Автоматизация в строителството

Автоматизацията в строителството обхваща всички случаи, в които машина изпълнява строителна операция по цифрово зададена инструкция, с намалена ръчна намеса. Тя не е едно направление, а няколко паралелни: заводското производство на сглобяеми елементи, роботиката и порталните системи, машинното управление на земните работи, автоматизираната изработка на армировка и, като сравнително ново разклонение, 3D принтирането на бетон. Общото между тях е цифровият поток, който води от проектния модел до конкретните движения на машината. Строителството остава сред най-слабо автоматизираните стопански отрасли и причините за това са структурни, а не технологични.

Определение

Автоматизацията в строителството е заместването на ръчно изпълнявани операции с машинно изпълнение по предварително зададена програма, при което човекът се измества към подготовка, настройка, контрол и поддръжка.

Определението умишлено включва и стари, утвърдени практики. Кофражните системи с рамкови модули, заводските линии за панели, автоматичните машини за огъване на армировка и нивелирите с лазерно управление са автоматизация, независимо че не изглеждат така. Новото не е идеята, а обхватът: цифровият модел все по-често е единственият източник на геометрия, а отделните машини се свързват в поток вместо да работят изолирано.

3D принтирането на бетон е един от клоновете на това дърво, при това сравнително тесен. То решава конкретна задача - изграждане на геометрично сложни елементи без кофраж - и не покрива нито армирането, нито монтажа, нито довършителните работи.

Ключови факти

• Автоматизацията в строителството обхваща заводското производство на сглобяеми елементи, строителната роботика, машинното управление на земните работи и адитивното производство на елементи.
• Заводското производство на сглобяеми елементи е най-зрялата форма на строителна автоматизация и разчита на контролирана среда и повтаряемост, а не на нови машини.
• Цифровият поток от модел до машина преминава през BIM модел, извеждане на геометрия, нарязване или генериране на траектория и машинен код, обикновено G-код или производен формат.
• ISO/ASTM 52900 дава общата терминология на адитивното производство, а комитетът ASTM F42 работи по стандартизацията на адитивните технологии, включително строителни приложения.
• Контролът на качеството при автоматизирани процеси се измества към наблюдение по време на изпълнение чрез измерване на дебит, налягане, температура и геометрия, вместо да остане само в крайната приемка.
• Строителството изостава от преработващата промишленост по степен на автоматизация поради проектния характер на производството, променливите условия на площадката и уникалността на всеки обект.
• Режимът на отговорност и съгласувателните процедури забавят внедряването на автоматизирани методи, тъй като всяко отклонение от утвърдената практика изисква отделна обосновка.
• Автоматизацията променя профила на необходимата квалификация, като намалява дела на тежката повтаряща се работа и увеличава дела на подготовката, настройката и контрола.
• Безопасността се подобрява при изнасяне на хората извън зоната на машинно движение, но възникват нови рискове, свързани с работата на роботизирано оборудване в близост до хора.
• Икономическата полза от автоматизацията е най-ясна при серийност и контролирана среда, а най-слаба при единични нестандартни задачи на площадката.

Как работи

Цифровият поток започва с модела. В BIM средата геометрията носи и информация - материал, слой, позиция, връзка с други елементи. За да достигне до машина, тази геометрия трябва да бъде опростена и преведена. Опростяването е нетривиално: моделът на архитекта рядко съдържа дебелините, допуските и последователността, от които се нуждае изпълнението.

Следва подготовката на изпълнението. При адитивните процеси тя означава нарязване на слоеве и извеждане на траектория. При други процеси - последователност от операции, точки на захващане, режими на рязане или огъване. Резултатът във всички случаи е машинен код: последователност от координати, скорости и състояния на изпълнителните механизми. G-кодът е най-разпространеният формат, макар роботизираните рамена често да работят със собствени езици.

След това идва изпълнението, при което разликата между лабораторията и обекта става осезаема. Машината изпълнява код, който предполага, че основата е там, където е в модела. На реален обект тя не е. Затова автоматизираните системи на площадката изискват реперно закрепване, измерване и корекция - стъпка, която липсва в цеха и която често определя точността на крайния резултат.

Контролът по време на процеса е четвъртата съставка. Датчиците за налягане и дебит показват дали материалът се подава равномерно; оптичните и лазерните системи сравняват изпълненото с модела; термичните измервания следят условията на втвърдяване. Стойността на този контрол не е само в откриването на дефекти, а в записа: всеки елемент носи история на изпълнението си, което улеснява както приемката, така и последващия анализ на проблеми.

Роботизираните рамена и порталните системи покриват различни ниши. Рамото има шест или повече степени на свобода и може да работи под ъгъл, но има ограничен обхват и по-ниска коравина при натоварване. Порталът е корав и точен, но работният му обем е фиксиран от рамката. Крановите и кабелно задвижваните системи покриват големи площи с относително лека конструкция, за сметка на по-ниска точност. Изборът между тях е конструктивен и логистичен, а не въпрос на предпочитание.

Приложения

Най-широко приложение има заводското производство на сглобяеми елементи. Линиите за стенни панели и подови плочи включват автоматично разчертаване, роботизирано полагане на кофражни профили, автоматизирано разстилане и заглаждане на бетона. Печалбата идва от повтаряемостта и от контролираната среда, а не от една конкретна машина.

Автоматизираната изработка на армировка е второ утвърдено направление. Машините за рязане, огъване и заваряване на мрежи работят директно по данни от проекта и премахват голяма част от ръчната работа на площадката.

