砌筑機(jī)器人上崗建筑工地

案例實(shí)施情況

蘇州星光耀商住公寓樓項(xiàng)目（如圖1所示）位于蘇州市金閶新城虎池路與金筑街交匯處，總建筑面積16萬㎡，由中億豐建設(shè)集團(tuán)負(fù)責(zé)施工。該項(xiàng)目由6座高層（21F）單體組成，除2號(hào)樓外，1號(hào)樓和3號(hào)～6號(hào)樓的內(nèi)外墻體均采用蒸壓加氣混凝土（ALC）砌塊現(xiàn)場砌筑（如圖2所示），項(xiàng)目使用的砌塊規(guī)格等級(jí)為A5.0B06級(jí)，總使用量約2.5萬m3，砌筑施工人工費(fèi)約580萬元人民幣。

圖1蘇州星光耀項(xiàng)目外觀

圖2砌體砌筑前的室內(nèi)場景

該項(xiàng)目2020年8月開始進(jìn)入墻體砌筑施工階段，高峰時(shí)3座樓同時(shí)進(jìn)行砌筑作業(yè)，期間遇到較為嚴(yán)重的砌筑工短缺問題，砌筑工不但招募困難，而且年齡普遍偏大。據(jù)項(xiàng)目部統(tǒng)計(jì)，在崗的砌筑工年齡超過50歲的占比達(dá)到了65%以上，難以適應(yīng)持續(xù)高強(qiáng)度搶工作業(yè)，從而造成施工工期嚴(yán)重滯后。為此中億豐建設(shè)集團(tuán)在星光耀項(xiàng)目開展砌筑機(jī)器人“On-site”砌筑應(yīng)用試點(diǎn)，已破解砌筑作業(yè)人力短缺和工效低下的難題。

2020年10月，星光耀1號(hào)樓的在建樓層（16F～21F）開展了砌筑機(jī)器人“On-site”砌筑施工試點(diǎn)，并選擇相鄰的結(jié)構(gòu)、體量完全一致，采取傳統(tǒng)全人工砌筑的3號(hào)樓作為對(duì)比參照。試點(diǎn)工程砌體施工基本情況：1號(hào)樓和3號(hào)樓相同，單層砌體砌筑量約210m3，采用600mm*200mm*240mm規(guī)格、等級(jí)為A5.0B06的砂加氣砌塊，平均塊重24～26kg。砌體結(jié)構(gòu)主要為內(nèi)部隔墻、窗臺(tái)/空調(diào)圍護(hù)和風(fēng)井道、樓梯間圍護(hù)。砌體施工時(shí)，按照構(gòu)造要求以及根據(jù)規(guī)范留置構(gòu)造柱、過梁、圈梁，每兩皮設(shè)置通長拉結(jié)筋。

1、對(duì)比樓棟3號(hào)樓人工砌筑的情況

作為對(duì)比參照的3號(hào)樓采用人工砌筑，根據(jù)傳統(tǒng)作業(yè)方法進(jìn)行施工（如圖3所示）組織和人員配備。由于工具原始（如圖4所示），完全依靠砌工的體力勞動(dòng)，因此體力消耗大，工效無法提升，質(zhì)量情況也參差不齊。

圖3人工砌筑施工場景

圖4人工砌筑使用的原始工具

3號(hào)樓在工期緊迫、一再動(dòng)員的情況下，人均日砌筑量也僅能達(dá)到3m3～3.5m3，該工作量相當(dāng)于重物舉升操作3t～3.5t，對(duì)于普遍高齡的從業(yè)人員，已接近體能極限。勞動(dòng)力配置上，單層投入的砌筑隊(duì)人員包括8名砌筑大工（負(fù)責(zé)粘合劑拌制和砌筑施工）和2名小工（負(fù)責(zé)材料搬運(yùn)和衛(wèi)生清理），單層砌筑工期約10天完成。

2、砌筑機(jī)器人“On-site”在1號(hào)樓的施工效果

試點(diǎn)樓棟1號(hào)樓投入一臺(tái)MOBOTGT30型智能砌筑機(jī)器人，該型機(jī)器人完全針對(duì)建筑室內(nèi)砌筑的應(yīng)用場景特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具備輕量化的可折疊機(jī)身設(shè)計(jì)，可方便地通過施工人貨梯進(jìn)入作業(yè)樓層和遂行垂直轉(zhuǎn)運(yùn)（如圖5所示）。在施工組織上，采取砌筑機(jī)器人和砌筑大工混合編成，區(qū)分大小工作面進(jìn)行分工協(xié)作，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)和效能。

圖5砌筑機(jī)器人垂直轉(zhuǎn)運(yùn)

1號(hào)樓施工力量的具體編成：砌筑機(jī)器人1臺(tái)（含操作手1名），砌筑大工4名，材料轉(zhuǎn)運(yùn)和衛(wèi)生清理和3號(hào)樓一致，由2名小工負(fù)責(zé)。

