建筑自动化的进展及关键技术研究

建筑自动化的进展及关键技术研究
莫志勇;冯春梅;杨继全
【摘要】This paper introduces the automation level and update application of robot in construction,analyzes the typical technologies and sums up their characteristics.It also analyzes the basic reasons of the automation lags in construction behind the automation in industries,gives out the update technology of three dimensional print for the construction and makes a study of its key technology,including new construction material,software and control.Through experiments,the feasibility of the technology is approved.%研究了建筑自动化技术的进展,介绍近年来机器人技术在建筑领域的应用情况.剖析了有代表性的实现技术,并总结各自的特点.针对建筑自动化较之工业自动化发展滞后的情况,分析了基本原因.结合最新的三维打印技术,将其应用在建筑自动化领域,并对其中的关键技术,新型建筑材料、软件技术和控制技术进行研究,通过实验验证部分成果的可行性.
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2017(046)002
【总页数】4页(P156-159)
【关键词】建筑自动化;三维打印;机器人;现场总线;建筑材料
【作者】莫志勇;冯春梅;杨继全
【作者单位】南京师范大学电气与自动化工程学院,江苏南京210042;南京师范大
学电气与自动化工程学院,江苏南京210042;南京师范大学电气与自动化工程学院,
江苏南京210042
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
大型建筑涉及众多的技术领域，尤其是地标性建筑，也吸引各种自动化技术的应用。

从上海的金贸大厦，到迪拜的七星级帆船酒店，都是用了最先进的建筑自动化技术，使其成为了智能化建筑。

从20世纪80年代中后期开始，以机器人为代表的自动
化技术逐步应用在建筑的各个方面[1]，如在国外取得实际应用的喷涂机器人、挖
掘机器人和铺地砖机器人等，这些技术的应用使建筑自动化的水平有了质的飞跃。

但不可否认，虽然自动化技术在其他工业领域都已大行其道，但在民用建筑领域到目前为止还没有大规模替代人工，大量简单、重复、繁重的工作仍然由人工操作，使得建筑建造效率低下、建筑质量难以保证、建筑工地安全事故频发。

归纳起来，主要原因有：
1) 现有的建筑自动化技术不适合大规模工程应用。

2) 传统的建筑设计方法与自动化建造有较大的差距。

还不能实现像机器零件那样
从图样设计(CAD)到计算机辅助制造(CAM)一条龙。

3) 传统的建筑材料性能有局限性[2]。

欧美等发达国家一直以来高度重视建筑自动化技术的应用与研究，主要缘于以下几个因素：
1) 建筑自动化技术有利于把建筑活动扩展到人所不适应的新领域，如水下、化学
或核辐射污染、高温、高压等[2]。

