陳舟凡 萬達 石新羽

1 Perkins and Will/ DAMlab

2 天津城建大學

3 青島理工大學

近些年，隨著工業(yè)機器人在建筑領(lǐng)域中逐漸被關(guān)注，以機器人為載體的建筑設(shè)計與建造探索也在國內(nèi)外高校及各研究機構(gòu)中逐步展開。自數(shù)字化在建筑領(lǐng)域萌芽以來，將建筑從古老的手工作業(yè)推向革新的自動化探索從未中斷。計算機輔助繪圖、計算機輔助設(shè)計、數(shù)字化設(shè)計以及人工智能輔助等探索都不斷嘗試實現(xiàn)建筑領(lǐng)域的自動化和智能化。

機器人作為模擬且可替代部分人類勞動的介質(zhì)，能夠?qū)⒔ㄖ臄?shù)字化和智能化從設(shè)計延伸至建造，從而實現(xiàn)設(shè)計與建造過程的再次融合。在建筑學的發(fā)展歷程中，不斷有學科從建筑學中被細分出來，設(shè)計與建造也在逐漸分離，學校教學中唯一能夠?qū)⒃O(shè)計向建造轉(zhuǎn)化的也許只剩下等比例縮小的模型制作。而得益于對建筑模型還保有的偏執(zhí)，多數(shù)建筑學教育仍舊與物理世界保持著些許聯(lián)系。機器人建構(gòu)的出現(xiàn)一方面或許有炫技成分，但是另一方面也銜接了分離已久的建筑設(shè)計與實際建造，并且為建筑設(shè)計開辟了一個新的方向。例如機器人建構(gòu)中常見的機械臂，其可模擬人類手臂運動的特性、可被編譯的精確性、可不間斷工作的持續(xù)性以及可與虛擬建模平臺的互通性，使得它成為目前銜接設(shè)計與建造的良好介質(zhì)。設(shè)計構(gòu)思能夠以實際建造為建構(gòu)邏輯的基礎(chǔ)，通過對機械臂運動路徑以及“手指末端”（末端工具）具體動作的編譯被快速檢測并且實現(xiàn)。機器人不需要在建造中完全代替人類，也不需要由一臺機器人完成整個建造工程，但它能以所編譯的程序執(zhí)行建造中的某一部分，并且和其他機器人協(xié)作完成一個工程。

針對不同材料、建造方式、建筑元素的機器人建構(gòu)方式被各界人士不斷探索，從而加深了各領(lǐng)域間的協(xié)作，不僅將原本逐步細分的建筑相關(guān)領(lǐng)域重新聚合，也帶動了信控、算法、機械以及自動化等相關(guān)領(lǐng)域的人員進行協(xié)同合作，形成了一個以機器人建構(gòu)為核心的多專業(yè)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。而工作營作為一種有任務(wù)導(dǎo)向、項目基礎(chǔ)的快速有效的方式，能夠?qū)⒉煌臋C器人建構(gòu)研究以短期教學的形式進行交流協(xié)作和經(jīng)驗分享，并且作為現(xiàn)有研究的一個調(diào)試和推進的過程。因此2019年4月，DAMlab通過聯(lián)合工作營的形式，以機器人建構(gòu)為主題，對機器人陶土打印、機器人木構(gòu)以及機器人空間3D打印進行了相關(guān)探索。

1 機器人陶土打印

陶土作為黏土的一種，在3D打印和機械臂的介入下逐漸回到建筑師的視野。陶土良好的吸聲性、吸水性、抗光污染性、透氣性和耐風化耐腐蝕特性等使得這一黏土類材料在初始階段就有了被討論和再探索的可能性。其良好的流動性、可塑性以及燒制改性后的堅固性和強度特性，也使得其滿足作為3D打印材料的基本要求。同時，機械臂精準、可編程的運動軌跡，使陶土從流動狀態(tài)下的柔軟到凝固后的堅硬這一動態(tài)范圍，可被編譯出比傳統(tǒng)工藝更多的可能性。除了能夠探討陶土打印制品的表面紋理和形體美學，不同紋理和形體所具有的性能也能夠被數(shù)字技術(shù)定量分析。此次工作營以陶土為基本材料，對其生成幕墻面板的可行性進行了探索，包括特定形態(tài)面板的打印過程及打印系統(tǒng)和流程的優(yōu)化，最終利用機械臂結(jié)合優(yōu)化后的陶土打印系統(tǒng)（圖1）進行幕墻面板的制作。

