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機器人造大壩、招募波士頓動力狗:論基建狂魔,中國比不上它

振動傳感器 2020-08-17 236 0

建筑,這個全球自動化最為落后的行業之一,正面臨越來越多勞動力萎縮問題,越來越多的公司也將目光投向機器人。數據顯示,2025 年,建筑機器人市場將達 4.2 億美元。

作為一個高度發達的工業國家,建筑業是日本支柱型產業。五大建筑巨頭,加起來超過半個世紀的年紀,在自動化與信息化道路上已然狂奔四十載。入局最早,至今老當益壯。

盡管這些機器人 " 身懷絕技 ",但基于建筑工程的多樣性、精致性和復雜性,機器人目前僅能處理全部建筑工程工作量的 1%,借助機器人 " 實現建筑行業徹底變革 " 的說法為時尚早。

撰文 | 微胖

這真是關于前浪最勵志故事之一。

你可能知道會陪伴的日本軟銀 Pepper 機器人,風靡全球索尼 PS4 背后的機器人工廠,甚至知道沒有富士山下那家黃色機器人神秘家族,蘋果手機將不復存在,但你未必知道日本建筑行業百年老店的機器人。

這五家建筑巨頭,加起來超過半個世紀的年紀,在自動化與信息化道路上已然狂奔四十載。入局最早,至今老當益壯。

早在波士頓動力網紅狗投放市場前,日本建筑巨頭鹿島建設已經在神奈川縣隧道施工現場做過測試。

如今,有著 120 年歷史的大林組正使用機器人建造大壩,這也是業界首次嘗試將人類完全排除在這類傳統勞動密集作業畫面之外,讓習慣自詡 " 基建狂魔 " 的我們,也未免相形見絀。

在日本建筑場景找到自己發光點的波士頓動力狗,正在自動完成現場丈量和數據搜集工作。

一 機器人在大壩

大壩項目位于日本主島東南角的三重縣,是一座混凝土大壩,高 84 米,寬 334 米,預計于 2023 年 3 月完工。

大林組與另一建筑巨頭竹中工務店合作,試圖在每一個過程都實現某種程度自動化。為了進一步簡化過程,他們甚至在工地附近建造了一座工廠,將沙子和礫石與水泥混合制成混凝土。

修建大壩,是一項錯綜復雜的工作,也是勞動密集型作業。工人們首先用石料堆成的三角形的 " 山 ",然后處理大壩地基,最后進行澆筑。

所謂澆筑,就是在攔截水流的一面,建造混凝土防滲面板,以防止河水滲入堆積的石料之間的縫隙。澆筑進入到后半段,往往需要用混凝土攪拌機不斷地將混凝土注入滑升模板,從下往上建造厚厚的混凝土防滲面板,最后,讓混凝土凝固。

大林組專門開發了機器人負責混凝土澆筑。這些塔式起重機會將混凝土倒入 15 米見方的隔斷中,分層建造大壩,工作人員在辦公室遠程控制即可完成這一過程,同時計算機還會監控隔斷的位置與施工進度。

大林組在日本建造工地,幾乎都是用自動化設備進行建設。

對于大壩來說,均勻和質量控制尤其重要,因為混凝土需要精確分層并密封以防水,否則就有泄漏的風險。過去是由人類專員負責拋光打磨表面,使得混凝土緊密堆疊在一起,防止出現裂縫。現在,大林組開發出類似牙刷的機器,根據周期、頻率和表面壓力實現自動控制,在另一層混凝土沉積之前周期性地壓平和拋光混凝土。

隨著澆注混凝土的積累,用于提供結構的模板需要抬高,以防止未澆注的混凝土滲出。通常情況下,需要重型機械與多名熟練工人協同操作,逐步抬起,現在已交機器人抬起模板

計算機控制的起重機正在堆放混凝土,并有人工進行遠程質量控制。

在另一建筑巨頭鹿島建設的施工現場,自動駕駛也曾登臺獻技。

幾年前,在福岡縣深山中一座大型水壩(五山水壩)建筑現場,多臺建筑機械忙個不停。推土機先搬運混凝土,在地面上鋪平,振動壓路機再進行壓實。步驟與一般水壩的建筑現場別無他樣。唯一的區別是,這些建筑機械的駕駛席上都空無一人。技術人員在平板電腦上發出指令,機械根據事先嵌入的程序自動工作。

