Robotyka i systemy automatyzacji w branży budowlanej: Analiza wyzwań specyficznych dla sektora związanych z adaptacją.
W latach 2022 i 2023 przeprowadzono szereg badań mających na celu zrozumienie roli robotyki i systemów automatyzacji w branży budowlanej. Branża ta, będąca istotnym segmentem gospodarki, zmaga się z wyzwaniami związanymi z niską efektywnością i wydajnością. Zapoznaj się z aktualnym stanem postępu w automatyzacji produkcji w branży budowlanej.
Sektor budowlany, będący kluczowym elementem gospodarki, boryka się z problemami niskiej efektywności i wydajności. Robotyka i systemy automatyzacji mogą być rozwiązaniem tych problemów, jednak ich adopcja w branży budowlanej pozostaje na niskim poziomie. Ten artykuł bada specyficzne dla branży czynniki hamujące przyjęcie tych technologii.
Spis treści:
Słowem wstępu
Sektor budowlany, będący jednym z najważniejszych elementów światowej gospodarki, odpowiada za 9% – 15% PKB w większości krajów. Mimo jego znaczenia, branża ta zmaga się z problemami niskiej efektywności i wydajności, które nie poprawiły się znacząco w ciągu ostatnich pięciu dekad. Robotyka i zautomatyzowane systemy, które przyniosły znaczące korzyści innym sektorom poprzez obniżenie kosztów pracy i poprawę wydajności i jakości, mogą również zrewolucjonizować branżę budowlaną. Te technologie mogą zmniejszyć ryzyko obrażeń i uwolnić pracowników od niebezpiecznych zadań.
Mimo że robotyka w budownictwie jest rozwijana od lat 60. i 70. XX wieku, jej przyjęcie w branży jest powolne. Wyzwania związane z adopcją obejmują wysokie koszty wdrożenia oraz ryzyko handlowe i techniczne. Dodatkowo, branża budowlana powoli adaptuje nowe technologie, ale przewiduje się, że robotyka i automatyzacja będą miały znaczący wpływ na jej przyszły rozwój. Inne osiągnięcia technologiczne, takie jak Przemysł 4.0, Modelowanie informacji o budynku (BIM), technologie wykrywania i sztuczna inteligencja, mogą również przyczynić się do przyjęcia robotyki w branży.
Robotyka i systemy automatyzowane w budownictwie
W tej części przedstawiamy przegląd różnorodnych systemów robotycznych i automatyzowanych wykorzystywanych w sektorze budowlanym. Te systemy są różnorodne i nie istnieje jednolita klasyfikacja. Granice między poszczególnymi kategoriami są dynamiczne i często ulegają zmianom wraz z rozwojem technologii. Prezentowana tu klasyfikacja ma na celu ułatwienie zrozumienia skomplikowanego i różnorodnego świata technologii oraz zapewnienie czytelnikowi ogólnego przeglądu różnych typów systemów.
| Kategoria | Opis |
|---|---|
| Systemy prefabrykacji poza miejscem budowy | Roboty opracowane w Japonii do poprawy jakości elementów budowlanych dla domów modułowych. Inspiracja sukcesem robotów w przemyśle motoryzacyjnym. |
| Zautomatyzowane i robotyczne systemy na miejscu budowy | Rozwój robotów na placach budowy, prowadzący do zautomatyzowanych systemów budowlanych. |
| Drony i pojazdy autonomiczne | Najnowsze innowacje w robotyce, obejmujące roboty i pojazdy autonomiczne do zadań takich jak kontrola, monitorowanie, konserwacja itp. |
| Egzoszkielety | Mechaniczne urządzenia noszone, które wzmacniają możliwości użytkownika. Nie są systemami robotycznymi, ale są włączone do klasyfikacji ze względu na ich wpływ na działalność budowlaną i potencjał współpracy człowiek-robot. |
Tabela przedstawia różnorodność i ewolucję technologii w branży budowlanej, od prefabrykacji poza miejscem budowy po zintegrowane systemy na placu budowy, w tym nowoczesne rozwiązania takie jak drony i egzoszkielety. Wskazuje również na przyszły kierunek rozwoju, gdzie różne technologie będą współpracować w celu zwiększenia efektywności i bezpieczeństwa w budownictwie.
