高層建筑自動化施工系統發展應用

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摘要：隨著社會經濟和科學技術的發展，高層建筑自動化施工系統的應用能有效提高高層建筑工程的生產力和產品質量，解決勞動力短缺和安全風險等諸多問題，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研究現狀，并分析了高層建筑自動化施工系統在實際應用過程中的優勢和存在的問題，最后提出了其未來發展方向，以供探討。

關鍵詞：自動化施工系統；高層建筑；應用；自動化技術

隨著社會經濟和科學技術的發展，建筑產業應用先進自動化技術來的現象越來越廣泛。自動化技術指在無人干預的情況下，機器或裝置等能按照預訂的程序或指令自動控制操作的技術。由于高層建筑施工存在較大的技術難度和安全隱患，傳統的人力施工已無法滿足現階段日益發展的社會市場，由此自動化施工技術逐漸取代人力施工被用于高層建筑工程施工中。基于各種自動化技術，高層建筑自動化施工系統逐漸發展起來，其能有效提高高層建筑工程的生產力和產品質量，解決勞動力短缺和安全風險等諸多問題。因此，高層建筑自動化施工系統發展與應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研究現狀

高層建筑自動化施工系統是指基于各種自動化技術，實現高層建筑在全天候施工大棚覆蓋下進行自動化施工，其中自動化技術包括射頻識別技術（RFID）、視覺傳感和數字圖像處理技術、增強現實（AR）、無人機等。高層建筑自動化施工系統起源于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；（2）運輸系統：用于物料或設備的垂直升降和水平輸送；（3）計算機信息控制系統：用于對整個施工現場進行集中管理，例如，施工計劃、設備管理和物料管理；（4）集成子系統：用于特定建筑工作的施工系統，例如，鋼裝配、焊接和預制構件安裝等。實踐表明，高層建筑自動化施工系統采用全天侯自動化或機械化作業，不受天氣變化的影響，極大地提高了生產效率和施工質量。下面我們主要介紹高層建筑自動化施工系統中的運輸系統和集成子系統的研究現狀。

1.1運輸系統

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

1.2集成子系統

集成子系統用于特定建筑工作的施工系統，例如，鋼裝配、焊接和預制構件安裝等。下面主要介紹鋼梁組裝、外墻工作與立面安裝。（1）鋼梁組裝。鋼結構在高層建筑中很常見，鋼梁組裝是高風險、高難度的工作，因此，自動化施工技術能大大提高其工作效率和安全性。韓國開發一種機械臂自動化組裝系統，該系統包括自動錨固裝置，控制系統和運輸系統三個子系統。另一方面，臺灣大學于2017年提出的機器人自動組裝系統。該系統包括旋轉、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現自動化。（2）外墻工作。施工自動化技術在高層建筑外墻工作上主要體現在清潔、檢查和維護等方面。針對其工作性質，研究大多圍繞攀爬機器人、清潔機器人和檢查機器人展開。高層建筑外墻攀爬機器人的核心技術主要包括黏附方法、運動方式和步態方式等。其中真空抽吸一直是高層建筑攀爬機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，以提供高摩擦力來支撐機器人。攀爬機器人的運動方式主要有腿驅動、輪驅動和纜線驅動等，除此，Lee等人提出了一種多鏈式履帶攀爬機器人，具有很高的有效載荷能力和機動性，可避免障礙物。針對攀爬機器人的步態方式，Deshpande等人提出了一種機械同步步態，在不犧牲機動性的情況下減少了執行器的數量和成本。劉等采用仿生概念，通過模仿壁虎的腿和腰部，開發了具有五連桿機構和單活塞機構的攀爬機器人，使其具有快速攀爬和重載的特點。清潔機器人自2000年以來一直是研究熱點，其研究主要集中在機構設計、安全防護、清潔機制和控制策略等。2014年，Shin等人研究了清潔工具系統擠壓部分的流量控制，位置和力控制。2019年，Joo等人基于運動學和動態分析優化了清潔機械手的設計參數。張等[12]提出了針對清潔機器人的非線性控制算法。針對檢查機器人，其檢查機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生沖擊力，并通過麥克風記錄聲音，由此分析頻譜以判斷墻磚的黏結條件。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。傳統的高層建筑立面安裝方法是用絞盤和起重機手動安裝，這種方法所需的人力投入和時間成本都較高，因此，為了實現高層建筑外立面的高效安裝，許多學者致力于立面安裝自動化技術研究。韓國提出了一種室內立面安裝系統，該系統結合了挖掘機和機器人操縱器以及用于工人與環境之間實時交互的人機協作系統。2016年，Pan通過改進了基于塔吊的傳統安裝方法，提出了一種用于高層建筑的預制混凝土外墻面板安裝系統的施工方法，該方法為面板的裝載、運輸、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的優勢

