(jī)器人展開。高層建筑外墻攀爬機(jī)器人的核心技術(shù)主要包括黏附方法、運(yùn)動方式和步態(tài)方式等。其中真空抽吸一直是高層建筑攀爬機(jī)器人最常用的黏合方法之一，除此，Liu等人提出了一種干式粘合劑系統(tǒng)，以提供高摩擦力來支撐機(jī)器人。攀爬機(jī)器人的運(yùn)動方式主要有腿驅(qū)動、輪驅(qū)動和纜線驅(qū)動等，除此，Lee等人提出了一種多鏈?zhǔn)铰膸逝罊C(jī)器人，具有很高的有效載荷能力和機(jī)動性，可避免障礙物。針對攀爬機(jī)器人的步態(tài)方式，Deshpande等人提出了一種機(jī)械同步步態(tài)，在不犧牲機(jī)動性的情況下減少了執(zhí)行器的數(shù)量和成本。劉等采用仿生概念，通過模仿壁虎的腿和腰部，開發(fā)了具有五連桿機(jī)構(gòu)和單活塞機(jī)構(gòu)的攀爬機(jī)器人，使其具有快速攀爬和重載的特點(diǎn)。清潔機(jī)器人自2000年以來一直是研究熱點(diǎn)，其研究主要集中在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全防護(hù)、清潔機(jī)制和控制策略等。2014年，Shin等人研究了清潔工具系統(tǒng)擠壓部分的流量控制，位置和力控制。2019年，Joo等人基于運(yùn)動學(xué)和動態(tài)分析優(yōu)化了清潔機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)。張等[12]提出了針對清潔機(jī)器人的非線性控制算法。針對檢查機(jī)器人，其檢查機(jī)制主要包括撞擊聲法、視覺法和圖像處理法。撞擊聲法是指利用撞擊器在墻磚上產(chǎn)生沖擊力，并通過麥克風(fēng)記錄聲音，由此分析頻譜以判斷墻磚的黏結(jié)條件。視覺法和圖像處理法是指檢測并分析可見的裂縫和圖像。（3）立面安裝。傳統(tǒng)的高層建筑立面安裝方法是用絞盤和起重機(jī)手動安裝，這種方法所需的人力投入和時間成本都較高，因此，為了實(shí)現(xiàn)高層建筑外立面的高效安裝，許多學(xué)者致力于立面安裝自動化技術(shù)研究。韓國提出了一種室內(nèi)立面安裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了挖掘機(jī)和機(jī)器人操縱器以及用于工人與環(huán)境之間實(shí)時交互的人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)。2016年，Pan通過改進(jìn)了基于塔吊的傳統(tǒng)安裝方法，提出了一種用于高層建筑的預(yù)制混凝土外墻面板安裝系統(tǒng)的施工方法，該方法為面板的裝載、運(yùn)輸、組裝和管理提供了一種集成方法。

2高層建筑自動化施工系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）保證高層建筑施工的高效性和協(xié)調(diào)性。高層建筑自動化施工系統(tǒng)憑借先進(jìn)的自動化技術(shù)，可以構(gòu)建建筑管理平臺，將建筑相關(guān)信息在平臺上保存、顯示和管理，從而精準(zhǔn)控制施工過程各機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行，監(jiān)督各環(huán)節(jié)的施工情況，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理情況，達(dá)到增強(qiáng)施工效率、協(xié)調(diào)施工程序的目的。（2）有效提高施工質(zhì)量。先進(jìn)的自動化技術(shù)能夠讓機(jī)械更具良好的思維能力，實(shí)現(xiàn)推理能力和決策能力的大幅度展現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)許多人工無法完成的操作，并且大幅度提升施工精度，從而大大提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效果。（3）降低人工投入，有利于施工安全管理。高層建筑自動化施工系統(tǒng)利用機(jī)器代替人力生產(chǎn)，可消除工人在高層施工過程中的安全隱患。同時，自動化系統(tǒng)擅長數(shù)據(jù)分析，可以很快找到設(shè)備故障數(shù)據(jù)，從而及時修復(fù)故障，保證機(jī)械設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行，從而大大加強(qiáng)施工安全管理。