4名砌筑大工中3人負(fù)責(zé)不利于機(jī)器人展開的小墻面砌筑，1人與機(jī)器人操作手合作，編成雙人機(jī)組開展機(jī)器人作業(yè)（如圖6、圖7所示）。

圖6砌筑機(jī)器人班組施工場景

圖7砌筑機(jī)器人班組施工場景

機(jī)器人雙人班組的分工：操作手（經(jīng)過培訓(xùn)的產(chǎn)業(yè)工人），負(fù)責(zé)機(jī)器人操控和砌塊上料；配合的砌筑大工主要負(fù)責(zé)批漿、安放拉結(jié)筋、過梁板等輔助性作業(yè)以及最后塞砌頂層磚。

施工組織方面，根據(jù)大小墻分工原則，由機(jī)器人班組負(fù)責(zé)承擔(dān)最有利于發(fā)揮效能的大墻砌筑，該部分砌筑量約120m3，占比60%。MOBOTGT30型砌筑機(jī)器人由于在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了真實(shí)工況下的可操作性和部署便捷性，具備環(huán)境耐受性高，移動(dòng)展開部署簡單等優(yōu)勢(shì)，更換作業(yè)面后的砌筑準(zhǔn)備時(shí)間小于10min；加上其六軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)完全根據(jù)室內(nèi)砌筑的工作條件來設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)路徑最優(yōu)化，砌筑節(jié)拍達(dá)到3塊/min，因此，班組日砌筑量超過了15m3，是人工砌筑速度的5倍。

同時(shí)，該型砌筑機(jī)器人在軟件設(shè)計(jì)上具有智能排磚系統(tǒng)，可根據(jù)項(xiàng)目使用的砌塊種類，砂漿種類以及各地構(gòu)造柱留搓方案的不同，自動(dòng)給出最佳磚塊排列方案進(jìn)行砌筑。其末端抓手裝備了力矩傳感器，可保證墻體砌筑質(zhì)量（如圖8所示）。

圖8機(jī)器人砌筑的成墻質(zhì)量情況

應(yīng)用成效和推廣價(jià)值

1、應(yīng)用成效

施工效能對(duì)比（見表1）：1號(hào)樓對(duì)比3號(hào)樓，在砌筑大工減少50%，整體砌筑質(zhì)量明顯提升的情況下，平均砌筑工期還節(jié)省了1天～2天。人員的勞動(dòng)強(qiáng)度顯著下降，持續(xù)施工作業(yè)能力得到提升。

表1：1號(hào)樓和3號(hào)樓施工效能對(duì)比表

2、推廣價(jià)值

國內(nèi)建筑砌體砌筑市場存在兩個(gè)基本特點(diǎn)：一是體量巨大，各類砌體的砌筑施工量年均超過10億m3，在ALC墻板材因?yàn)楦鞣N原因進(jìn)展緩慢的情況下，人工現(xiàn)場砌筑在可見的將來仍會(huì)是一個(gè)巨大的剛需市場。二是業(yè)態(tài)原始，砌筑業(yè)的人力資源組織方式，包括人員招募與職業(yè)培訓(xùn)，施工組織形式和作業(yè)工具基本上都還停留在幾十年前的狀態(tài)，表現(xiàn)為用工時(shí)臨時(shí)招募、師徒相授、手工作業(yè)拼體力。行業(yè)業(yè)態(tài)的原始必然導(dǎo)致行業(yè)生產(chǎn)的低效率，表現(xiàn)為較低的人均產(chǎn)值和龐大的用工人數(shù)（低效率下的勞動(dòng)力密集型作業(yè)）。2018年全國建筑業(yè)砌筑施工從業(yè)人員據(jù)估算大約600萬，占當(dāng)年建筑業(yè)5563萬從業(yè)總?cè)藬?shù)（國家統(tǒng)計(jì)局2019年7月31日發(fā)布）的10.7%，砌筑從業(yè)人員的人均建筑業(yè)名義產(chǎn)值比全行業(yè)平均數(shù)低23%。在上述600萬砌筑從業(yè)人員中，具備技能的砌筑大工人數(shù)約占50%，即300萬。盡管在收入分配上，大工有較大的分配權(quán)重，但由于整體效率低下，相對(duì)于每天砌筑3m3，舉重量達(dá)3000Kg以上的帶技能的重體力勞動(dòng)，這樣的勞動(dòng)報(bào)酬已經(jīng)不具備吸引力。因此，砌筑業(yè)從業(yè)人員大量流失，普遍高齡化以及砌筑單價(jià)的上行壓力不斷增強(qiáng)，近年來這些痛點(diǎn)已經(jīng)非常明顯。