（1）保證高層建筑施工的高效性和協調性。高層建筑自動化施工系統憑借先進的自動化技術，可以構建建筑管理平臺，將建筑相關信息在平臺上保存、顯示和管理，從而精準控制施工過程各機械系統的運行，監督各環節的施工情況，實現統一管理情況，達到增強施工效率、協調施工程序的目的。（2）有效提高施工質量。先進的自動化技術能夠讓機械更具良好的思維能力，實現推理能力和決策能力的大幅度展現，可以實現許多人工無法完成的操作，并且大幅度提升施工精度，從而大大提升產品生產質量和生產效果。（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利用機器代替人力生產，可消除工人在高層施工過程中的安全隱患。同時，自動化系統擅長數據分析，可以很快找到設備故障數據，從而及時修復故障，保證機械設備的正常穩定運行，從而大大加強施工安全管理。

3目前存在的問題

（1）學術研究與市場產品之間存在差距，創新不足。盡管長期以來高層建筑自動化施工系統和相關技術的研究與開發一直在進行，但工程實踐與應用仍然受到限制。學術研究中提出的一些自動化技術方案只是處于概念階段和早期開發階段，未經進一步研究，不能直接用于產品中。而一個產品要從實驗室階段走向市場應用，是一個漫長的過程，需要較大的人力物力投入，因為為保證產品質量和效果，需要不斷地重復驗證與試驗。因此，學術研究與市場產品之間常常存在較大差距，使得高層建筑自動化施工系統的創新不足。（2）綜合性技術人才匱乏，發展受限。高層建筑自動化施工系統是一種新興的施工技術，其綜合性技術人才匱乏。并且，部分專業技術人員盡管擁有系統的理論知識，但相關實踐經驗缺乏，在實際工作中難以做到理論與實踐的深入結合，限制高層建筑自動化施工系統的發展。（3）使用成本較高，應用受限。高層建筑自動化施工系統所需的自動化設備需要較高的成本，尤其是人工智能機器人等方面研發投入巨大。考慮到當前勞動力成本的問題，企業還是更愿意使用人力和傳統工程機械，由此很大程度上限制了高層建筑自動化施工系統在實際工程中的應用。

4發展方向

（1）加強研發合作。自動化產品或技術的開發需要一個漫長的開發周期，而在大多數情況下，研究人員或企業很難獨自承擔整個周期。因此，需要加強不同從業者之間的橫向合作和縱向合作。橫向合作指不同學科之間的合作，例如，建筑、機械、計算機等技術人員。縱向合作指科研工作者與社會企業之間的合作，將科研產品運用于工程實踐，從而不斷改進技術和產品（2）加強綠色環保設計。建筑機械自動化施工系統雖然有著不可替代的優勢，但是，在建筑項目施工過程中容易出現過度浪費資源，污染環境等問題。同時，建筑工程是一個勞動密集型產業，人員相對集中，在施工過程中容易出現由于各種操作不當而引發的安全事故問題，這不僅危及到個人人身安全，也給企業及社會造成了不良影響。因此，隨著建筑機械自動化技術的發展，綠色環保是我們追求和發展的目標。我們要通過自動化控制，進行針對性的節能設計和安全保障系統設計，從而有效減少能源消耗，保證安全管理，促進建筑行業良好發展。

5結語

隨著社會經濟和科學技術的發展，高層建筑自動化施工系統逐漸發展起來，促進高層建筑施工朝智能化、高效化發展。本文主要從高層建筑自動化施工系統的運輸系統和集成子系統兩方面介紹了高層建筑自動化施工系統的研究現狀，并分析了高層建筑自動化施工系統在實際應用過程中的優勢，具體表現在其能保證高層建筑施工的高效性和協調性，有效提高施工質量，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在目前發展和應用過程中存在的問題，主要體現在相關學術研究與市場產品之間存在較大差距，綜合性技術人才匱乏以及自動化系統所需機械和技術的使用成本較高，使得高層建筑自動化施工系統的發展和應用受到限制。最后，本文提出了高層建筑自動化施工系統未來的發展方向主要可以從加強研發合作和加強綠色環保設計兩方面出發，促進其在工程實踐中的有效應用。

作者：張勤 單位：海鹽縣房地產與住房保障管理服務中心