机器人造大坝、招募波士顿动力狗:论基建狂魔,中国比不上它

建筑,这个全球自动化最为落后的行业之一,正面临越来越多劳动力萎缩问题,越来越多的公司也将目光投向机器人。数据显示,2025年,建筑机器人市场将达4.2亿美元。

作为一个高度发达的工业国家,建筑业是日本支柱型产业。五大建筑巨头,加起来超过几个世纪的年纪,在自动化与信息化道路上已然狂奔四十载。入局最早,至今老当益壮。

尽管这些机器人“身怀绝技”,但基于建筑工程的多样性、精致性和复杂性,机器人目前仅能处理全部建筑工程工作量的1%,借助机器人“实现建筑行业彻底变革”的说法为时尚早。

撰文 | 微胖

这真是关于前浪最励志故事之一。

你可能知道会陪伴的日本软银Pepper机器人,风靡全球索尼PS4背后的机器人工厂,甚至知道没有富士山下那家黄色机器人神秘家族,苹果手机将不复存在,但你未必知道日本建筑行业百年老店的机器人。

这五家建筑巨头,加起来超过几个世纪的年纪,在自动化与信息化道路上已然狂奔四十载。入局最早,至今老当益壮。

早在波士顿动力网红狗投放市场前,日本建筑巨头鹿岛建设已经在神奈川县隧道施工现场做过测试。

如今,有着120年历史的大林组正使用机器人建造大坝,这也是业界首次尝试将人类完全排除在这类传统劳动密集作业画面之外,让习惯自诩“基建狂魔”的我们,也未免相形见绌。

在日本建筑场景找到自己发光点的波士顿动力狗,正在自动完成现场丈量和数据搜集工作。

一 机器人在大坝

大坝项目位于日本主岛东南角的三重县,是一座混凝土大坝,高84米,宽334米,预计于2023年3月完工。

大林组与另一建筑巨头竹中工务店合作,试图在每一个过程都实现某种程度自动化。为了进一步简化过程,他们甚至在工地附近建造了一座工厂,将沙子和砾石与水泥混合制成混凝土。

修建大坝,是一项错综复杂的工作,也是劳动密集型作业。工人们首先用石料堆成的三角形的“山”,然后处理大坝地基,最后进行浇筑。

所谓浇筑,就是在拦截水流的一面,建造混凝土防渗面板,以防止河水渗入堆积的石料之间的缝隙。浇筑进入到后半段,往往需要用混凝土搅拌机不断地将混凝土注入滑升模板,从下往上建造厚厚的混凝土防渗面板,最后,让混凝土凝固。

大林组专门开发了机器人负责混凝土浇筑。这些塔式起重机会将混凝土倒入15米见方的隔断中,分层建造大坝,工作人员在办公室远程控制即可完成这一过程,同时计算机还会监控隔断的位置与施工进度。

大林组在日本建造工地,几乎都是用自动化设备进行建设

对于大坝来说,均匀和质量控制尤其重要,因为混凝土需要精确分层并密封以防水,否则就有泄漏的风险。过去是由人类专员负责抛光打磨表面,使得混凝土紧密堆叠在一起,防止出现裂缝。现在,大林组开发出类似牙刷的机器,根据周期、频率和表面压力实现自动控制,在另一层混凝土沉积之前周期性地压平和抛光混凝土。

随着浇注混凝土的积累,用于提供结构的模板需要抬高,以防止未浇注的混凝土渗出。通常情况下,需要重型机械与多名熟练工人协同操作,逐步抬起,现在已交由机器人抬起模板

计算机控制的起重机正在堆放混凝土,并有人工进行远程质量控制。

在另一建筑巨头鹿岛建设的施工现场,自动驾驶也曾登台献技。

几年前,在福冈县深山中一座大型水坝(五山水坝)建筑现场,多台建筑机械忙个不停。推土机先搬运混凝土,在地面上铺平,振动压路机再进行压实。步骤与一般水坝的建筑现场别无他样。唯一的区别是,这些建筑机械的驾驶席上都空无一人。技术人员在平板电脑上发出指令,机械根据事先嵌入的程序自动工作。