陶土打印本質(zhì)上與FDM（Fused Deposition Modeling）3D打印有著共同的特點，都是以疊層的形式構(gòu)建出物體。相較于不斷縮小打印層的高度從而提高打印精度以制造出接近完美的物件，通過探索和利用疊層來研究其可能具有的功能性才是建構(gòu)幕墻面板的出發(fā)點。疊層打印方式所產(chǎn)生的表面紋理以及陶土本身具有的磨砂質(zhì)感使得成品的表面具有產(chǎn)生大量漫反射的特性，繼而通過幕墻不同部位的孔隙密度、開孔大小和方向的變化，實現(xiàn)對特定時段進入建筑物的日照強度的控制，以減少眩光的影響。幕墻基礎(chǔ)面板的設(shè)計以一個600mm×600mm的正方形為基礎(chǔ)，在其范圍內(nèi)分割出多個泰森多邊形，每個泰森多邊形通過旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等變換形成單個幕墻面板的基礎(chǔ)單元（圖2，3）。同時利用Grasshopper進行曲線干擾影響泰森多邊形變化的程度，從而實現(xiàn)對幕墻面板透光性的控制（圖4）。由于面板由多個泰森多邊形單體組成，因此需要分層對多個單體同時進行打印，并且優(yōu)化打印順序以及相鄰單體間的打印路徑，從而保證單體間連接的強度。這也使得面板的打印邏輯和過程將不同于常用的連續(xù)擠出，因此需要結(jié)合KUKA|prc以及KUKA KRL的自定義語句實現(xiàn)對打印系統(tǒng)的擠出速度和擠出啟停以及機械臂運動軌跡的控制（圖5）。通過多次實驗優(yōu)化打印程序，并在打印最終成果之前，對陶土打印的最大高度、上下層最大錯位距離、每層材料最優(yōu)厚度進行測試（圖6），根據(jù)實驗數(shù)據(jù)調(diào)整出最適形體作為最終方案。打印最終作品時，使用經(jīng)過充分混合攪拌的陶土，將600mm×600mm的幕墻面板分別進行打?。▓D7，8）。由于陶土在干燥后的體積收縮會導(dǎo)致幕墻面板產(chǎn)生裂紋，因此需要將其放置在通風良好、避免陽光直射的地方陰干，并嚴格控制室內(nèi)空氣濕度。最終將這些面板進行燒制，拼合成一面完整的幕墻。

2 幕墻面板組合邏輯

3 幕墻面板安裝示意

4 曲線干擾產(chǎn)生形態(tài)變化

5 打印路徑優(yōu)化及陶土打印系統(tǒng)的啟?？刂?/p>

6 測試階段成果

7 最終成果打印過程

8 打印完成的最終成果

2 機器人木構(gòu)

木材曾是使用最廣泛的傳統(tǒng)建材之一，但因木建筑存在抗災(zāi)及結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、維護成本較高等缺點，使得現(xiàn)在木材在建筑中的使用頻率大大降低。另一方面，木材擁有良好的可再生性、隔音性、隔熱性、防潮性、抗震性以及耐腐蝕性，木建筑擁有建造速度快、價格低廉、舒適度高等優(yōu)勢。這些特性和優(yōu)勢使得木材在近些年被重新重視，并擁有了能夠被進一步研究和發(fā)展的可能性。

同時，木材處理和加工技術(shù)的進步，使得木材性能被不斷提升以滿足當代建筑功能的需求。在數(shù)字設(shè)計、數(shù)字建構(gòu)與智能建造、模塊化快速建造等背景下，機器人建造的自由度及其可被編譯的精準性使得木構(gòu)能夠擺脫傳統(tǒng)工藝的限制，高效地實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以達到的形式及精度。同時，計算機輔助的參數(shù)化建模和邏輯演繹過程，為單元化、形式單一的木材通過對性能優(yōu)化形成形態(tài)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體創(chuàng)造了可能。這一過程可通過結(jié)構(gòu)受力分析及構(gòu)筑物形體的優(yōu)化控制，使得建構(gòu)物在受力均勻、合理及最小用材的前提下，實現(xiàn)極好的結(jié)構(gòu)性能，生成優(yōu)異的形態(tài)、光影及肌理效果，使木構(gòu)突破傳統(tǒng)建構(gòu)形式的同時，形成模塊化材料的快速非有理性建造。此次工作營選取了尺寸一致的木材作為原材料，在探究其形態(tài)的可能性與形體美學的同時，使用計算機分析結(jié)構(gòu)體的受力情況，對木材參數(shù)化建構(gòu)的可行性進行了探索。