Systemy automatyzacji prefabrykacji poza lokalizacją budowy
Ta kategoria zawiera różnorodne technologie automatyzujące produkcję komponentów budowlanych w lokalizacjach zewnętrznych. Głównym celem tych systemów jest podniesienie jakości komponentów prefabrykowanych budynków, zainspirowane zastosowaniem robotów w innych branżach produkcyjnych. Technologie te obejmują metody produkcji elementów budowlanych, które przetwarzają surowce (takie jak beton, cegła, drewno, stal itd.) w zaawansowane komponenty budowlane. Przykłady obejmują prefabrykowane elementy betonowe, stalowe kratownice, drewniane elementy konstrukcyjne, świetliki dachowe, wyłazy dachowe, klapy dymowe, sekcje ścian, podłóg i dachów. W tej kategorii znajdują się również metody prefabrykacji na dużą skalę, które łączą zaawansowane komponenty budowlane w gotowe moduły, takie jak moduły łazienkowe czy blaty kuchenne. Dodatkowo, kategoria ta obejmuje techniki wytwarzania przyrostowego, znane jako drukowanie 3D. W literaturze istnieje wiele publikacji na temat zastosowania technik wytwarzania przyrostowego w budownictwie, z omówieniem perspektyw, wyzwań i korzyści drukowania 3D dla sektora budowlanego. Do głównych wyzwań należą rozwój odpowiednich materiałów i zrozumienie mechanicznej wydajności tych materiałów. Różnorodne potencjalne zastosowania obejmują tworzenie zoptymalizowanych, dostosowanych komponentów budowlanych oraz naprawy na miejscu. Technologie wytwarzania przyrostowego szybko ewoluują, umożliwiając obecnie drukowanie komponentów na dużą skalę.
Automatyzacja i robotyka na placu budowy
Ta kategoria dotyczy zautomatyzowanych i robotycznych systemów stosowanych bezpośrednio na placach budowy do konstruowania obiektów i budynków. Pierwsze zastosowane systemy to jednozadaniowe roboty budowlane, które wykonują pojedyncze, powtarzalne zadania. Typowym przykładem są robotyczne ramiona, podobne do tych używanych w produkcji motoryzacyjnej, jak autonomiczne roboty mobilne (AMR) ACTIVE Shuttle Bosch Rexroth. Te ramiona, zazwyczaj umieszczane na mobilnych platformach, służą do wykonywania prostych zadań na miejscu. Takie rozwiązania są elastyczne i mogą być łatwo dostosowane do połączenia z tradycyjnymi metodami budowlanymi, ale generują również dodatkowe wyzwania, takie jak zwiększone wymagania dotyczące bezpieczeństwa i zdrowia, trudności z integracją i współpracą z pracownikami oraz brak integracji z działaniami na różnych poziomach.
W odpowiedzi na te wyzwania, opracowano koncepcję fabryk na miejscu budowy. Są to kontrolowane środowiska, które integrują autonomiczne STCR, umożliwiając wdrożenie złożonych sieci robotów, gdzie różne roboty mogą być używane do różnorodnych zadań w zautomatyzowany sposób, przypominając linię produkcyjną. Dodatkowo, prowadzone są badania nad umożliwieniem współpracy między różnymi robotami do realizacji bardziej skomplikowanych zadań.
