全球建筑业正面临建筑工人短缺、熟练工短缺、劳动力老龄化等问题。同时，据国际劳工组织的估计，全世界每年在建筑工地上发生至少60 000起致命事故，即每10 min就会发生一次致命事故^[1]。智能建造被认为是缓解劳动力短缺、提升施工现场安全水平及建造效率的有效途径^[2]。目前，尽管智能建造相关产品还不完善，但已出现挖掘、砌筑、喷涂、焊接、抹平、搬运等单任务施工机器人，以及综合建造系统(Shimizu manufacturing system by advanced robotics technology，SMART)^[3]、高层钢结构自动化建造系统(automated building construction system，ABCS)^[4]、高层钢混结构的“天盖(the big canopy)”建造系统^[5]等集成多种施工机器人、传感器和设备，并提供作业面、临时防护的施工平台^[6]。相较于在独立环境中工作的单任务施工机器人，集成多种作业任务的施工平台能够融合多设备实现多功能来提升施工现场的建造效率^[7]，更具发展潜力。

智能施工平台是指融合多种作业场景、集成多种施工设备和多种施工工序的施工作业平台，能够在计算机系统的控制下实现多作业场景、多工序的自动化施工。然而，目前尚未对其施工作业的关键场景、要素和发展路径进行系统研究，限制了智能施工平台的研发与应用。本研究以智能施工平台为研究对象，采用文献综述和专家访谈等方式，分析了国内外相关施工平台的应用现状，依托建筑工程施工需求梳理智能施工平台的关键作业场景和要素，并结合智能建造领域的未来发展规划，提出智能施工平台的未来发展路径。

1 国内外施工平台的发展现状 1.1 国外相关施工平台

20世纪90年代，日本的多家建筑公司率先开展了对施工平台的研究。例如，清水建设公司研发的SMART建造系统^[3]、大林株式会社先后研发的ABCS建造系统^[4]和“天盖”建造系统^[5]、藤田株式会社研发的“天空工厂(the sky factory)”建造系统^[6]，都是面向高层钢筋混凝土结构或钢结构的典型自爬升施工平台。

图 1所示的施工平台建造的主体结构包含屋顶、侧壁(立柱)或底板中的一种或多种，能够为平台上集成的施工机器人、传感器等提供全天候的工作环境，在意外和极端天气下提供良好的防护。与传统施工方式相比，此类施工平台能够提升施工效率，减少劳动力。但平台自身造价高、总质量大、自动化水平不足、对不同建筑体系的通用性不高等问题，致使其发展受限。

1.2 国内相关施工平台

国内施工平台的发展晚于国外，直至2015年，适用于超高层建筑的以操作、转料、防护等为目的的自爬升施工平台才开始出现。以操作为主要目的的施工平台，多用于超高层建筑核心筒的施工。中建钢构^[8]提出的超高层钢结构自爬升操作平台，适用于各种大尺寸钢结构截面施工，可以节省垂直运输时间，改善作业环境，避免大量高空安拆作业，保障超高层钢结构安装及焊接施工安全(见图 2a)。中建二局^[9]提出的超高层建筑核心筒内液压爬升操作架，为超高层电梯井道内墙体砌筑、抹灰施工、构造柱模板支设等提供了操作平台，可以避免传统操作架搭拆工程量大、成本高的弊端，从而提高施工效率，节约成本，且安全环保(见图 2b)。此外，中建二局^[10]提出的液压爬模-布料机一体化施工技术，可以实现混凝土的安全、高效浇筑，避免传统方法带来的工作量增加及预留洞口等安全问题(见图 2c)。

在以转料为主要目的的施工平台方面，中建三局^[11-12]提出的液压步进式自爬升转料平台，可以解决超高层建筑核心筒竖向结构先施工的特殊工况下核心筒内材料周转问题，在有限的资源空间内，不占用垂直运输机械，提高施工效率，大幅减少劳动力投入，保障施工安装作业顺利进行(见图 2d和2e)。

在以防护为主要目的的施工平台方面，中建八局^[13]提出的超高层建筑核心筒内自爬升式水平硬防护平台(见图 2f)，可以在超高层核心筒内竖向结构与水平结构交叉平行施工情况下提供水平硬防护，提升水平防护密闭性，缩短爬升时间，在保证安全的同时缩短工期。上海建工^[14]提出的防护与作业一体化升降平台(见图 2g)，主要用于常规住宅项目，可代替传统的脚手架及吊篮，通过导轨架附着在结构外立面上，并对整个建筑结构外围进行环绕布置，从而最大化发挥防护作用。

此外，广东博鼎建筑的自升造楼平台^[15](见图 2h)，面向标准化建筑产品，初步实现了多设备施工的自动化与集成化，由附着系统、顶升系统、平台施工及防护系统、喷淋系统、外墙面施工系统、照明系统及监控系统等组成，能够完成自爬升、物料运输、混凝土楼面整平与磨平、外墙磨平和螺杆洞封堵等功能。

与传统施工方式相比，上述施工平台在提供安全可靠的操作平台的同时，能够减少操作架拆装过程，提升施工效率，减少施工现场对人员和材料的投入，节约经济成本，且开始逐步实现智能化、自动化施工作业。

2 智能施工平台关键作业场景和要素

为充分认知智能施工平台的技术特点，本研究基于“人机料法环”的思想和《建筑工程施工质量验收统一标准(GB50300—2013)》附录B“建筑工程的分部工程、分项工程划分”^[16]，采用专家访谈的方式对智能施工平台的关键作业场景和关键要素进行了细化。

