高层建筑自动化施工系统发展应用

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摘要：随着社会经济和科学技术的发展，高层建筑自动化施工系统的应用能有效提高高层建筑工程的生产力和产品质量，解决劳动力短缺和安全风险等诸多问题，具有十分显著的研究价值和社会价值。本文主要介绍了高层建筑自动化施工系统研究现状，并分析了高层建筑自动化施工系统在实际应用过程中的优势和存在的问题，最后提出了其未来发展方向，以供探讨。

关键词：自动化施工系统；高层建筑；应用；自动化技术

随着社会经济和科学技术的发展，建筑产业应用先进自动化技术来的现象越来越广泛。自动化技术指在无人干预的情况下，机器或装置等能按照预订的程序或指令自动控制操作的技术。由于高层建筑施工存在较大的技术难度和安全隐患，传统的人力施工已无法满足现阶段日益发展的社会市场，由此自动化施工技术逐渐取代人力施工被用于高层建筑工程施工中。基于各种自动化技术，高层建筑自动化施工系统逐渐发展起来，其能有效提高高层建筑工程的生产力和产品质量，解决劳动力短缺和安全风险等诸多问题。因此，高层建筑自动化施工系统发展与应用具有十分显著的研究价值和社会价值。

1高层建筑自动化施工系统研究现状

高层建筑自动化施工系统是指基于各种自动化技术，实现高层建筑在全天候施工大棚覆盖下进行自动化施工，其中自动化技术包括射频识别技术（RFID）、视觉传感和数字图像处理技术、增强现实（AR）、无人机等。高层建筑自动化施工系统起源于1980年的日本，其主要由四个部分组成：（1）同步顶升的全天候施工大棚系统；（2）运输系统：用于物料或设备的垂直升降和水平输送；（3）计算机信息控制系统：用于对整个施工现场进行集中管理，例如，施工计划、设备管理和物料管理；（4）集成子系统：用于特定建筑工作的施工系统，例如，钢装配、焊接和预制构件安装等。实践表明，高层建筑自动化施工系统采用全天侯自动化或机械化作业，不受天气变化的影响，极大地提高了生产效率和施工质量。下面我们主要介绍高层建筑自动化施工系统中的运输系统和集成子系统的研究现状。

1.1运输系统

运输系统负责材料和设备的现场运输，尤其是垂直吊装，极大地影响了高层建筑的施工效率，由此，相关研究主要集中在提高自动化运输系统的工作效率上。日本的Nishimura等提出了一种举升系统，该系统可以防止举起的组件沿其垂直轴旋转。Lee等提出了一种机器人塔式起重机系统，该系统可以通过测量直线距离的激光设备以及测量水平和垂直角度的编码器和加速度计来优化路径。Cho等开发了一种利用射频识别（RFID）和泛在传感器网络（USN）的智能举升车，其可以捕获物料移动信息并进行智能管理。Lee等确定了高层建筑中现有自动升降机的两个主要挑战，即升降机的停控和工人与升降机之间的通信，因此，提供了一种改进的自动升降机概念模型。

1.2集成子系统

集成子系统用于特定建筑工作的施工系统，例如，钢装配、焊接和预制构件安装等。下面主要介绍钢梁组装、外墙工作与立面安装。（1）钢梁组装。钢结构在高层建筑中很常见，钢梁组装是高风险、高难度的工作，因此，自动化施工技术能大大提高其工作效率和安全性。韩国开发一种机械臂自动化组装系统，该系统包括自动锚固装置，控制系统和运输系统三个子系统。另一方面，台湾大学于2017年提出的机器人自动组装系统。该系统包括旋转、对齐、螺栓连接和卸载等自动化工作方法，使得钢梁组装过程实现自动化。（2）外墙工作。施工自动化技术在高层建筑外墙工作上主要体现在清洁、检查和维护等方面。针对其工作性质，研究大多围绕攀爬机器人、清洁机器人和检查机器人展开。高层建筑外墙攀爬机器人的核心技术主要包括黏附方法、运动方式和步态方式等。其中真空抽吸一直是高层建筑攀爬机器人最常用的黏合方法之一，除此，Liu等人提出了一种干式粘合剂系统，以提供高摩擦力来支撑机器人。攀爬机器人的运动方式主要有腿驱动、轮驱动和缆线驱动等，除此，Lee等人提出了一种多链式履带攀爬机器人，具有很高的有效载荷能力和机动性，可避免障碍物。针对攀爬机器人的步态方式，Deshpande等人提出了一种机械同步步态，在不牺牲机动性的情况下减少了执行器的数量和成本。刘等采用仿生概念，通过模仿壁虎的腿和腰部，开发了具有五连杆机构和单活塞机构的攀爬机器人，使其具有快速攀爬和重载的特点。清洁机器人自2000年以来一直是研究热点，其研究主要集中在机构设计、安全防护、清洁机制和控制策略等。2014年，Shin等人研究了清洁工具系统挤压部分的流量控制，位置和力控制。2019年，Joo等人基于运动学和动态分析优化了清洁机械手的设计参数。张等[12]提出了针对清洁机器人的非线性控制算法。针对检查机器人，其检查机制主要包括撞击声法、视觉法和图像处理法。撞击声法是指利用撞击器在墙砖上产生冲击力，并通过麦克风记录声音，由此分析频谱以判断墙砖的黏结条件。视觉法和图像处理法是指检测并分析可见的裂缝和图像。（3）立面安装。传统的高层建筑立面安装方法是用绞盘和起重机手动安装，这种方法所需的人力投入和时间成本都较高，因此，为了实现高层建筑外立面的高效安装，许多学者致力于立面安装自动化技术研究。韩国提出了一种室内立面安装系统，该系统结合了挖掘机和机器人操纵器以及用于工人与环境之间实时交互的人机协作系统。2016年，Pan通过改进了基于塔吊的传统安装方法，提出了一种用于高层建筑的预制混凝土外墙面板安装系统的施工方法，该方法为面板的装载、运输、组装和管理提供了一种集成方法。