工人通過平板并借助無人機,讓機械根據事先嵌入的程序自動工作。

這是鹿島建筑開發的新一代建筑生產系統的一部分。通過平板設備向配備有全球衛星定位系統 ( GPS ) 的無人翻斗車發送指令,車輛就會自動搬運和平整泥土。

在過去,需要的重型機械越多,需要的人員也就越多,而五山水壩使用的無人重型機械為 2 臺,只有操作復雜、人工施工較快的部分,才需要使用傳統的重型機械。

GPS 等裝置每臺耗資大約在 400 萬日元 ( 約合人民幣 24 萬元 ) 左右,但作業所需人員僅為過去的五分之一。鹿島計劃在今后的住宅用地平整工程中也引進這些設備,并希望只有十分之一左右的人員也能完成施工作業。

不過,水壩工程并不是一勞永逸,壩體一旦建成,檢修工作也隨即開始,因為水壩的質量和運作狀況將直接影響周邊居民的日常生活乃至生命財產安全。

比如,在大分川水壩施工過程中,鹿島建設以無人機對現場進行激光測量,一方面用于未建成部分的設計規劃,另一方面又對完工部分加以監測管理。

大壩建設非常適合自動化,一方面涉及大量重復勞作,更重要的是工地往往遠離人口中心,設備擊中旁觀者或其他機器的風險較小。

不過,整個建筑行業使用的機器人仍然很少。特別是相對工廠結構化場景,類似大壩這樣的現場建設,仍然是建筑機器人應用的難點。

二 百歲前浪們的腦洞

除了大林組和鹿島建設,日本五大建筑巨頭還包括大成建設、清水建設、竹中工務店。它們不僅均為百年老店(竹中工務店始于 1610 年),也代表著日本乃至世界先進的建筑水平。

今年年初,以收集企業口碑和公開企業工資單聞名的網站 careerconnection 公布了日本建筑行業 " 低工作壓力企業 " 統計排名。五大巨頭位居前列,而工作舒適度很大程度上得益于自動化技術的采納。

日本建筑行業的 " 低工作壓力企業 " 統計排名。

和我們慣常看到的固定不動的工業機器人不同,機械臂外加一個可移動的平臺成為最常見的建筑機器人設計。

由于建筑場地具有很強的動態性,任務和周圍環境都容易發生變化,建筑活動執行者也常常被障礙物、不平的表面、設備等包圍。這些非結構化特性給機器人使用帶來巨大挑戰。因此,為了能在建筑工地上充分發揮作用,機器人必須具有便攜性、四處移動并 " 感知 " 周圍環境的能力。

近三年,這些機器人已陸續走出實驗室并在工地發光發熱。他們的工作時間也比較挑剔,一般集中在人少時候,比如夜班。

波士頓動力狗會之所以受到建筑行業青睞,重要原因之一就是移動性。鹿島建設讓一臺 Spot 替代工人,完成隧道尋常查抄的工作。Spot 裝備有 360 度攝像頭,可以對挖掘地點拍攝照片,并對泵表等儀器表盤等進行檢查,還可以根據事先設置的路線對坑內進行巡查。

已有兩百多年歷史的日本建筑巨頭清水建設,一心要扮演建筑界領頭羊。2015 年以來,清水建設投資 200 億日元(1.79 億美元)研發建筑機器人。實驗設施里,匯集了各種類型的機械臂應用。

為了滿足大型建筑物防震需求,以及方便進行無法動用吊車的地下混凝土施工,2017 年,清水建設推出了類似人類手臂的" 鋼筋混凝土輔助機器人 ",可以搬運重約 250 公斤的鋼筋至五公尺半徑范圍。過去需要六、七人來做的工作只需三人就可完成。

而且,機器人還可以拆卸成好幾塊,需要轉移其他地方作業時,從拆解到重新拼裝完畢只要三名工人花費二十分鐘。

清水建設的鋼筋混凝土輔助機器人可以協助工人舉起 200 公斤的鋼筋棍棒。

2018 年,清水建設還推出了" 焊接機器人 " 和 " 天花板 ( 包括地板)施工機器人 "。其中,自動焊接機器人的使用尚屬首例。

天花板施工機器人會用吸盤拾取木板,在傳感器幫助下把木板準確地放置在相應位置,同時旋轉機械臂,將木板用螺栓固定,扭完一處螺栓移動到下一個點重復操作。機器人一次可以舉起 30 千克的重量,有助于減輕一些建筑工程中最繁重的勞動。

