The research activities of Prof. Dr.-Ing./Univ Tokyo Thomas Bock center since 35 years on robotic construction as design, prefabrication, on site robotics, robotic building maintenance and recycling. His notion of robotic ambience empower elderly for independent life, work and mobility. He studied at the University of Stuttgart, IIT in Chicago and the University of Tokyo. At the CNRS in France he established first European construction robotics commission in Europe.
Thomas Bock35年来一贯致力于机器人建筑的设计、预制、现场机器人、机器人建筑掩护和回收。
他对机器人氛围的观点使老年人能够独立生活、事情和行动。
他曾就读于斯图加特大学、芝加哥印度理工学院和东京大学。
在法国国家科学研究院，他建立了欧洲第一个建筑机器人委员会。
In 1989 he became professor for automation in construction management at the civil engineering faculty of Karlsruhe University before becoming chair professor for building realization and robotics in 1997 at TU Munich. He is the cofounder and director of IAARC, Asian Habitat Society etc. and advices international ministries and academies. In 2017 he obtained the DFG Seibold award for 35 years pioneering research in construction robotics.
1989年，他成为卡尔斯鲁厄大学土木工程学院建筑管理自动化教授，1997年景为慕尼黑大学建筑实现和机器人讲座教授。
他是IAARC、亚洲人居协会等的联合创始人和理事，并为国际部委和研究院供应咨询。
2017年，他因35年来在建筑机器人领域的首创性研究而得到了DFG Seibold奖。
Thomas Bock co/authored about 500 articles in English, French, Japanese, Russian and German and holds various honorary professorships, doctorship, fellowship, visiting and special assigned professorships, is involved in editing several journals “Automation in Construction”, “Innovation in Construction”, “Construction Robotics” etc. and publishes the world wide first book series on “Construction Robotics” with Cambridge University Press since 2015.
托马斯·博克在英、法、日、俄、德等国共揭橥了约500篇文章，并担当了各种名誉教授、博士、研究员、访问教授和特聘教授职务，参与编辑了《建筑自动化》、《建筑创新》、《建筑机器人》等期刊，并于2015年与剑桥大学出版社出版了环球第一本《建筑机器人》系列丛书。

顾问:慕尼黑技能大学建筑实现与机器人系主任

多元主动化建筑设计案例 施工技术

Authors作者：

Prof. Dr.-Ing. Thomas BOCK

Mr. Wen PAN;

Mr Rongbo HU;

Dr.-Ing. Thomas Linner

Technical University of Munich

择要:

喷鼻香港建造业面临需求高、安全、劳动力老化、生产力结束等突出寻衅。
与制造业比较，建筑业的自动化程度掉队于制造业。
因此，喷鼻香港建造业议会(CIC)委托的顾问项目旨在评估目前的现场施工过程，并找涌现有的瓶颈，可通过履行机器人技能和自动化来改进。
为了有系统地实行顾问操持，我们采取系统发展的方法，分阶段实行这项操持，并有系统地详述和落实紧张要素和哀求。
本报告总结了已开展的紧张活动和取得的成果。
首先，对研究结果的背景、现状和需求进行了概述。
其次，先容了现场机器人利用优先领域的识别过程的结果(包括基本场景的定义、进行的在线调查、识别和剖析潜在适宜机器人利用的施工过程的现场案例研究、详细描述潜在机器人办理方案的需求和功能的共同创造研讨会，以及潜在优先领域的剖析)。
第三，示范性的成果，重点领域外立面工序的技能详细先容，以及在CITAC演示和展示观点的原型(模型)的发展。
第四，总结了涉及示例详细优先领域的建议(关于流程信息建模和业务策略)的开拓结果。
末了，先容了10年机器人技能发展路线图的制订结果和后续项目的建议草案，重点是由喷鼻香港和深圳的一个财团开拓机器人原型的市场版本(类似于机器人供应根本举动步伐)。

关键词：

Artificial intelligence (AI): The study of \公众intelligent agents\"大众, any device that perceives its environment and takes actions that maximize its chance of successfully achieving its goals.