2高层建筑自动化施工系统的优势

（1）保证高层建筑施工的高效性和协调性。高层建筑自动化施工系统凭借先进的自动化技术，可以构建建筑管理平台，将建筑相关信息在平台上保存、显示和管理，从而精准控制施工过程各机械系统的运行，监督各环节的施工情况，实现统一管理情况，达到增强施工效率、协调施工程序的目的。（2）有效提高施工质量。先进的自动化技术能够让机械更具良好的思维能力，实现推理能力和决策能力的大幅度展现，可以实现许多人工无法完成的操作，并且大幅度提升施工精度，从而大大提升产品生产质量和生产效果。（3）降低人工投入，有利于施工安全管理。高层建筑自动化施工系统利用机器代替人力生产，可消除工人在高层施工过程中的安全隐患。同时，自动化系统擅长数据分析，可以很快找到设备故障数据，从而及时修复故障，保证机械设备的正常稳定运行，从而大大加强施工安全管理。

3目前存在的问题

（1）学术研究与市场产品之间存在差距，创新不足。尽管长期以来高层建筑自动化施工系统和相关技术的研究与开发一直在进行，但工程实践与应用仍然受到限制。学术研究中提出的一些自动化技术方案只是处于概念阶段和早期开发阶段，未经进一步研究，不能直接用于产品中。而一个产品要从实验室阶段走向市场应用，是一个漫长的过程，需要较大的人力物力投入，因为为保证产品质量和效果，需要不断地重复验证与试验。因此，学术研究与市场产品之间常常存在较大差距，使得高层建筑自动化施工系统的创新不足。（2）综合性技术人才匮乏，发展受限。高层建筑自动化施工系统是一种新兴的施工技术，其综合性技术人才匮乏。并且，部分专业技术人员尽管拥有系统的理论知识，但相关实践经验缺乏，在实际工作中难以做到理论与实践的深入结合，限制高层建筑自动化施工系统的发展。（3）使用成本较高，应用受限。高层建筑自动化施工系统所需的自动化设备需要较高的成本，尤其是人工智能机器人等方面研发投入巨大。考虑到当前劳动力成本的问题，企业还是更愿意使用人力和传统工程机械，由此很大程度上限制了高层建筑自动化施工系统在实际工程中的应用。

4发展方向

（1）加强研发合作。自动化产品或技术的开发需要一个漫长的开发周期，而在大多数情况下，研究人员或企业很难独自承担整个周期。因此，需要加强不同从业者之间的横向合作和纵向合作。横向合作指不同学科之间的合作，例如，建筑、机械、计算机等技术人员。纵向合作指科研工作者与社会企业之间的合作，将科研产品运用于工程实践，从而不断改进技术和产品（2）加强绿色环保设计。建筑机械自动化施工系统虽然有着不可替代的优势，但是，在建筑项目施工过程中容易出现过度浪费资源，污染环境等问题。同时，建筑工程是一个劳动密集型产业，人员相对集中，在施工过程中容易出现由于各种操作不当而引发的安全事故问题，这不仅危及到个人人身安全，也给企业及社会造成了不良影响。因此，随着建筑机械自动化技术的发展，绿色环保是我们追求和发展的目标。我们要通过自动化控制，进行针对性的节能设计和安全保障系统设计，从而有效减少能源消耗，保证安全管理，促进建筑行业良好发展。

5结语

随着社会经济和科学技术的发展，高层建筑自动化施工系统逐渐发展起来，促进高层建筑施工朝智能化、高效化发展。本文主要从高层建筑自动化施工系统的运输系统和集成子系统两方面介绍了高层建筑自动化施工系统的研究现状，并分析了高层建筑自动化施工系统在实际应用过程中的优势，具体表现在其能保证高层建筑施工的高效性和协调性，有效提高施工质量，同时，降低人工投入，有利于施工安全管理。另一方面，本文还分析了高层建筑自动化施工系统在目前发展和应用过程中存在的问题，主要体现在相关学术研究与市场产品之间存在较大差距，综合性技术人才匮乏以及自动化系统所需机械和技术的使用成本较高，使得高层建筑自动化施工系统的发展和应用受到限制。最后，本文提出了高层建筑自动化施工系统未来的发展方向主要可以从加强研发合作和加强绿色环保设计两方面出发，促进其在工程实践中的有效应用。

作者：张勤 单位：海盐县房地产与住房保障管理服务中心