2020年建筑机器人发展情况
一、概念及范畴
1.定义
机器人的诞生，源自人们想摆脱“危、繁、脏、重”工作的本能，而建筑业几乎集这些弊端于一身：工作强度大，工作环境差，危险大。由此，建筑机器人应运而生。建筑机器人的开发应用始于20世纪80年代，先后经历了机械传动、液压传动和现在的机器人化的工程机械三个阶段。建筑机器人的应用不仅能提升效率、提质增效，而且能保障建筑工人的安全，缓解建筑业招工难、用工难的矛盾，助力建筑业数字化转型。
从广义上来说，建筑机器人是用于建设工程方面的机器人，囊括建筑全生命周期（包括勘测、施工、维护、检修、清拆等）的所有机器人设备。从狭义上来说，建筑机器人特指与建筑施工作业密切相关的机器人设备，通常是指在建筑预制或施工工艺中执行具体建造任务的装备系统。
2.分类
按照建筑全生命周期的使用环节和用途，建筑机器人可分为勘测机器人、施工机器人、维护机器人、检修机器人和清拆机器人五大类。
勘测机器人包括地面调研机器人和空中调研机器人等，主要用于建筑工地的前期调研、场地踏勘、施工现场安全、结构构件定位和尺寸复核等勘测工作。结合激光扫描技术、倾斜摄影技术和大数据，可对施工场地、建筑结构进行精细化3D模型重建。
施工机器人按使用场景可分为预制加工机器人和现场施工机器人。预制加工机器人按结构类别可分为钢结构加工机器人、混凝土加工机器人和木结构加工机器人；现场施工机器人按施工工艺可分为新型工艺机器人和传统工艺机器人。新型工艺机器人主要指建筑3D打印机器人，传统工艺机器人按施工对象可分为地基基础施工机器人、主体结构施工机器人和围护结构施工机器人。施工机器人分类见表1。
表1 施工机器人分类
维护机器人包括立面清洁机器人、智能家居机器人和屋面维护机器人等。
检修机器人包括立面检修机器人、管理检测机器人等。
清拆机器人包括主体破拆机器人、石棉去除机器人等。
3.技术特征
作为机器人技术在建筑领域的应用，建筑机器人具备以下四大技术特征：
（1）较大的承载能力和作业空间。在建筑领域，幕墙玻璃、混凝土模块等较大构件的操作都对机器人的承载能力提出较高要求，建筑机器人需要具备较大的承载能力和作业空间。
（2）较高智能性及广泛的适应性。建筑工地非结构化的环境，要求机器人具备复杂导航能力等高智能性能，机器人传感器需具备针对恶劣天气条件和复杂施工环境的广泛适应性。
（3）现场实时监测和预警能力。建筑施工现场作业的复杂性，要求机器人具备完善的预警系统，以避免碰撞、磨损和偏移等情况发生，机器人现场作业质量需要及时监测和检验。
（4）离线编程，实时连接反馈。建筑机器人应能够离线编辑并能与高度智能化的现场建立实时连接和反馈，以适应复杂的现场环境。
二、行业现状
目前，日本的建筑机器人处于领先地位，韩国、美国、德国和西班牙等国家的建筑机器人发展迅速，我国的建筑机器人虽然起步较晚，但也已经有一些突出的行业企业和建筑机器人产品。美国市场研究机构Tractica在2019年5月的一份报告中指出，越来越多的建筑公司计划大规模使用建筑机器人，预计至2025年，将有超出7000台建筑机器人被应用到建造和破拆领域，市场规模将达到2.26亿美元。
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。
我国是建筑大国，拥有世界上最大的建筑市场。据国家统计局数据，2015—2020年我国建筑行业总产值稳步增长。2020年，我国建筑业总产值达到263947亿元，同比增长6.24%。2015—2020年我国建筑业总产值及增速见图1。
图1 2015—2020年我国建筑业总产值及增速
注：数据来源于国家统计局。
根据公开资料整理出来的数据，2016—2019年我国建筑机器人行业市场规模由0.3亿元增长至1.0亿元。2016—2019年我国建筑机器人行业市场规模见图2。
图2 2016—2019年中国建筑机器人行业市场规模
注：数据来源于公开资料。