人工智能(AI):对“智能代理”的研究，任何能够感知其环境并采纳行动以最大限度地成功实现其目标的设备。

Automated/Robotic On-site Factory: A structured factory or factory-like environment set up at the place of construction, allowing production and assembly operations to be executed in a highly systematic manner by, or through, the use of machines,automation and robot technology.

自动化/机器人现场工厂:在建筑地点建立的构造化工厂或类似工厂的环境，许可生产和组装操作以高度系统的办法实行，通过或通过利用机器、自动化和机器人技能。

Business model: A business model describes the rationale of how an organization creates, delivers, and captures value, in economic, social, cultural or other contexts.The process of business-model construction forms a part of business strategy.

商业模型:商业模型描述了一个组织如何在经济、社会、文化或其他环境中创造、交付和获取代价的基本事理。
商业模式的构建过程是商业计策的一部分。

Building Information Modeling (BIM): A digital representation of physical and functional characteristics of a facility. A BIM is a shared knowledge resource for information about a facility forming a reliable basis for decisions during its life cycle; defined as existing from earliest conception to demolition.

建筑信息模型(BIM):一个举动步伐的物理和功能特色的数字表示。
BIM是一个共享的关于举动步伐信息的知识资源，在其生命周期中形成决策的可靠根本;被定义为从最早的观点到拆除一贯存在的。

Co-creation workshop: A management initiative or form of economic strategy that brings different parties together (for example, a company and a group of customers) in order to jointly produce a mutually valued outcome.

共创组织:一种管理倡议或经济计策形式，将不同的各方(例如，一个公司和一群客户)聚拢在一起，以共同产生一个相互重视的结果。

Degree of Freedom (DOF): In a serial kinematic system, each joint, in terms of motion,gives the system a DOF. At the same time, the type of joint restricts the motion to a rotation around a defined axis or a translation along a defined axis.

自由度(DOF):在一个串走运动学系统中，每个枢纽关头在运动方面给系统一个DOF。
同时，枢纽关头的类型限定运动为绕定义轴的旋转或沿定义轴的平移。

End-effector: In robotics, an end effector is the device at the end of a robotic arm,designed to interact with the environment. The exact nature of this device depends on the application of the robot.

末端实行器:在机器人技能中，末端实行器是位于机器臂末端的设备，用于与环境交互。
这个装置的确切性子取决于机器人的运用。

Heating, ventilation, and air conditioning (HVAC): The technology of indoor and vehicular environmental comfort.

暖通空调(HVAC):室内和车辆环境舒适的技能。

Industry Foundation Classes (IFC): A platform neutral, open file format specification to describe building and construction industry data, which is not controlled by a single vendor or group of vendors.

行业根本类(IFC):一个平台中立的、开放的文件格式规范，用于描述建筑和建筑业数据，不受单一供应商或供应商集团掌握。

Likert scale: A Likert scale is a psychometric scale commonly involved in research that employs questionnaires. It is the most widely used approach to scaling responses in survey research. The format of a typical five-level Likert item, for example, could be:

李克特量表:李克特量表是问卷调查研究中常用的生理丈量量表。
它是调查研究中最广泛利用的方法。
例如，范例的5级李克特道具的格式如下:

(1) strongly disagree, (2) disagree, (3) neutral, (4) agree, and (5) strongly agree.

(1)非常不同意，(2)不同意，(3)中性，(4)赞许，(5)非常赞许。

Mock-up: In manufacturing and design, a mock-up is a scale or full-size model of a design or device, used for teaching, demonstration, design evaluation, promotion among other purposes. A mockup is a prototype if it provides at least part of the functionality of a system and enables testing of a design.

实物模型:在制造和设计中，实物模型是设计或设备的比例或全尺寸模型，用于传授教化、演示、设计评估和推广等目的。
如果一个模型至少供应了系统的一部分功能，并且能够对设计进行测试，那么它便是一个原型。

Process Information Modeling (PIM): A process-oriented, case-focused approach that provides detailed information about a specific task. It breaks down into smaller,manageable data and is distributed to the right stakeholder at the right time.