另外,由新開發的系統,工人可以通過移動端指揮這些機器人。機器人也可以不斷學習歷史變得更聰明。

清水建設曾預計,假如這些機器人都能順利工作,未來它們所執行的每項任務所需的工人數量都可以比目前減少 1/3 或 1/4。

清水建設設計研發的天花板施工機器人

清水建設研發的進行鋼骨柱焊接的 " 焊接機器人 "

從領頭羊清水建設機器人可以看出,從研發宗旨來看,日本建筑機器人大致分為兩類。主要用來輔助、替代高強度、大量重復性勞動作業的機器人,以及優化建造流程,縮短工期,節約建造成本的機器人。

而從類型上看,除了測繪,建筑機器人常見類型包括搬運、砌磚、焊接、混凝土作業、地面鋪設以及裝修、巡檢(比如波士頓動力)等機器人。

最為熱鬧的應用場景當屬水泥或者混凝土作業。除了清水建設的鋼筋混凝土輔助機器人,竹中工務店也推出了用吸水板吸攝混凝土表層水分的機器人。

鹿島建設公司還研發出混凝土修整作業的機器人,通過平板電腦終端可實現自動運轉,在兼顧節省人力、高效率的同時,可實現整潔的修整作業。

不過,讓機器人做到得心應手的難度很大。比如,在使用壓路機壓實某個部分之后,已經壓實與沒有壓實的部分之間會出現落差。為了平穩駛過落差,熟練的人類司機會調整行駛的路徑和方向盤操作,依靠嫻熟技術壓實混凝土。

為了融入這些 " 工匠技藝 ",鹿島建設嘗試將熟練工如何操作重型機械作為數據積累,嵌入到算法,讓計算機學習 " 工匠技藝 "。

大成建設的 T-iROBO Slab Finisher

另外,大成建設也推出了自動完成地板灌漿以及平整作業的地板水泥組裝機器人。比如,2016 年推出的混凝土地坪施工機器人 "T-iROBO Slab Finisher"。

通常,混凝土地坪施工時需要保持彎腰狀態,對身體的負擔較重,根據混凝土的澆注面積和硬化情況的不同,有時需要多名泥工分工協作,或延長作業時間。而鋪設地坪使用的機械是通常是汽油發動機驅動的,非常重(機械+操作員約為 350kg),在運輸和適用場所方面存在很大限制。

采用機器人后,不僅可以減輕技術工人(泥工)的身體負擔,節省人力,還能提高作業效率。

至于焊接機器人方面,大成建設也推出 了自己的焊接作業機器人。而且,大成建筑還成為世界上首次使用機器人粉刷建筑物外墻的建筑公司,據報道機器人每小時能粉刷 100㎡,比人工粉刷快 40%。

為了讓重型建筑機械操作人員在作業時,能感受到重型機械接觸物體的力、動作和觸覺,大林組與頂尖日本大學共同開發了 " 真實觸覺 "(Real Haptics)力觸覺再現技術,并應用到了液壓驅動式重型建筑機械上,驗證了其性能和操作性。

除了嘗試在大壩測試機器人,大林組也推出了可以搬運重物的資產搬運機器人。

建筑超高層建筑,經常需要從地面向高層部分運輸資材。鋼筋等主要構件一般使用大型吊車搬運,而內飾材料等比較的輕的材料,則要工人使用平板車,通過臨時電梯搬運。需要耗費大量的人力。

現在只需要現場的施工人員按下許可按鈕,機器人就能鉆到堆放場上堆積的資材下面,自行在載物臺上裝載資材。然后自動搭乘臨時電梯,將資材運送到作業樓層。送達后再搭乘電梯,自動返回資材堆放場。

大林組表示,通過電梯搬運的資材有 6 成可以使用機器人。預計可以使搬運需要的人員數量減少到一半以下。

防火材料涂裝機器人。

三 機器人替代的復雜性

日本建筑業屬于勞動密集型產業。四五十年前,建筑業還是承接剩余勞動力的行業,為無數人提供工作場所,比如農閑時外出務工的勞動者、沒有簡歷的人和沒有固定工作的勞動者等。

然而,日本建筑承包商聯合會 ( Japan Federation Of Construction Contractors ) 數據顯示,日本建筑業正在迅速老齡化:目前有 35% 的工人年齡在 55 歲或以上。