Земните работи с машинно управление, при което нивелетата се задава от модел, а изпълнителните механизми се управляват спрямо спътниково или тотално станционно позициониране, отдавна са рутина при по-големите инфраструктурни обекти.

Строителната роботика на площадката покрива по-тесни задачи: пробиване на отвори в плочи, полагане на зидария, пръскане и заглаждане на повърхности, маркиране на нивото на пода по модел. Общото е, че всяка от тези системи решава една операция, а не целия процес.

3D принтирането на бетон допълва списъка с изграждането на елементи без кофраж. То има реален смисъл там, където кофражът е основният разход, и малко смисъл при повтарящи се прави стени.

Предимства

Първото предимство е повторяемостта. Машината изпълнява един и същ файл по един и същ начин, което намалява разсейването между елементите и прави качеството по-малко зависимо от конкретния изпълнител.

Второто е проследимостта. Автоматизираните процеси генерират данни, а данните позволяват документиране на изпълнението, каквото ръчната работа рядко осигурява.

Третото е безопасността. Изнасянето на хората от зоните с тежко повдигане, с работа на височина и с продължителна повтаряща се натовареност е измерима полза, независимо от икономическата сметка.

Четвъртото е свързаността на проекта с изпълнението. Когато машината чете геометрията директно от модела, отпада ръчното пренасяне на размери - най-честият източник на грешки при сложна геометрия.

В българския контекст заслужава отделно споменаване недостигът на квалифицирани кадри в строителството, за който говорят както браншовите организации, така и самите изпълнители. Автоматизацията не решава този проблем сама по себе си, но измества част от натоварването от дефицитни ръчни умения към подготовка и управление на процеса.

Ограничения

Строителството е проектно производство. За разлика от заводската линия, която амортизира оборудването върху хиляди еднакви изделия, строителният обект е единичен. Всяка машина трябва да се изплати в рамките на променлив брой различни задачи, което ограничава степента на специализация, която си струва.

Условията на площадката са променливи. Температура, влажност, вятър, прах, неравна основа и достъп до захранване влияят върху всяка автоматизирана операция. Оборудване, което работи безпроблемно в цех, изисква значителни допълнителни мерки на открито.

Уникалността на проектите означава, че всяка задача носи своя подготовка. При малък обем времето за настройка, програмиране и проверка често надхвърля спестеното време за изпълнение.

Режимът на отговорност е самостоятелен спирачен механизъм. Проектантът и изпълнителят носят отговорност за резултата, а действащата нормативна уредба описва изпитани методи. Нов метод изисква отделна обосновка, изпитвания и съгласуване, което е разход, който малките проекти трудно понасят.

Квалификацията е ограничаващ фактор в двете посоки. Автоматизираните процеси изискват хора, които разбират едновременно строителството и машината, а такива профили се формират бавно.

Накрая, интеграцията между отделните системи остава слаба. Практиката често се състои от несвързани острови на автоматизация, между които данните се пренасят ръчно, което изяжда значителна част от очакваната полза.

Свързани понятия

• Дигитално производство - изработка на елементи, при която геометрията идва директно от цифров модел.
• BIM - информационен модел на сградата, който служи за източник на геометрия и данни за изпълнението.
• Нарязване на слоеве - преобразуване на обемна геометрия в последователност от хоризонтални слоеве за адитивно изпълнение.
• G-код - машинен език от координати, скорости и състояния, който управлява движението на изпълнителните механизми.
• Печатна траектория - конкретният път на дюзата, включително редът на обхождане и точките на започване и спиране.
• Портален принтер - машина с движение по три оси в правоъгълна рамка, корава и точна, но с фиксиран работен обем.
• Печат с роботизирано рамо - адитивно изпълнение с манипулатор с шест или повече степени на свобода.
• Префабрикирани елементи - елементи, произведени в цех и монтирани на обекта.
• Печат на място - адитивно изпълнение директно на строителната площадка, в крайната позиция на елемента.
• Адитивно строителство - изграждане на строителни елементи чрез последователно добавяне на материал по цифрово зададен път.

Източници

• ISO/ASTM 52900 - Адитивно производство, обща терминология: https://www.iso.org/standard/74514.html
• ASTM F42 - Комитет по адитивни производствени технологии: https://www.astm.org/committee-f42
• UNEP / IEA - Global Status Report for Buildings and Construction: https://www.unep.org/resources/report/global-status-report-buildings-and-construction
• RILEM TC 276-DFC - Digital fabrication with cement-based materials: https://www.rilem.net/

Concreef в контекст

Мястото на Concreef в тази картина е тясно и заслужава да бъде описано точно. Работата е съсредоточена върху един клон на автоматизацията - адитивното изграждане на елементи - и се извършва в наета работилница в София с кранов принтер Crane WASP, шнеков екструдер LDM XXL и шнекова помпа. Машината се захранва еднофазно при 220/240 V и консумира около 3,5 kW при печат, по данни на производителя.

Изработеното до момента са пробни стенни отпечатъци с размер около метър и текущи изпитвания на смеси. Няма регистрирано дружество, няма завършени сгради, няма изпълнени поръчки. Голяма част от усилието отива не в самото печатане, а в подготовката на файла, в настройката на сместа и в разбирането кои задачи изобщо си заслужават машинно изпълнение. Запитвания за автоматизирано изпълнение се разглеждат като развойна работа и разговорът започва с това какво машината в момента може и какво не.