过程信息建模(PIM):一种面向过程的、以案例为中央的方法，它供应了关于特界说务的详细信息。
它被分解成更小的、可管理的数据，并在精确的韶光分发给精确的涉众。

Plug-and-play (PnP): In computing, a plug-and-play device or computer bus, is one with a specification that facilitates the discovery of a hardware component in a system without the need for physical device configuration or user intervention in resolving resource conflicts. The term was expanded to a wide variety of applications where the same lack of user setup is applied.

即插即用(Plug-and-play, PnP):在打算领域，即插即用设备或打算机总线具有一种规范，可以方便地创造系统中的硬件组件，而不须要物理设备配置或用户干预来办理资源冲突。
这个术语被扩展到各种各样的运用程序，这些运用程序同样缺罕用户设置。

Research and development (R&D): A series of innovative activities undertaken by corporations or governments in developing new services or products, or improving existing services or products.

研究与开拓(R&D):由公司或政府在开拓新的做事或产品或改进现有做事或产品方面进行的一系列创新活动。

Robot-oriented Design (ROD): The theory of building design that emphasizes the idea that before the final on-site construction process, all parameters shall be considered at the earlier design and production stages. In order to establish determined conditions for robotic on-site operations, the elements of building subsystems (e.g.building structure, component, assembly method, and equipment selection, etc.)need to be geometrically and physically well-defined in accordance with robots and automation.

ROD (Robot-oriented Design，机器人导向设计):建筑设计理论，强调在终极的现场施工过程之前，在早期的设计和生产阶段就应考虑所有参数。
为了确定机器人现场作业的条件，建筑子系统的元素(如建筑构造、组件、组装方法和设备选择等)须要根据机器人和自动化在几何和物理上进行定义。

Single-task Construction Robots (STCR): Systems that support workers on the construction site in executing one specific construction process or task (e.g., digging,concrete leveling, concrete smoothening, brickwork construction, logistics, and painting) or by completely substituting the physical activity of human workers necessary to perform this one process or task.

单任务施工机器人(STCR):支持工人在施工现场实行一项特定的施工过程或任务的系统(例如，挖掘、混凝土找平、混凝土平整、砌砖施工、物流和油漆)，或完备替代人类工人实行这一过程或任务所需的体力活动。

Spider chart: A graphical method of displaying multivariate data in the form of a twodimensional chart of three or more quantitative variables represented on axes starting from the same point.

蜘蛛图:一种显示多元数据的图形方法，它用三个或三个以上的数量变量在从同一点开始的轴上表示的二维图表的形式。

Technology Readiness Levels (TRL): A method of estimating technology maturity of Critical Technology Elements (CTE) of a program during the acquisition process. TRL are based on a scale from 1 to 9, where 9 represents the most mature technology.

技能准备水平(TRL):在获取过程中评估项目的关键技能要素(CTE)的技能成熟度的方法。
TRL是基于1到9的等级，个中9代表最成熟的技能。

Venture capital (VC): A type of private equity, a form of financing that is provided by firms or funds to small, early-stage, emerging firms that are considered to have high growth potential, or which demonstrated high growth (in terms of number of employees, annual revenue, or both).

风险投资(VC):一种私募股权投资，由公司或基金向小型、早期、新兴的公司供应的一种融资形式，这些公司被认为具有高增长潜力，或表现出高增长(从员工数量、年收入或两者兼而有之)。

Vertical Delivery System (VDS): A system that transports parts/components on the construction site from the ground (e.g. material handling yard) to the floor level where the components shall be assembled.