加之從 2024 年開始,對加班的更嚴格監管將在建筑工地上生效,承包商正在努力借助自動化實現工地每周休息兩天的目標。

但凡打開這些巨頭的年報和宣傳冊,自 2017 年以來幾乎都有提及機器人技術、AI、ICT 等技術,有的甚至反復提及多次。2019 年 4 月,大林組還設立了建筑機器人部,結合物聯網、人工智能等技術從事相關機器人研發,以應對中長期的勞動力缺乏。

招聘女性焊工的海報。為了緩解勞動力荒,除了開放移民政策,日本還鼓勵女性進入工地工作,然而,日本建筑行業仍然很難接受女性在工地上工作。

" 因為(建筑業)是單品生產的勞動密集型產業 " 的解釋已經行不通了,這樣的觀念必須要做出改變。鹿島建設認為。

和流水線批量生產手機不同,土木工程只能根據客戶具體質量要求,定制化應對。如果建筑創新要想取得成功,應用性(通用性)非常重要,實現能應對不同現場的 " 最大公約數 ",這一點至關重要。

而哪個公司能捷足先登,在建筑工程中最先使用機器人,就能占據上風。

日本國家先進工業科學技術研究院(AIST)顯示了原型機器人 HRP-5P 撿起一塊石膏板并將其擰入墻壁,該機器人可用于在復雜建筑環境中復制人類動作。

盡管這些機器人 " 身懷絕技 ",但基于建筑工程的多樣性、精致性和復雜性,機器人目前僅能處理全部建筑工程工作量的 1%,還遠低于日本國土資源部在未來十年將該行業的生產率提高 20% 的目標。

事實上,借助機器人 " 實現建筑行業徹底變革 " 的說法為時尚早。而且,有些事情只有人能做。比如,完成小角落或需要手工技藝的室內裝飾。

上述大林組的大壩項目,目前還是一個機器人試驗項目,人類工人會隨時監督和指導一些機械設備。到目前為止,生產率提高了約 10%。

修建大壩需要多年經驗積累的知識和技能。大林專家認為,通過將專家技術轉移到機器上,系統能夠分析隱性知識。機器也正從經驗中學習,最終也許可以將建設時間減少 30%。

不過,在清水建設看來,對建筑行業來說,試圖讓機器人處理建筑工程工作量的 10% 已是極大的挑戰,而且還面臨成本過高的風險。雖然機器人應用在制造業特別是汽車工廠中很常見,但相比之下,建筑工地使用的機器人必須四處走動,雖然它們執行的任務多數也是重復的,但它們仍須因應建筑物的不同設計,來應對不平坦的地面和曲折的行走路線。

盡管如此,機器人技術仍有很大的空間來增強建筑的強度和速度,讓機器人在人們的指導下進行繁重的工作。

比如,城市建筑多為高層建筑,每個樓層的建設工作基本上是重復的,使用機器人可緩解建筑工人短缺,幫助減少建筑安全風險。

由 Advanced Construction Robotics 開發的 Tybot 機器人負責捆扎鋼筋,已經在工地上過崗。

目前,日本共有 56 萬家從事建筑的企業,其中資本金在一億日元的僅占 1.1%,98.9% 是中小企業,雖不乏響當當的名號(比如熊谷組和三井住友),但與五大巨頭以兆億為單位的年營收比起來,仍然是小巫見大巫。

就日本現狀而言,只有大型建筑公司率先引進了機器人等先進技術并帶來相關費用的下降,先進技術才有望在整個建筑業界普及。

不過,這些變化也帶來了挑戰。比如,要求本來年長的員工適應新技術。這是一個很大的障礙,如果做不到這一點,全面轉變可能會停滯不前。

成熟砌磚機器人 SAM,依然處在商業化和規模化過程中。

 

不過,中國建筑行業自動化情況更為落后,當前參與者也屈指可數。一方面,機器人核心部件還依賴進口,另一方面國內針對建筑行業的機器人廠家也沒有很強建筑行業背景和機器人應用技術的長期積累為前提。

盡管清水建設自 2015 年起投入 1.79 億美元進行建筑機器人研發,僅是碧桂園投資金額的幾十分之一,然而,后者已研發出 29 款建筑機器人樣機由于工地場景復雜,目前都還處于研發階段,沒有實現量產。

無論是和日本相比,還是較之成熟工業領域機器人的廣泛應用,號稱基建狂魔的中國建筑自動化進程才剛剛起步。

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