所以，研發(fā)適合“On-site”室內(nèi)砌筑這一工序場景的砌筑機(jī)器人或是自動(dòng)化施工機(jī)械，推行機(jī)器人砌筑這一新工藝，對(duì)落后的傳統(tǒng)手工作業(yè)方式進(jìn)行新技術(shù)加持下的工藝變革，大幅減少砌筑勞動(dòng)用工，提升行業(yè)施工效率，已勢(shì)在必行。

經(jīng)過試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，使用智能砌筑機(jī)器人開展“On-site”砌筑施工不改變現(xiàn)有工序流程，對(duì)應(yīng)用場景無特殊要求，可復(fù)制性強(qiáng)。

該項(xiàng)新技術(shù)的推廣，不但可以顯著提升砌筑施工的科技含量，減少勞動(dòng)用工，有效應(yīng)對(duì)有技能的砌筑大工日益減少的用工困境和行業(yè)痛點(diǎn)。同時(shí)機(jī)器人砌筑大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，效率的提升又帶來工人收入的提升，崗位工作積極性的提升，有利于導(dǎo)入年輕一代產(chǎn)業(yè)工人。

面對(duì)逐年上升的人工成本，規(guī)�；�推行以砌筑機(jī)器人為抓手的智能建造勢(shì)在必行。中億豐建設(shè)集團(tuán)將在今后繼續(xù)加大對(duì)于砌筑機(jī)器人和砌筑機(jī)器人“On-site”施工新技術(shù)的推廣運(yùn)用，豐富其應(yīng)用場景，擴(kuò)大市場覆蓋率，以實(shí)現(xiàn)砌筑機(jī)器人應(yīng)用的規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化。

砌筑機(jī)器人性能指標(biāo)

砌筑機(jī)器人“On-site”技術(shù)適用于醫(yī)院、學(xué)校、商業(yè)、辦公等各類公建項(xiàng)目的非承重墻墻體室內(nèi)砌筑施工，可使用目前國內(nèi)各種主流砌塊材料，材料適應(yīng)范圍廣。此外，針對(duì)施工作業(yè)面可不預(yù)設(shè)條件，無需進(jìn)行額外的施工準(zhǔn)備，完全在實(shí)際施工技術(shù)條件下遂行砌筑作業(yè)，應(yīng)用門檻低。

本案例采用的砌筑機(jī)器人MOBOTGT30（如圖9所示）是專門針對(duì)國內(nèi)建筑室內(nèi)砌筑場景和工序作業(yè)特點(diǎn)而進(jìn)行研發(fā)的，可以在無預(yù)設(shè)的實(shí)際工況下開展人機(jī)協(xié)作施工。

圖9砌筑機(jī)器人MOBOTGT30

MOBOTGT30型砌筑機(jī)器人的主要性能指標(biāo)（見表2）及其技術(shù)特點(diǎn)：

1．場地適應(yīng)性強(qiáng)。機(jī)身采取可折疊設(shè)計(jì)，方便通過建筑門洞，并利用施工人、貨梯實(shí)施垂直轉(zhuǎn)運(yùn)，具備自動(dòng)調(diào)平功能，作業(yè)時(shí)對(duì)地面平整度無要求；

2．環(huán)境耐受性高。采用了專門的防護(hù)設(shè)計(jì)，耐濕熱變化、可耐施工現(xiàn)場的重度粉塵、砂漿污染、對(duì)電磁干擾和施工用電電壓變化耐受性高；

3．砌塊適用性強(qiáng)。專門針對(duì)砌體結(jié)構(gòu)中的室內(nèi)大砌塊砌筑，可以滿足單塊重量30kg以下的各種尺寸砌塊施工需求；

4．智能化程度高。該機(jī)采用六軸運(yùn)動(dòng)控制，搭載了專門研發(fā)的智能化砌筑控制系統(tǒng)和多種傳感器，可靈活適應(yīng)多種砌體構(gòu)造要求下的砌筑作業(yè)。同時(shí)，對(duì)于砌塊材料的尺寸偏差和砂漿粘結(jié)劑的流變情況具備良好的適應(yīng)性。

表2：MOBOTGT30型砌筑機(jī)器人主要指標(biāo)

截止目前，中砌智造的砌筑機(jī)器人“On-site”施工技術(shù)已在上海梅川一街坊、中信泰富高層商辦樓、蘇州博物館西館、蘇州星光耀高層公寓樓、國家質(zhì)量檢測中心、蘇州納米實(shí)驗(yàn)室、中億豐三期研發(fā)大樓等多個(gè)項(xiàng)目上開展了工程試點(diǎn)應(yīng)用。在無預(yù)設(shè)的真實(shí)施工條件下，已完成砌體砌筑施工量約5000m3，且已全部通過檢驗(yàn)驗(yàn)收。中億豐建設(shè)集團(tuán)在總結(jié)上述試點(diǎn)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，正在制訂相關(guān)的工法，下一步將加大對(duì)于砌筑機(jī)器人“On-site”施工技術(shù)的推廣力度，完成砌筑機(jī)器人應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化推廣。