工人通过平板并借助无人机,让机械根据事先嵌入的程序自动工作。

这是鹿岛建筑开发的新一代建筑生产系统的一部分。通过平板设备向配备有全球卫星定位系统(GPS)的无人翻斗车发送指令,车辆就会自动搬运和平整泥土。

在过去,需要的重型机械越多,需要的人员也就越多,而五山水坝使用的无人重型机械为2台,只有操作复杂、人工施工较快的部分,才需要使用传统的重型机械。

GPS等装置每台耗资大约在400万日元(约合人民币24万元)左右,但作业所需人员仅为过去的五分之一。鹿岛计划在今后的住宅用地平整工程中也引进这些设备,并希望只有十分之一左右的人员也能完成施工作业。

不过,水坝工程并不是一劳永逸,坝体一旦建成,检修工作也随即开始,因为水坝的质量和运作状况将直接影响周边居民的日常生活乃至生命财产安全。

比如,在大分川水坝施工过程中,鹿岛建设以无人机对现场进行激光测量,一方面用于未建成部分的设计规划,另一方面又对完工部分加以监测管理。

大坝建设非常适合自动化,一方面涉及大量重复劳作,更重要的是工地往往远离人口中心,设备击中旁观者或其他机器的风险较小。

不过,整个建筑行业使用的机器人仍然很少。特别是相对工厂结构化场景,类似大坝这样的现场建设,仍然是建筑机器人应用的难点。

二 百岁前浪们的脑洞

除了大林组和鹿岛建设,日本五大建筑巨头还包括大成建设、清水建设、竹中工务店。它们不仅均为百年老店(竹中工务店始于1610年),也代表着日本乃至世界先进的建筑水平。

今年年初,以收集企业口碑和公开企业工资单闻名的网站 careerconnection 公布了日本建筑行业“低工作压力企业”统计排名。五大巨头位居前列,而工作舒适度很大程度上得益于自动化技术的采纳。

日本建筑行业的“低工作压力企业”统计排名。

和我们惯常看到的固定不动的工业机器人不同,机械臂外加一个可移动的平台成为最常见的建筑机器人设计。

由于建筑场地具有很强的动态性,任务和周围环境都容易发生变化,建筑活动执行者也常常被障碍物、不平的表面、设备等包围。这些非结构化特性给机器人使用带来巨大挑战。因此,为了能在建筑工地上充分发挥作用,机器人必须具有便携性、四处移动并“感知”周围环境的能力。

近三年,这些机器人已陆续走出实验室并在工地发光发热。他们的工作时间也比较挑剔,一般集中在人少时候,比如夜班。

波士顿动力狗会之所以受到建筑行业青睐,重要原因之一就是移动性。鹿岛建设让一台 Spot 替代工人,完成隧道寻常查抄的工作。Spot装备有360度摄像头,可以对挖掘地点拍摄照片,并对泵表等仪器表盘等进行检查,还可以根据事先设置的路线对坑内进行巡查。

已有两百多年历史的日本建筑巨头清水建设,一心要扮演建筑界领头羊。2015年以来,清水建设投资200亿日元(1.79亿美元)研发建筑机器人。实验设施里,汇集了各种类型的机械臂应用。

为了满足大型建筑物防震需求,以及方便进行无法动用吊车的地下混凝土施工,2017年,清水建设推出了类似人类手臂的“钢筋混凝土辅助机器人”,可以搬运重约250公斤的钢筋至五公尺半径范围。过去需要六、七人来做的工作只需三人就可完成。

而且,机器人还可以拆卸成好几块,需要转移其他地方作业时,从拆解到重新拼装完毕只要三名工人花费二十分钟。

清水建设的钢筋混凝土辅助机器人可以协助工人举起200公斤的钢筋棍棒。

2018年,清水建设还推出了“焊接机器人”和“天花板(包括地板)施工机器人”。其中,自动焊接机器人的使用尚属首例。

天花板施工机器人会用吸盘拾取木板,在传感器帮助下把木板准确地放置在相应位置,同时旋转机械臂,将木板用螺栓固定,扭完一处螺栓移动到下一个点重复操作。机器人一次可以举起30千克的重量,有助于减轻一些建筑工程中最繁重的劳动。

另外,借由新开发的系统,工人可以通过移动端指挥这些机器人。机器人也可以不断学习历史变得更聪明。

清水建设曾预计,假如这些机器人都能顺利工作,未来它们所执行的每项任务所需的工人数量都可以比目前减少1/3或1/4。

清水建设设计研发的天花板施工机器人

清水建设研发的进行钢骨柱焊接的“焊接机器人”