当前，我国建筑机器人行业代表企业主要有广东博智林机器人有限公司、上海大界机器人科技有限公司等。但是，由于国内针对建筑行业的机器人厂家没有很强的建筑行业背景和机器人应用技术的长期积累为前提，和成熟工业领域机器人及新兴物流等领域机器人相比，建筑机器人产品的研发及行业拓展才刚起步。
三、技术成果
据统计，2019年我国建筑机器人专利数量实现爆发式增长，达到63项，较2018年增加39项。2020年，截至10月19日，我国建筑机器人专利数量为23项。2016年至2020年10月我国建筑机器人专利申请数量见图3。
图3 2016年至2020年10月我国建筑机器人专利数量
注：资料来源于佰腾网、华经产业研究院，数据截至2020年10月19日。
目前，建筑机器人领域主要的技术成果包括BIM技术、3D打印技术等。
1.BIM技术
建筑信息模型（BIM）技术在建筑行业得到了广泛应用。BIM技术主要是通过计算机技术建立包含建筑物完整数据信息的三维参数化模型，克服了二维图纸专业间相互割裂、信息表达直观性和交互性差等弊端。BIM技术不仅仅是建筑建设手段的变革，而且是整个工程建设行业的一次变革。采用BIM技术能够对建筑物构件的几何信息、状态信息和专业属性进行详细描述，满足各种数据信息调取需求。目前，BIM技术应用于建筑测量放样，它能够对测点三维信息进行快速抽取，建立三维立体建筑模型，并将模型数据通过计算机上传至机器人，很好地解决了机器人在异形建筑空间结构中的精确定位问题，从而为机器人实现路径的科学规划提供了强有力的技术支撑。
2.3D打印建筑机器人
3D打印建筑技术是一项新兴的建筑构筑技术，它以“轮廊工艺”为基础，通过喷墨黏稠粉末和熔融挤出等成形方式，采用工业机器人逐层重复铺设材料层来构建房屋。与传统建筑施工方式相比，3D打印建筑具有环保、节能、质优、高效、成本低及施工安全等优势。
2019年，上海机器人产业技术研究院与中国建筑第八工程局合作开发的行走式建筑3D打印机器人（见图4）。将3D打印技术应用于建筑机器人中。行走式建筑3D打印机器人可类比大型、重载类工程机械，但其智能化程度要高于常见的工程机械。该机器人具有典型的移动机器人的安全机制，具备激光传感器、超声波传感器、安全触边等多类型传感器。机器人通过传感器数据融合实现多维度的安全监控。在不同的监控区域内发现闯入者（物）时，系统可根据设定实现减速、停止以及急停等操作，且这些区域均是可设置的，满足不同场景下机器人作业的柔性需求。
图4 行走式建筑3D打印机器人
行走式建筑3D打印机器人解决了建筑物3D打印无法在真实环境中快速部署这一痛点，可基于反光柱的双激光定位算法，快速部署现场打印环境，提高打印效率。
四、趋势分析与预测
当前，科技创新正在重塑全球经济结构。机器人研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。智能建造与建筑工业化协同发展，代表了建筑业高质量发展方向，已经成为世界建筑业大国不断加大投入、积极探索的前沿领域，特别是建筑机器人应用前景广阔、市场巨大，已经成为全球建筑业的关注热点。
目前，全球智能建造整体水平仍处于起步阶段。业内专家介绍，日本、澳大利亚、韩国、美国等发达国家（或地区）在建筑机器人方面取得了单点研发和小批量试用部分成果，但均未实现建筑全周期、系统化应用的目标。我国建筑机器人应用也处于起步阶段，还没有实现大规模应用。
建筑机器人产品的技术性要求非常高，需要基于建筑信息模型及多种建造工艺，整合机器人技术、机器人运动路径规划、传感技术和建造流程控制等。
建筑机器人未来将向人机协作、信息化、网络化和自主化方向发展。在可见的未来，软硬件的高度整合将为建筑工厂提供有力的数字孪生技术，实现少人化、无人化、智能化的柔性生产。同时，机器人底层技术与计算机视觉的快速突破，会让机器人运动控制更加精准、实时且操作简易。加上来自社会、产业、龙头企业以及大量优秀人才的关注，建筑机器人必将带动新一轮建造智能化的发展。
〔撰稿人：上海机器人产业技术研究院廖霞〕