3目前存在的問題

（1）學(xué)術(shù)研究與市場產(chǎn)品之間存在差距，創(chuàng)新不足。盡管長期以來高層建筑自動化施工系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)一直在進(jìn)行，但工程實(shí)踐與應(yīng)用仍然受到限制。學(xué)術(shù)研究中提出的一些自動化技術(shù)方案只是處于概念階段和早期開發(fā)階段，未經(jīng)進(jìn)一步研究，不能直接用于產(chǎn)品中。而一個產(chǎn)品要從實(shí)驗(yàn)室階段走向市場應(yīng)用，是一個漫長的過程，需要較大的人力物力投入，因?yàn)闉楸ＷC產(chǎn)品質(zhì)量和效果，需要不斷地重復(fù)驗(yàn)證與試驗(yàn)。因此，學(xué)術(shù)研究與市場產(chǎn)品之間常常存在較大差距，使得高層建筑自動化施工系統(tǒng)的創(chuàng)新不足。（2）綜合性技術(shù)人才匱乏，發(fā)展受限。高層建筑自動化施工系統(tǒng)是一種新興的施工技術(shù)，其綜合性技術(shù)人才匱乏。并且，部分專業(yè)技術(shù)人員盡管擁有系統(tǒng)的理論知識，但相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)缺乏，在實(shí)際工作中難以做到理論與實(shí)踐的深入結(jié)合，限制高層建筑自動化施工系統(tǒng)的發(fā)展。（3）使用成本較高，應(yīng)用受限。高層建筑自動化施工系統(tǒng)所需的自動化設(shè)備需要較高的成本，尤其是人工智能機(jī)器人等方面研發(fā)投入巨大。考慮到當(dāng)前勞動力成本的問題，企業(yè)還是更愿意使用人力和傳統(tǒng)工程機(jī)械，由此很大程度上限制了高層建筑自動化施工系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

4發(fā)展方向

（1）加強(qiáng)研發(fā)合作。自動化產(chǎn)品或技術(shù)的開發(fā)需要一個漫長的開發(fā)周期，而在大多數(shù)情況下，研究人員或企業(yè)很難獨(dú)自承擔(dān)整個周期。因此，需要加強(qiáng)不同從業(yè)者之間的橫向合作和縱向合作。橫向合作指不同學(xué)科之間的合作，例如，建筑、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等技術(shù)人員。縱向合作指科研工作者與社會企業(yè)之間的合作，將科研產(chǎn)品運(yùn)用于工程實(shí)踐，從而不斷改進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品（2）加強(qiáng)綠色環(huán)保設(shè)計(jì)。建筑機(jī)械自動化施工系統(tǒng)雖然有著不可替代的優(yōu)勢，但是，在建筑項(xiàng)目施工過程中容易出現(xiàn)過度浪費(fèi)資源，污染環(huán)境等問題。同時，建筑工程是一個勞動密集型產(chǎn)業(yè)，人員相對集中，在施工過程中容易出現(xiàn)由于各種操作不當(dāng)而引發(fā)的安全事故問題，這不僅危及到個人人身安全，也給企業(yè)及社會造成了不良影響。因此，隨著建筑機(jī)械自動化技術(shù)的發(fā)展，綠色環(huán)保是我們追求和發(fā)展的目標(biāo)。我們要通過自動化控制，進(jìn)行針對性的節(jié)能設(shè)計(jì)和安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而有效減少能源消耗，保證安全管理，促進(jìn)建筑行業(yè)良好發(fā)展。

5結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高層建筑自動化施工系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來，促進(jìn)高層建筑施工朝智能化、高效化發(fā)展。本文主要從高層建筑自動化施工系統(tǒng)的運(yùn)輸系統(tǒng)和集成子系統(tǒng)兩方面介紹了高層建筑自動化施工系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并分析了高層建筑自動化施工系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在其能保證高層建筑施工的高效性和協(xié)調(diào)性，有效提高施工質(zhì)量，同時，降低人工投入，有利于施工安全管理。另一方面，本文還分析了高層建筑自動化施工系統(tǒng)在目前發(fā)展和應(yīng)用過程中存在的問題，主要體現(xiàn)在相關(guān)學(xué)術(shù)研究與市場產(chǎn)品之間存在較大差距，綜合性技術(shù)人才匱乏以及自動化系統(tǒng)所需機(jī)械和技術(shù)的使用成本較高，使得高層建筑自動化施工系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用受到限制。最后，本文提出了高層建筑自動化施工系統(tǒng)未來的發(fā)展方向主要可以從加強(qiáng)研發(fā)合作和加強(qiáng)綠色環(huán)保設(shè)計(jì)兩方面出發(fā)，促進(jìn)其在工程實(shí)踐中的有效應(yīng)用。

作者：張勤 單位：海鹽縣房地產(chǎn)與住房保障管理服務(wù)中心