从领头羊清水建设机器人可以看出,从研发宗旨来看,日本建筑机器人大致分为两类。主要用来辅助、替代高强度、大量重复性劳动作业的机器人,以及优化建造流程,缩短工期,节约建造成本的机器人。

而从类型上看,除了测绘,建筑机器人常见类型包括搬运、砌砖、焊接、混凝土作业、地面铺设以及装修、巡检(比如波士顿动力)等机器人。

最为热闹的应用场景当属水泥或者混凝土作业。除了清水建设的钢筋混凝土辅助机器人,竹中工务店也推出了用吸水板吸摄混凝土表层水分的机器人。

鹿岛建设公司还研发出混凝土修整作业的机器人,通过平板电脑终端可实现自动运转,在兼顾节省人力、高效率的同时,可实现整洁的修整作业。

不过,让机器人做到得心应手的难度很大。比如,在使用压路机压实某个部分之后,已经压实与没有压实的部分之间会出现落差。为了平稳驶过落差,熟练的人类司机会调整行驶的路径和方向盘操作,依靠娴熟技术压实混凝土。

为了融入这些“工匠技艺”,鹿岛建设尝试将熟练工如何操作重型机械作为数据积累,嵌入到算法,让计算机学习“工匠技艺”。

大成建设的 T-iROBO Slab Finisher

另外,大成建设也推出了自动完成地板灌浆以及平整作业的地板水泥组装机器人。比如,2016年推出的混凝土地坪施工机器人“T-iROBO Slab Finisher”。

通常,混凝土地坪施工时需要保持弯腰状态,对身体的负担较重,根据混凝土的浇注面积和硬化情况的不同,有时需要多名泥工分工协作,或延长作业时间。而铺设地坪使用的机械是通常是汽油发动机驱动的,非常重(机械+操作员约为350kg),在运输和适用场所方面存在很大限制。

采用机器人后,不仅可以减轻技术工人(泥工)的身体负担,节省人力,还能提高作业效率。

至于焊接机器人方面,大成建设也推出 了自己的焊接作业机器人。而且,大成建筑还成为世界上首次使用机器人粉刷建筑物外墙的建筑公司,据报道机器人每小时能粉刷100㎡,比人工粉刷快40%。

为了让重型建筑机械操作人员在作业时,能感受到重型机械接触物体的力、动作和触觉,大林组与顶尖日本大学共同开发了 “真实触觉”(Real Haptics)力触觉再现技术,并应用到了液压驱动式重型建筑机械上,验证了其性能和操作性。

除了尝试在大坝测试机器人,大林组也推出了可以搬运重物的资产搬运机器人。

建筑超高层建筑,经常需要从地面向高层部分运输资材。钢筋等主要构件一般使用大型吊车搬运,而内饰材料等比较的轻的材料,则要工人使用平板车,通过临时电梯搬运。需要耗费大量的人力。

现在只需要现场的施工人员按下许可按钮,机器人就能钻到堆放场上堆积的资材下面,自行在载物台上装载资材。然后自动搭乘临时电梯,将资材运送到作业楼层。送达后再搭乘电梯,自动返回资材堆放场。

大林组表示,通过电梯搬运的资材有6成可以使用机器人。预计可以使搬运需要的人员数量减少到一半以下。

防火材料涂装机器人。


三 机器人替代的复杂性

日本建筑业属于劳动密集型产业。四五十年前,建筑业还是承接剩余劳动力的行业,为无数人提供工作场所,比如农闲时外出务工的劳动者、没有简历的人和没有固定工作的劳动者等。

然而,日本建筑承包商联合会(Japan Federation Of Construction Contractors)数据显示,日本建筑业正在迅速老龄化:目前有35%的工人年龄在55岁或以上。

加之从2024年开始,对加班的更严格监管将在建筑工地上生效,承包商正在努力借助自动化实现工地每周休息两天的目标。

但凡打开这些巨头的年报和宣传册,自2017年以来几乎都有提及机器人技术、AI、ICT等技术,有的甚至反复提及多次。2019年4月,大林组还设立了建筑机器人部,结合物联网、人工智能等技术从事相关机器人研发,以应对中长期的劳动力缺乏。