垂直运送系统(VDS):在建筑工地将零件/组件从地面(例如物料处理场)运送至组装零件的地面的系统。

1 本报告的构造

该顾问项目由喷鼻香港建造业议会(CIC)委托进行，旨在评估目前的现场施工程序，并找涌现有的瓶颈，可通过履行机器人技能和自动化来改进。
为了有系统地实行顾问操持，我们采取系统发展的方法，分阶段实行这项操持，并有系统地详述和落实紧张要素和哀求。
本报告总结了已开展的紧张活动和取得的成果。
为了系统地实行咨询项目，采取NASA开拓的科学方法将项目分为九个阶段(详细阐明在第三章)。
在第二章中，概述了项目的背景、情形和需求剖析的结果。
在第3章中，提出了利用现场机器人的优先领域的识别过程的结果。
这包括基本场景的定义、在线调查、识别和剖析潜在适宜机器人利用的施工过程的现场案例研究、共同创造研讨会，以详细描述潜在机器人办理方案的需求和功能，以及潜在优先领域的剖析。
在第4章中，示范的结果，优先领域façade-processing的技能细节。
在第五章中，报告了用于演示的原型(模型)的研制和在中国国际展览中央的展览观点。
在第6章和第7章中，总结了与示例详细优先领域干系的建议(关于流程信息建模和业务策略)的开拓结果。
在第八章，先容了在喷鼻香港建造业实行机器人和自动化技能的路线图，以及实行后续项目的策略草案。
其余，在第9章中，总结了每一章的关键结果和结论，以便读者能够快速检索到报告每一章的重点。

2 背景、情形和哀求

本章简要先容建筑机器人的历史，并剖析喷鼻香港房屋建筑业存在的问题，以及自动化和机器人技能在建筑业的潜在运用。
建议的办理方案是为喷鼻香港建造业量身定做的，但更多人预期喷鼻香港建造业会进行改革。
例如，未来的建筑行业将暴露出多行业并存、互助的跨学科特色。
从这个意义上说，提升建造业的表现，不仅对一个行业有积极的影响，而且会对喷鼻香港的繁荣发展作出更大的贡献。
根据本章的研究结果，操持小组将不才一章采取特定的方法，确定在喷鼻香港建造业运用现场机器人技能的优先范畴。

2.1先容

在20世纪80年代，日本建筑行业投入巨资研发建筑机器人和自动化建筑工地。
当时，由于社会老龄化，闇练劳动力短缺这天本建筑行业的一个紧张问题(Kangari &Miyatake, 1997)。
单任务施工机器人(STCR)便是为理解决这个问题，吸引年轻工人参与到这个行业中来。
一样平常来说，STCR旨在专注于在一个专门的事情区域实行一个或几个特定的培植任务。
由于施工项目的繁芜性，STCR与制造中的机器人在组成、运动学、导航和功能上都有很大的不同。
STCR常日是量身定制的，以知足所有利益干系者的需求，而不是大略地集成到培植项目中(博克&林纳，建筑机器人，2016)。

为了能够成功地采取STCR，遵照机器人导向设计(ROD)的观点是至关主要的。
ROD观点在1988年由Thomas Bock首次提出，后来成为天下各田主动化施工和机器人工地的原则。
这一观点强调的是，在终极的现场施工过程中，所有的设计参数都应在早期设计和生产阶段加以考虑。
建筑组件将被设计成在组装阶段由机器人轻松处理。
当为建筑行业开拓机器人技能时，它远比制造工厂的操作更加多样化和繁芜(Bock & Linner, Robot-Oriented Design, 2015)。

如今，喷鼻香港也经历了类似的情形，劳动力短缺，人口变革，以及提高建筑效率的急迫须要。
通过实现机器人和自动化，技能可能能够办理上述的一些问题。
然而，当代建筑由许多繁芜的构造、布局和子系统组成。
此外，建筑行业还会受到经济、政策等其他属性的影响，使得在建筑中运用机器人技能会受到巨大的限定。
因此，在早期的开拓阶段，理解关键涉众的需求、理解现有的构建操作，并剖析地评估构建过程是至关主要的。
该方法有助于项目团行列步队举当前的需求，并区分最佳策略。