Drony i pojazdy autonomiczne w budownictwie
Ta kategoria obejmuje różnorodne pojazdy – lądowe, powietrzne i morskie – które mogą być sterowane zdalnie lub działają autonomicznie, eliminując potrzebę obecności operatora. Są one wykorzystywane do wielu celów, w tym do: dostępu do ekstremalnych i niebezpiecznych miejsc, co pozwala na wyeliminowanie ludzi z obszarów wysokiego ryzyka; przeprowadzania prac geodezyjnych i monitoringu; oraz automatyzacji prac takich jak wykopy, rozbiórki i transport materiałów. Drony, na przykład, są używane do badania trudno dostępnych środowisk, takich jak obszary erupcji błota czy nawet do eksploracji kosmicznej. Głównym zastosowaniem dronów powietrznych są prace geodezyjne i monitoring, ale rozwijane są również drony naziemne do podobnych zadań. W literaturze opisano na przykład drona naziemnego do automatyzacji inspekcji mostów oraz pojazd poruszający się po placach budowy i zbierający dane do monitorowania postępów prac.
Głównym zastosowaniem pojazdów lądowych jest wykorzystanie autonomicznych pojazdów i koparek w górnictwie, gdzie zautomatyzowane wiertarki i koparki współpracują z ciężarówkami bez kierowców do transportu materiałów. Prostota operacji górniczych w porównaniu z bardziej złożonymi zadaniami budowlanymi ułatwiła adaptację tych technologii. Jednak na tradycyjnych placach budowy nadal istnieje wiele wyzwań związanych z automatyzacją maszyn do robót ziemnych. O nowoczesnych systemach transportowych możesz dowiedzieć się na stronie: https://www.aluprofile24.pl/systemy-paletowe/
W kontekście wykorzystania dronów w budownictwie, istnieje kilka problemów do rozwiązania, w tym: wysokie koszty początkowe; ograniczony czas działania baterii, co wpływa na długość operacji – większość dronów może latać mniej niż 30 minut; skomplikowana obsługa sprzętu i oprogramowania, wymagająca dodatkowego szkolenia i zwiększająca koszty; błędne postrzeganie dokładności i tolerancji, co może prowadzić do błędów i wypadków; restrykcyjne przepisy, podnoszące koszty adaptacji; oraz dodatkowe zagrożenia dla zdrowia i bezpieczeństwa.
Egzoszkielety w budownictwie
Egzoszkielety to mechaniczne urządzenia noszone przez pracowników, które współpracują z użytkownikiem, zwiększając ich fizyczne możliwości, w przeciwieństwie do robotów, które wykonują zadania autonomicznie. Są one szczególnie przydatne w branży budowlanej, gdzie mogą pomóc pracownikom w unikaniu nadmiernego obciążenia i poprawie wydajności. Dzięki egzoszkieletom, pracownicy mogą podnosić ciężkie obciążenia, zmniejszać zmęczenie i łatwiej korzystać z narzędzi w trudnych pozycjach. Egzoszkielety przyczyniają się również do zmniejszenia ryzyka urazów i utrzymania zdrowszej siły roboczej, co ma kluczowe znaczenie, biorąc pod uwagę powtarzające się i fizycznie wymagające zadania, które mogą prowadzić do poważnych obciążeń, urazów i trwałej niepełnosprawności.
Egzoszkielety mogą również stanowić odpowiedź na wyzwania związane ze starzejącą się siłą roboczą, umożliwiając starszym pracownikom dalszą pracę i wykonywanie fizycznie wymagających zadań. Jednakże, istnieje wiele wyzwań związanych z ich stosowaniem, w tym wysokie koszty, kwestie efektywności energetycznej, bezpieczeństwa i komfortu użytkowania. W kontekście branży budowlanej, istnieją również specyficzne bariery, takie jak: obawy dotyczące bezpieczeństwa i zdrowia, w tym ryzyko potknięcia, zaczepienia i upadku, problemy higieniczne oraz fałszywe poczucie bezpieczeństwa; kwestie dotyczące użyteczności, w tym trwałości, wytrzymałości i wszechstronności w trudnych warunkach budowlanych; brak integracji z innym sprzętem ochrony osobistej (PPE); wysokie początkowe koszty i potrzeba szybkiego zwrotu z inwestycji; oraz możliwe niskie wskaźniki akceptacji przez pracowników.