招聘女性焊工的海报。为了缓解劳动力荒,除了开放移民政策,日本还鼓励女性进入工地工作,然而,日本建筑行业仍然很难接受女性在工地上工作。

“因为(建筑业)是单品生产的劳动密集型产业”的解释已经行不通了,这样的观念必须要做出改变。鹿岛建设认为。

和流水线批量生产手机不同,土木工程只能根据客户具体质量要求,定制化应对。如果建筑创新要想取得成功,应用性(通用性)非常重要,实现能应对不同现场的“最大公约数”,这一点至关重要。

而哪个公司能捷足先登,在建筑工程中最先使用机器人,就能占据上风。

日本国家先进工业科学技术研究院(AIST)显示了原型机器人HRP-5P捡起一块石膏板并将其拧入墙壁,该机器人可用于在复杂建筑环境中复制人类动作。

尽管这些机器人“身怀绝技”,但基于建筑工程的多样性、精致性和复杂性,机器人目前仅能处理全部建筑工程工作量的1%,还远低于日本国土资源部在未来十年将该行业的生产率提高20%的目标。

事实上,借助机器人“实现建筑行业彻底变革”的说法为时尚早。而且,有些事情只有人能做。比如,完成小角落或需要手工技艺的室内装饰。

上述大林组的大坝项目,目前还是一个机器人试验项目,人类工人会随时监督和指导一些机械设备。到目前为止,生产率提高了约10%。

修建大坝需要多年经验积累的知识和技能。大林专家认为,通过将专家技术转移到机器上,系统能够分析隐性知识。机器也正从经验中学习,最终也许可以将建设时间减少30%。

不过,在清水建设看来,对建筑行业来说,试图让机器人处理建筑工程工作量的10%已是极大的挑战,而且还面临成本过高的风险。虽然机器人应用在制造业特别是汽车工厂中很常见,但相比之下,建筑工地使用的机器人必须四处走动,虽然它们执行的任务多数也是重复的,但它们仍须因应建筑物的不同设计,来应对不平坦的地面和曲折的行走路线。

尽管如此,机器人技术仍有很大的空间来增强建筑的强度和速度,让机器人在人们的指导下进行繁重的工作。

比如,城市建筑多为高层建筑,每个楼层的建设工作基本上是重复的,使用机器人可缓解建筑工人短缺,帮助减少建筑安全风险。

由 Advanced Construction Robotics开发的 Tybot 机器人负责捆扎钢筋,已经在工地上过岗。

目前,日本共有56万家从事建筑的企业,其中资本金在一亿日元的仅占1.1%,98.9%是中小企业,虽不乏响当当的名号(比如熊谷组和三井住友),但与五大巨头以兆亿为单位的年营收比起来,仍然是小巫见大巫。

就日本现状而言,只有大型建筑公司率先引进了机器人等先进技术并带来相关费用的下降,先进技术才有望在整个建筑业界普及。

不过,这些变化也带来了挑战。比如,要求本来年长的员工适应新技术。这是一个很大的障碍,如果做不到这一点,全面转变可能会停滞不前。

成熟砌砖机器人SAM,依然处在商业化和规模化过程中。

不过,中国建筑行业自动化情况更为落后,当前参与者也屈指可数。一方面,机器人核心部件还依赖进口,另一方面国内针对建筑行业的机器人厂家也没有很强建筑行业背景和机器人应用技术的长期积累为前提。

尽管清水建设自2015年起投入1.79亿美元进行建筑机器人研发,仅是碧桂园投资金额的几十分之一,然而,后者已研发出29款建筑机器人样机由于工地场景复杂,目前都还处于研发阶段,没有实现量产。

无论是和日本相比,还是较之成熟工业领域机器人的广泛应用,号称基建狂魔的中国建筑自动化进程才刚刚起步。

产业建筑机器人波士顿动力智能建筑智慧建筑机器人技术
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国家海洋局第二海洋研究所・工程师
文章有些地方让人难以读懂,比如“五大建筑巨头,加起来超过半个世纪的年纪...",五巨头每一家都超过百年了吧,怎么加起来才半个世纪?“尽管清水建设自2015年起投入1.79亿美元进行建筑机器人研发,仅是碧桂园投资金额的几十分之一,然而,后者已研发出29款建筑机器人样机由于工地场景复杂,目前都还处于研发阶段,没有实现量产”,这句也存在表述问题吧。近期的文章很多都不太好读哦。
机器之心・编辑
应该是好几个世纪了。