本研究于2020年8月至9月上旬，面向智能建造领域的专家，开展了以智能施工平台当前和未来可实现的关键作业场景和作业要素为主题的半结构化访谈。由于期望访谈的专家需既具有丰富的建筑业从业经验又具有智能建造产品研发或实践经验，故合适的专家较少。本研究所选的5位专家，均在工程建设领域有15年以上的从业经验，并在智能建造领域有5年以上的工作经验，且对智能施工平台相关情况较为熟悉，故具有一定的代表性。在半结构化访谈开始前，研究人员向专家介绍了访谈提纲，并针对专家存在的疑问进行了交流，确保每位专家熟知本次访谈的主要目的。最终，根据专家反馈，构建了以“场景—工序—要素”分层级的递进结构描述，如表 1所示。

根据表 1，智能施工平台的关键作业场景涵盖主体工程(地上工程)、装饰装修工程、其他工程等传统施工场景下的分部分项工程。表 1针对各分部分项工程中的工序梳理了对应的关键作业要素。例如，主体工程(地上工程)包括了模板搭设、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序，其中模板搭设工序仍需传统施工人员操作，而钢筋绑扎则可借助机械将钢筋调直、弯曲、绑扎，实现自动化施工。事实上，已有部分装饰装修工程可使用机械实现部分作业自动化，如自升造楼平台中所使用的喷涂机器人、螺杆洞封堵机器人等，但绝大多数作业工序仍需要人的操作或辅助。

3 智能施工平台未来发展阶段

针对智能施工平台的未来发展及产品迭代，本文主要结合智能建造领域的未来发展阶段及人机交互下的自动化程度分级，从智能施工平台的关键作业场景、自动化程度、智能安全监管和系统效益4个维度来开展研究。

3.1 智能建造未来发展阶段

智能建造的未来发展可以按照自动化程度分为：机械化阶段、自动化阶段和机器人化阶段^[17]。机械化向自动化及机器人化发展的过程，是施工自动化不断成熟的体现。机械化是指由操作人员对施工过程和工艺操作进行控制，机器在人的指令下完成简单的施工操作或完成一道完整的工序; 自动化是指不需要操作人员实时对施工过程和操作进行控制，部分施工过程或场外复杂制造过程由机器人进行完成; 机器人化是指由机器完全替代人或工程机械进行作业，是最高程度的自动化^[17]。各阶段下还存在部分自动化和全自动化的区分，智能建造自动化阶段划分具体情况如表 2所示^[17]。

此外，按照人机交互下的人和机器的任务关系，智能建造自动化程度可以分为10个等级，由人负责全程的操作和控制向由机器负责的自动化操作和控制发展^[18]，如表 3所示^[18]。

3.2 智能施工平台未来发展阶段

智能施工平台的自动化程度是评价智能施工平台发展程度的主要指标，取决于机器的自主程度及人机任务分配情况。同时，智能施工平台的发展也将改变安全监管中人的角色，提升系统效益，解决目前建筑业安全事故频发及效率较低等问题。本文参考智能建造领域的自动化发展阶段，从关键作业场景、自动化程度(人机任务分配)、安全监管和系统效益4个维度对智能施工平台的未来发展阶段进行划分。

关键作业场景由能够实现某项装饰装修工程的施工工序自动化，向主体结构和装饰装修工程的全自动化方向发展。自动化程度既指智能施工平台上搭载的机械的自动化作业程度，也指人机任务分配的自动化程度，其发展趋势为由完全人为控制向完全由机械负责现场建造方向发展。安全监管指智能施工平台上负责安全监管的主体，在前期发展阶段中，人需要时刻保持对作业状态的现场监控及远程监控；当智能施工平台的自动化程度较高时，人仅需要保持对机械反馈的异常进行应答，并在必要时刻提供支持。系统效益是指智能施工平台能够实现的自动化作业场景与传统施工方式相比在效率、质量等方面的提升，以及在此阶段下的智能施工平台的整体建造效率表现，其发展趋势为从建造效率提升不明显到建造效率、质量提升明显，且具有规模成本效益。

根据关键作业场景、自动化程度(人机任务分配)、安全监管和系统效益这4个维度可将智能施工平台的发展划分为5个阶段，如表 4所示。在第1阶段中，由人主要负责工程操作与安全监管，极少量分项工程可以由机械自动化完成; 第2阶段大部分操作、监管工作由人完成，机械辅助工作，实现单项工序的半自动化; 第3阶段为多项工序半自动化，人机相互协作，共同完成操作工序及安全监管; 第4阶段则由机械承担大部分操作工作及安全监管任务，人员辅助工作，实现多项工序全自动化; 在第5阶段中，全部操作及安全监管由机械完成，实现主体结构和装饰装修工程的全自动化。

目前智能施工平台已初步完成第1阶段的目标，在未来的研发过程中还需结合施工工艺可行性、政策支持等进一步向半自动化、全自动化方向发展。

4 结论

本研究基于“人机料法环”的思想，采用文献综述和专家访谈对智能施工平台的关键作业场景和要素进行了分析，探讨各传统施工场景在未来实现自动化辅助作业或全自动化的可能性。通过对智能建造自动化发展阶段进行分析，结合智能施工平台的特点，从智能施工平台关键作业场景、不同自动化程度下的人机任务分配、安全监管及系统效益4个维度描述了智能施工平台未来发展的机械化、单项工序半自动化、多项工序半自动化、多项工序全自动化、全自动化5个阶段，为智能施工平台的发展及产品迭代提供参考。

目前，智能施工平台相关研究与实验尚在初期阶段中，后续研究将结合施工平台的实际应用，不断反馈、细化智能施工平台的未来发展阶段，推动智能施工平台的深度应用。