Rodzaje czynników ograniczających przyjęcie robotyki w branży budowlanej
Czynniki ekonomiczne po stronie kontrahenta
Ta kategoria dotyczy czynników kosztowych, które firmy budowlane muszą uwzględnić przy wdrażaniu robotyki, nie uwzględniając ekonomicznych aspektów wpływających na klientów czy właścicieli infrastruktury. Dwa główne czynniki to: „Wysokie początkowe koszty inwestycji” i „Brak silnej motywacji do poprawy wydajności”. Wysokie koszty początkowe są znane z innych sektorów i mają duży wpływ na decyzje o adopcji technologii. Chociaż te inwestycje mogą zmniejszyć koszty pracy i zwiększyć wydajność, dla wielu firm budowlanych korzyści te nie zawsze są osiągalne. W branży, gdzie dominują małe podwykonawstwa, a tylko nieliczne duże firmy mogą inwestować w nowe technologie, duże inwestycje kapitałowe są znaczącym wyzwaniem.
Czynnik wskazuje, że niska wydajność jest długotrwałą cechą branży budowlanej, a kontrahenci nie wykazują silnej motywacji do jej poprawy. To spostrzeżenie jest wzmacniane przez inne czynniki, takie jak „Łatwy dostęp do siły roboczej”, który w innych sektorach, jak motoryzacja, spowalnia tempo adopcji automatyzacji. W budownictwie, gdzie dostęp do siły roboczej nie był problemem w ostatnich dekadach, ogranicza to przyjęcie robotyki. Dodatkowo, „Brak zachęt rządowych” również jest postrzegany jako bariera w poprawie wydajności.
Najniżej ocenianym czynnikiem jest „Fragmentaryczny charakter branży budowlanej”. Wyniki badań wskazują, że skomplikowany i różnorodny łańcuch dostaw oraz słaba wymiana wiedzy nie mają znaczącego wpływu na przyjmowanie robotyki. Inny czynnik, „Niski budżet na badania i rozwój”, jest charakterystyczny dla branży budowlanej i został udokumentowany w literaturze w porównaniu z innymi sektorami, jak produkcja czy motoryzacja.
Podsumowując, czynniki ekonomiczne po stronie wykonawców stanowią główne ograniczenie w adopcji robotyki w budownictwie. Jest to spodziewane, biorąc pod uwagę, że budownictwo to branża o niskich marżach zysku i wysokim ryzyku, gdzie przyjęcie nowych technologii często nie jest praktycznie możliwe i może wpływać na przetrwanie firm.
Czynniki ekonomiczne po stronie klienta
W tej kategorii kluczowym czynnikiem jest koszt, jaki klient ponosi przy wdrażaniu robotyki. Zawiera on czynnik „Zmniejszenie budżetów na infrastrukturę publiczną”. Ten czynnik wskazuje, że niskie wydatki na infrastrukturę w większości krajów uprzemysłowionych w ostatnich dekadach ograniczają adopcję robotyki. Na przykład, badanie wskazało, że wydatki na infrastrukturę w 2022 roku były najniższe od dwudziestu lat. Rządy, jako główni klienci firm budowlanych i infrastrukturalnych, mają znaczący wpływ na przyjęcie nowych technologii poprzez poziom wydatków publicznych na infrastrukturę.
Dodatkowo, obecna praktyka przetargowa, która priorytetowo traktuje „najniższą cenę” jako główne kryterium przyznawania projektów, stanowi kolejne ograniczenie dla innowacji. W środowisku wysokiej konkurencji, gdzie cena jest jedynym kryterium wyboru, firmy budowlane często obniżają marże zysku, co ogranicza możliwość wdrożenia nowych technologii. Ta praktyka może również prowadzić do konfrontacyjnych zachowań i ograniczać myślenie alternatywne.