原则上，实现建筑自动化有几个等级，包括标准化、半自动化和完备自动化。
标准化可以通过预制来实现，喷鼻香港公共房屋培植(PHC)项目的预制率相对较高(Jaillon & Poon, 2009)。
早在八十年代中期，预制技能便已运用于喷鼻香港的低级混凝土工程。
随后，喷鼻香港房屋委员会(HKHA)在公共部门广泛推广利用预制构件和标准可重复利用的模板(Chiang, Chan， & Lok, 2006)。
由于设计的标准化，大多数承包商能够实现每层6天的事情周期。
乐不雅观地说，由于PHC行业的高度标准化，喷鼻香港有潜力和意愿提升到下一个水平。

本章概述了慕尼黑工业大学(TUM)和建筑业委员会(CIC)提出的三个方案。
第一个场景旨在展示单任务施工机器人(STCR)或运用于天下范围内的建筑领域的潜力。
第二个场景将在集成施工系统和半自动施工系统将在建筑行业利用的原则中进行构造。
第三个方案将展示在喷鼻香港运用全自动化建筑系统的潜力。
文件中技能的选择(如STCR、集成系统和全自动施工系统)是基于对CIC劳动力短缺调查结果的剖析确定的，如图2-1至图2-4，以及专门作为案例研究实例供应的图2-5。
此外，本章亦简述选定的系统、运作程序，以及在喷鼻香港的分判商、设备制造商和建造业推广自动化和机器人技能的潜力。
此外，项目的第一阶段将帮助利益干系者制订短期行动和长期计策，以知足未来的须要。

2.2事情总结

目前的咨询研究是在喷鼻香港大规模住宅家当化的背景下，研究自动化和机器人技能的潜力，目的是终极将喷鼻香港建造业转变为高科技行业。
该研究将详细确定、选择和详细解释在公共高层住宅培植中利用自动化和机器人的实际办理方案。

2.2.1喷鼻香港公共房屋的概况

• 三分之一的喷鼻香港人口居住在公共住宅区。

• 公营房屋在喷鼻香港的历史悠久，最早可追溯至二十世纪六十年代。

• 申请编配公屋的均匀韶光约为5年。

• 平面图和平面尺寸得到优化/最小化:25-35平方米，可容纳两个成年人。

• 快速培植新的公共住房的压力很大。

• 按体积打算，约三分之一的预制混凝土构件来自中国大陆。

• 目前，喷鼻香港公共房屋的标准为高达47层的高层建筑，建筑两侧险些对称。
平面支配图设计的悠久历史/履历/演化。
高度标准化的平面图。

• 在过去4-5天每层的周期;现在，出于安全和质量的缘故原由，我们又回到了6天的周期。

• 公共房屋采取标准化的铝窗框。

• 窗户前的透风柜由租客卖力，只供应安装位置。

• 根据吊车到达面积和模板流利对称的哀求，调度优化设计。

• 由于喷鼻香港地皮供应有限，现时的公屋发展可以是单幢或双幢。

2.2.2研究范围的澄清

• 本项目重点培植公共住宅高层建筑。

• 看重地上培植。

• 推动公屋自动化的紧张成分是:

a. 安全考虑

b. 劳动力短缺

c. 快速建造

d. 价格

e. 质量

• 自动化潜力的研究将基于一个示范性/特色发展领域/案例。

• 该研究亦会考虑CIC供应的其他数据，例如:

a. 事情、安全及建筑规例(例如，夜间事情的范围有多大等许可)

b. 人力短缺剖析

c. 利益干系者概况、代价创造模式等

2.3本章总结

关于背景、情形和哀求的关键见地和结果：

1.简要先容了建筑机器人的历史。

2. 剖析了喷鼻香港房屋建造业存在的问题。

3. 先容了自动化和机器人技能在建筑领域的潜在运用。

4. 澄清了CIC和TUM赞许的本次咨询的研究范围。

3确定机器人在喷鼻香港公共房屋建造业的优先运用领域

本章的紧张目标是利用特定的方法确定喷鼻香港建造业现场机器人运用的优先领域。
基于本章的结果，项目团队可以不才一章中指定现场机器人运用的优先级领域的细节。
为了系统地履行咨询项目，该项目分为九个阶段;如图3-1所示(美国国家航空航天局，2007)。