2) 建筑业中的人工费用较高，熟练劳动力日益缺乏，用机器人替代建筑工人，进
一步降低人工成本。

3) 使古老的建筑工序现代化，并提高效率。

南加州大学霍什内维斯教授首次提出采用轮廓工艺(contour crafting)建造房屋，
整个过程完全自动化，并成功应用在实验室环境中[3]。

据有关媒体报导[4]，其目
标是在24 h之内建造200 m2的房屋。

整个装置的示意图如图1(a)所示，图1(b)是核心部件喷头的结构。

整个装置在两条导轨上运行，便于建造大型建筑。

采用龙门式结构，逐层建造。

采用双头设计，一个喷头负责混凝土的喷射浇筑，另一个实际上是机械手，负责抓取成型件，用于搭建房顶。

喷头是一个具有多轴联动功能的复杂结构，这是由其任务决定的，它的基本运动形式包括：
1) 混凝土挤出操作，必要时还可以混合多种混凝土成分，如速凝剂、减水剂等。

2) 喷头旋转操作，使喷头始终对着墙体的中心线方向，根据墙体的形状作出必要
的旋转。

一般角度<360°。

3) 侧泥刀的姿态控制，不管墙面是垂直的，还是曲面弧形，控制泥刀的倾斜角，
使外墙表面始终光滑。

喷头还可以在贴地砖时换成喷胶水，机械手还可以换成吸盘。

工程师恩里科等发明了D-造型技术，用于建造长宽高最大尺寸为6×6×3 m3的
建筑，它也是目前世界上最大尺寸的建筑3D打印机[5-6]。

其特征是：采用多个
喷嘴(可达数百个)喷出镁质黏合材料，然后在此基础上喷撒极细的沙子颗粒，厚度为5 mm，最大不超过10 mm，层层喷撒，层层堆积，最终成型。

建造完毕后的建筑质地类似于大理石。

与轮廓工艺相比，其建筑材料不是事先搅拌好的混凝土。

关键在于特殊的喷头，喷头的操作受建筑CAD软件的控制。

并且采用数码成像技术，获取每一打印层的图像，与设计图的相应层作对比，如果发现存在偏差，采用适当的控制算法进行修正，
确保每一层的打印质量。

图2是D-造型技术的成型装置及建造的雕塑。

现在该技术已受到欧洲航天局(ESA)的关注，并资助研发多种相关技术，计划用于在月球上建造永久定居点。

日本在建筑自动化领域起步早、技术先进，并在工程中实际应用。

由于意识到劳动力人口日益减少的趋势，用机器人替代人工、提高生产效率是主要目的。

天篷技术是20世纪末开发的，用于建造高层强化混凝土建筑，具有高度的自动化[7]。

其特点是：大量采用混凝土预制件，通过现场立体化的吊装设备进行组装，只需要少量的焊接工作和少量的混泥土浇筑；广泛采用数据库技术，从预制件的生产、储存到安装采用数字化管理。

如图3所示。

其结果是：采用该技术建造一幢26层高的大厦，人工消耗只有传统建筑的三分之一，缩短了工期，提高了质量，节约了大量原材料。

基于第三代智能型机器人，紧密结合第五代计算机技术，国外研制出多种类型建筑机器人[8]。

1) 混凝土喷射机器人。

该机器人有自主行走机构、机械臂、喷头、空气压缩机和控制器等部件组成，在施工现场沿工作面喷射快干混凝土。

由于喷浆有大量的回弹砂浆，工作环境恶劣。

采用机器人，提高了工作效率，带来了巨大的效益。

2) 管道挖掘机器人。

挖掘埋设在地下的管道有一定的危险性，并可能对管道产生破坏。

该机器人根据声呐回传的数据，对挖掘地点进行建模，根据表面拓扑图和目标管道的地理位置，产生工作轨迹。

该机器人具有很高的实用性。

3) 土方开挖机器人。

建筑工地土方开挖工作量十分巨大，属于简单、重复劳动，由人工来完成，有一定的危险性。

英国兰开斯特大学研制的机器人，由分布式计算机系统组成，分别控制现场导航、任务规划、液压操作、安全保障。

采用人工智能技术，处理多种传感器的信息，根据现场情况，不断调整控制策略。

4) 其他类型建筑机器人。

已经取得实际应用的还有壁面爬行检查机器人、钢筋铺
设机器人和在放射性环境中使用的取芯钻探机器人、辐射性混凝土切割机器人等。

曾有预测，21世纪机器人就能完全像人那样具有听觉、视觉等感知能力，自行判
断外界环境，具有四肢，能协调动作。

现在看来，要实现这一目标路还很漫长。

客观分析，使用机器人代替人工从事建筑活动与机器人自身特点有不少区别：
1) 机器人活动范围有限，且不适合快速移动。

而建筑尺寸大得多，即使使用长的
机械臂，操作效率不高、稳定性不佳。

2) 机器人操作的质量只有自身质量的很小一部分，而建筑材料重得多，质心的平
衡是一个问题。

3) 机器人活动环境未知，需要多种传感器探测，对反馈信号进行处理才能进行下
一步决策，需要很高的人工智能技术和专家经验；而建筑活动是在确定的环境中进行，根据建筑设计图样，每一步操作都可以实现编程。

但是，机器人发展的制约并不意味着对建筑自动化的限制，近20年来三维打印技术发展迅速，给制造业带来革命性的变化，也给建筑自动化带来了希望。

从文献[2]、文献[5-6]可以看出，完全可以用三维打印技术实现建筑自动化，代替人工从
事建筑活动。

目前，还需要突破的关键技术有新型建筑材料的研发、适应三维打印建筑的软件技术以及自动控制技术。

普通混凝土不适合三维打印建筑，由于其凝固时间要求不同、混凝土后期强度的性能差异以及混凝土的收缩率等因素。

如普通混凝土初凝时间典型值区间为：1～3h，终凝时间典型值区间为：5～8h，而三维打印建筑需要的混凝土初凝时间典型值为10min，并且根据建筑的单层填充面积可调。

为了达到快速凝固，需要在水泥中添加速凝剂等多种外加剂。

一种具有速凝增稠作用的外加剂在水泥中的微观结构如图4所示[9]。

图中原本分离的水泥分子通过外
加剂长链大分子的作用，很容易吸附在一起，使混凝土浆体的远程凝聚结构更容易形成，从而使产生流变需要克服粒子间的阻力增加，浆体的初始结构粘度增加了。