Istnieją alternatywne metody selekcji, takie jak Najbardziej Ekonomicznie Korzystny Przetarg (MEAT), które uwzględniają inne kryteria oprócz ceny, takie jak jakość, zrównoważony rozwój, zalety techniczne i innowacyjność. MEAT zazwyczaj obejmuje dwuetapową ocenę: wstępną ocenę techniczną i wtórną ocenę finansową. Metody te mogą być implementowane na różne sposoby, w zależności od przyjętych wag i formuł do wyboru najlepszej oferty. Jednak ograniczone budżety na infrastrukturę i krótkoterminowe podejście do podejmowania decyzji utrudniają przyjęcie nowych metod oceny, co z kolei wzmacnia negatywny cykl niskich cen i ograniczonych innowacji.
Czynniki techniczne i kultury pracy
Ta kategoria dotyczy praktycznych ograniczeń wprowadzania robotyki, obejmujących zarówno techniczne wyzwania obecnych technologii, jak i aspekty związane z kulturą pracy. Czynnik „Nieudowodniona skuteczność/niedojrzała technologia” podnosi kwestię gotowości robotyki do zastosowania w budownictwie, co jest obawą wielu interesariuszy branżowych. Badania, takie jak analiza wywiadów z czołowymi firmami budowlanymi i dostawcami infrastruktury w Polsce, wykazały, że techniczne problemy związane z wdrażaniem robotyki są jedną z głównych barier. Największym wyzwaniem okazała się wysoka złożoność zadań budowlanych, która ogranicza użyteczność i efektywność rozwiązań robotycznych i zautomatyzowanych.
Interakcja człowiek – robot stanowi istotne wyzwanie dla adopcji robotyki, szczególnie w branży budowlanej, gdzie zadania są pracochłonne i oczekuje się stopniowego wdrażania robotyki. Efektywna współpraca między ludźmi a robotami jest kluczowa dla sukcesu, lecz istnieje niewiele badań wyjaśniających złożoność tej interakcji. Na przykład, badanie wskazuje na brak badań i modeli teoretycznych dotyczących postrzeganego bezpieczeństwa pracowników budowlanych pracujących obok robotów. Zauważono również, że pracownicy często są niechętni do pracy obok robotów, a wyznaczenie odrębnych stref dla robotów i ludzi może być korzystne. Ponadto, istnieje luka w wiedzy dotycząca wymagań operacyjnych dla interfejsów człowiek – robot, co jest istotne, biorąc pod uwagę, że wiele robotów budowlanych zostało zaadaptowanych z innych branż.
W tej kategorii znajduje się również czynnik „Niewytrenowana siła robocza”, co jest istotne, ponieważ braki w umiejętnościach pracowników budowlanych mogą stanowić barierę w osiąganiu celów związanych z budownictwem niskoenergetycznym. Struktura rynku pracy w budownictwie może utrudniać podnoszenie kwalifikacji, a pracodawcy powinni aktywnie wspierać rozwój umiejętności. Kolejnym czynnikiem jest „Obecna kultura pracy/niechęć do zmian”, co podkreśla wpływ słabej kultury innowacji w branży budowlanej.
Słabe uzasadnienie biznesowe
Kluczowym elementem w tej dziedzinie jest niepewność wartości, jaką robotyka może przynieść firmom budowlanym. Włącza to czynnik niskiego zwrotu z inwestycji i ograniczonego popytu. Istotą tej kwestii jest brak konkretnych dowodów na to, że wdrożenie robotyki faktycznie przyczyni się do obniżenia kosztów w procesie dostarczania aktywów. Branża budowlana charakteryzuje się niską rentownością i wysokim ryzykiem, co sprawia, że brak takich dowodów jest znaczącą barierą. Dokładniej mówiąc, w literaturze brakuje kompleksowych i precyzyjnych analiz kosztów i korzyści związanych z wdrożeniem robotyki, na przykład w kontekście badań nad zrównoważonym rozwojem. Ogólnie uważa się, że robotyka może potencjalnie zmniejszyć koszty pracy i urazów. Jednakże robotyka jest również postrzegana jako droga technologia, obejmująca nie tylko systemy robotyczne, ale również oprogramowanie, wykwalifikowanych inżynierów i szkolenia. Dodatkowo, zapewnienie bezpiecznych warunków pracy z robotami wiąże się z wysokimi kosztami. Badania nad potencjalnymi oszczędnościami czasu, sugerują, że użycie robotów do konkretnych zadań budowlanych może skrócić wymagany czas o 50%. Jednakże te badania skupiają się na pojedynczych zadaniach i nie biorą pod uwagę wpływu dodatkowych wymagań dotyczących szkolenia i bezpieczeństwa na czas i koszty.