如上图所示，第一阶段包括初始研究、文献综述、拟建的机器人和自动化策略的预选、提案案例场景。
第二阶段包括在线调查。
第三阶段是现场案例研究。
第四阶段是共同创作事情坊。
第五阶段是对所选系统进行观点开拓、细化和定稿。
第六阶段包括系统的终极演示，演示模型的构建，以及设计观点的验证。
第七阶段包括推广、目标本钱和商业模式。
第八阶段包括对未来事情的方案，以及对未来发展的建议。
本章将系统阐述项目的第一至第四阶段，并磋商在进行这类行业干系及以技能为中央的顾问项目时，如何在早期决策程序中利用运用研究策略。

3.1预先确定潜在的场景和技能

基于前一章所述背景研究的结果以及TUM、CIC和关键利益干系者之间的内部谈论，提出了17个机器人和自动化系统(Bock & Linner, Construction Robots, 2016)。
所选系统也被系统地分布到三个用例场景中。
在提出的发展路线图过程中，根据自动化程度的演化及其融入工业的能力对这些场景进行了剖析。
场景1(见图3-2)旨在展示单任务施工机器人(STCR)在现场帮忙特定职业、体力哀求高和重复性任务方面的潜力。
在这种情形下，现有建筑必须采取有限的改建。
这对传统建筑业和建筑物的构造性能有一定的影响。
它也是未来发展的支柱。

场景2(如图3-3所示)集成了自动化和半自动施工系统。
在这种情形下，一些建议的办理方案可能须要改变现有的建筑设计。
例如，推举更高程度的预制率(Bock &机器工程，2015)。
建造方法可能须要采取机器人和自动化技能。

方案三(见图3-4)展示了在喷鼻香港运用全自动化建筑系统的潜力。
在这种情形下，提出的办理方案只有在建筑物设计时考虑ROD时才能运用。
这个方案描述了在喷鼻香港建造业运用可行的自动化和机器人技能所能达到的终极目标。
场景还可以作为项目用例，许可进行涉众剖析。

一个值矩阵(拜会图3-5)专门用于每个场景下的拟议系统，以对功能性和非功能性需求进行分类。
例如，在这种情形下，功能需求指定了系统的技能规格、兼容性、生产力和技能准备水平(TRL)。
非功能性需求表示系统不可丈量的功能或质量、政府政策和法规、法律事变、可行性和可持续性。
被发起的系统的代价矩阵被分发给所选的涉众，并且用一个衡量知足涉众期望的需求的值进行评分。
为项目后期的在线调查供应了背景资料。

3.1.1场景1

第一种场景紧张是stcr在建筑领域的支配。
正如我们所知，肮脏、危险和有损形象(游戏邦注:也便是3Ds)常日与建筑业联系在一起。
这也反响了现时喷鼻香港建造业的征象。
喷鼻香港建造业面临许多寻衅，包括;缺少城市开拓用地，缺少闇练劳动力(人口构造变革)，以及应对日益增长的需求的行业效率低下。
STCRs技能的整合将有可能改进建筑行业的整体表现。
STCRs是支持工人在施工现场实行一项特定的施工任务或流程的系统(例如，挖掘、混凝土找平、模板组装、油漆、物流等)，或通过完备替代实行这一流程或任务所需的人力体力活动。
在大多数情形下，由stcr帮忙或完备实行的过程和任务对体力的哀求相对高，重复性和工艺特定。

工程小组对喷鼻香港的闇练劳工需求/供应趋势及施工方法进行详细剖析后，提出了九套系统(见图3-6)。
有关场景1中每种技能的详细描述和剖析，请参阅附录1。

3.1.2场景2