增加速凝剂后，混凝土抗压强度变化情况如表1所示。

从表1中可见，添加速凝剂早期混凝土强度都高于普通混凝土，这是有利的。

但是，使用速凝剂的副作用是混凝土的后期强度要低一些，不仅如此，速凝剂对混凝土的收缩有增大的趋势，这主要是由于水泥早期水化过快。

表1中28d及30d添加速凝剂的混凝土强度稍低于普通混凝土。

为了弥补后期强度的损失，还需要添加减水剂。

经过反复试验，本项目组研制成功新型复合外加剂，使用万用力学性能试验机进行混凝土的抗压试验和抗折试验，其测试结果如表2所示。

用于建筑打印的软件运行过程设计成图5所示的流程[10]。

大致分成2个阶段：
建筑模型的数据处理阶段和成型工艺数据处理阶段。

传统的建筑设计采用Autocad软件，生成的文件格式是dwg，而三维打印建筑需要的设计文件是STL
格式，所以，现有的建筑模型数据不能直接驱动相应的设备，需要文件格式的转化。

Autocad软件可以用于构造三维建筑模型，在文件转化过程中可能出现缺陷，需
要模型的验证与修复。

三维打印属于离散-堆积成型，有了STL文件，还需要对其进行切片，得到一些列层。

主要的处理有搜索求交、内外轮廓识别和层片扫描。

1) 搜索求交
设三角形面片的3个顶点坐标分别为A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)和C(x3，
y3，z3)，如图6。

切平面为 z = h，则可以通过式(1)和式(2)分别求出交点D1和
D2的坐标值。

将交点数据依次写入CLI文件。

2) 内外轮廓识别
在分层切片图形中，建筑墙体通过包含关系、内外轮廓进行识别。

若轮廓a包含
轮廓b，则在树中a是b的“双亲”，b是a的““孩子”。

图7所示为某一层
片轮廓及其对应的轮廓树。

在轮廓树中，根结点R代表整个截面，根结点的孩子
代表最外一层外轮廓，如a和b，其他轮廓的包含关系依次类推。

因此外轮廓的孩子一定是内轮廓，内轮廓的孩子一定是外轮廓。

3) 层内扫描
扫描的目的是按实际加工的顺序排列扫描段。

通过求交计算扫描线与多边形的交点，通过点的排序和配对，构成每一个扫描段，也就是墙体。

构造的扫描段表格如图8所示，它的每一行对应一条扫描线，一条扫描线分成若干段，其余部分为空行程。

三维打印建筑采用特殊的混凝土，其凝固时间比传统的混凝土短得多，人工操作达不到要求，必须采用像工业流水线那样的全自动化装置，其基本要求是：
a) 相邻层的操作时间不能小于混凝土的初凝时间。

当上面一层叠加在下面一层时，下面层要有足够的抗压强度，每一层的施工时间必须控制在稍大于初凝时间，同时还要有应急措施防止材料凝固在输送管道内。

b) 相邻层的操作时间不能大于混凝土的终凝时间。

一旦混凝土发生终凝，会失去
塑性，导致相邻层不能牢固地粘接在一起形成一个整体。

每一个喷头的工作效率是有限的，根据目前的技术，通常每小时能够处理的混凝土量为1～5m3，如果除去空行程(空行程，指喷头运动但不挤出材料的行程，通常
从上一个墙体末尾到下一个墙体开始之间的距离)，效率还会下降。

所以，在建造
大型建筑时，单喷头不能满足要求，需要多喷头同时工作、分工协作，才能达到应有的施工速度，为此，在控制策略上需要处理：
1) 根据建筑设计图将整个工作量在多个喷头间的平均分配[11]。

2) 多喷头的排列方式。

在空间上所有喷头都有3个自由度，即x、y、z方向。

三
维打印是叠层制造方式，在z轴方向只能单方向增加。

为了避免喷头与墙体的碰撞，多个喷头始终在同一个z轴平面上，及x和y方向可以自主运行，z轴方向多喷头报保持同步。

3) 相邻的喷头在区域分界线附件施工防止碰撞。

通过扫描，每一个喷头的工作轨迹线是事先确定的，可以通过仿真运行检查是否会发生碰撞，并采取相应的策略避免碰撞。

建筑自动化是自动化技术的重要方向，采用先进技术取代人工是必然的发展趋势。

三维打印建筑是新兴的课题，本项目组在材料研发、建模软件及成型控制方面进行了大量的研究探索，并取得了积极的进展。

下一步工作在材料方面通过微观结构的研究，建立新型材料的性能评价体系，并通过试验，优化工艺参数，建立一个全自动化的三维打印建筑实验平台。