Drugie wyzwanie w tej kategorii dotyczy ograniczonego zapotrzebowania na robotykę i systemy zautomatyzowane. Jednym z ograniczeń tych systemów jest ich brak elastyczności i adaptacji. W branży budowlanej, gdzie każdy projekt jest unikalny i każdy klient ma inne wymagania, istnieje mniejsza pewność, że inwestycje w robotykę będą mogły być wykorzystane w przyszłych projektach z różnymi klientami. Na przykład w kontekście prefabrykowanych elementów budowlanych, stwierdzono, że brakuje wystarczającego popytu na takie komponenty, które generują wyższe koszty kapitałowe i nie ma jasnych dowodów na oszczędności kosztowe.
Wnioski i przyszłe prace
Robotyka oferuje liczne korzyści dla sektora budowlanego, lecz jej adopcja pozostaje na niskim poziomie. Niniejszy artykuł skupia się na jakościowej i ilościowej analizie specyficznych wyzwań branżowych, które hamują wdrożenie robotyki w budownictwie. Zidentyfikowane wyzwania zostały podzielone na cztery główne kategorie według ich znaczenia: czynniki ekonomiczne po stronie wykonawców, czynniki ekonomiczne po stronie klientów, czynniki techniczne i kultura pracy, oraz słabe uzasadnienie biznesowe. Przeprowadzono analizę wiarygodności, aby sprawdzić spójność wewnętrzną zidentyfikowanych czynników, co wykazało ich akceptowalną spójność. Badanie korelacji nie wykazało silnych powiązań między czynnikami. Konieczne jest przeprowadzenie bardziej szczegółowych badań przyczynowości i skutków wtórnych, aby określić, czy czynniki wzajemnie się wzmacniają i czy można je rozwiązać łącznie lub oddzielnie.
Ten artykuł dostarcza istotnych informacji dla interesariuszy, pomagając zrozumieć kluczowe branżowe bariery w adopcji robotyki. Wyniki mają praktyczne znaczenie, umożliwiając opracowanie strategii łagodzenia zidentyfikowanych problemów. Jest to również jedno z pierwszych badań, które dostarcza istotnych dowodów na istnienie głównych barier w adopcji robotyki w sektorze budowlanym.
Badanie zostało przeprowadzone z udziałem firm działających w Europie. Biorąc pod uwagę międzynarodowy charakter wielu dużych firm, przyszłe badania powinny skupić się na innych regionach świata, aby porównać wyniki i zidentyfikować regionalne różnice w poziomach adopcji i ograniczeniach. Takie badania mogą przyczynić się do identyfikacji najlepszych praktyk w różnych regionach. Przyszłe prace powinny również obejmować bardziej szczegółowe badania dotyczące ograniczeń i perspektyw konkretnych zadań budowlanych. Na przykład, badanie przeprowadzone w Polsce wskazuje, że głównymi zadaniami, które branża chciałaby zautomatyzować, są: konstrukcja betonowa, inspekcje i monitoring, oraz wiercenie, wykopy i prace rozbiórkowe. Opracowanie specyficznych strategii dla tych zadań może przyspieszyć adopcję robotyki. Warto również zbadać, jak adopcja innych technologii, takich jak sztuczna inteligencja, rzeczywistość rozszerzona czy Internet Rzeczy, może wpływać na przyjęcie robotyki. Choć powszechnie oczekuje się, że robotyka i inne technologie zastąpią niektóre prace, mogą one również przynieść korzyści konkurencyjne. Te oczekiwania należy badać systematycznie, aby zapewnić skuteczne wdrożenie i uniknąć poważnych zakłóceń, które mogą prowadzić do niezamierzonych problemów gospodarczych i społecznych.