9 木構(gòu)件抓取工具構(gòu)造

工作營的搭建方案由學員和指導(dǎo)教師合作設(shè)計，使用Rhino建立曲面推敲形體，Grasshopper輔助力學分析生成方案模型、編寫程序控制機器人拾取和擺放木材的動作（圖9）、合理設(shè)定移動路徑及擺放順序（圖10）。通過計算機模擬其搭建過程，排除實際搭建中可能遇到的問題。同時，由于實際搭建時自重較大的結(jié)構(gòu)要求擁有極其穩(wěn)固的基礎(chǔ)構(gòu)造，故在搭建最終成品之前對基礎(chǔ)的搭建方案進行了多次拼接測試和破壞試驗，以探究其可行性并且優(yōu)化其力學性能（圖11，12）。在機械臂的協(xié)助下，木料定位的準確性和安裝速度都得到了保障，780根木材、1 388處膠點以及2 852處攻釘，僅用3天即完成了整個構(gòu)筑物的搭建與安裝（圖13，14）。

10 構(gòu)件抓取及安裝路徑優(yōu)化

11 木構(gòu)構(gòu)造細部詳圖

12 基礎(chǔ)部分的構(gòu)造實驗與討論

13 機械臂搭建過程

14 搭建完成的木構(gòu)展亭

15 3D 打印使用的工具及構(gòu)造示意

16 打印路徑優(yōu)化

17 學員針對不同材料調(diào)試機械臂

另一方面，單純推動建構(gòu)技術(shù)的研究并不一定是機器人建構(gòu)的唯一方向，只是建筑技術(shù)革新的一部分，提供給建筑師在工作過程中將設(shè)計與建造重新結(jié)合的機會，并且讓建筑師更多地參與到實際建造過程中，實現(xiàn)在建造中對設(shè)計的把控。在未來的研究中，更加全面、系統(tǒng)地適應(yīng)機器人建造的數(shù)字建構(gòu)體系是更值得建筑師、工程師等多領(lǐng)域人才共同深入研討的課題。

18 結(jié)構(gòu)承重實驗

19 最終成果打印

3 機器人空間3D打印

基于聚乳酸高分子材料（簡稱PLA）的物理特性，將材料加熱到一定溫度使其融化，當熔融狀態(tài)的材料在擠出口與冷空氣相遇時，材料溫度迅速降低，從而在空氣中迅速重新凝固成型。這種特性使其可以滿足空間結(jié)構(gòu)體的直接打印技術(shù)對于材料的要求。同時，機械臂的介入可以精確地定位結(jié)構(gòu)中各個節(jié)點的位置，快速構(gòu)建結(jié)構(gòu)單元生成形體（圖15）。

相較于較為傳統(tǒng)的FDM，以PLA為材料的空間3D打印在建筑領(lǐng)域的建造上具有更多優(yōu)勢：1）它在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，能夠用更少的時間和材料建造同樣體積的構(gòu)件；2）打印過程受下層支撐的限制較小，故空間打印工藝對構(gòu)件形體的制約大大降低，構(gòu)件的形態(tài)更加靈活；3）機械臂的介入使節(jié)點的位置更加精準，極大地保證了構(gòu)件的外觀美觀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；4）構(gòu)件內(nèi)部有大量空隙，當其作為建筑構(gòu)件時，這些空隙為建筑配套設(shè)施創(chuàng)造了融合設(shè)計的可能性。因此，基于機器人的空間3D打印作為建筑領(lǐng)域的一項新興技術(shù)，被許多建筑師寄予厚望。此次工作營以PLA為基本材料，對其生成復(fù)雜形態(tài)結(jié)構(gòu)的可行性進行了探索，通過對機器人的打印路徑進行合理設(shè)計，使機械臂能夠自動完成構(gòu)筑物的全部建造，并使打印出的結(jié)構(gòu)體具有足夠的承載力。

與此同時，PLA空間3D打印的影響因素也較多：一方面材料對溫度較為敏感，溫度過高材料會產(chǎn)生氣泡，影響作品的外觀和結(jié)構(gòu)強度，溫度過低則會降低材料的粘性導(dǎo)致節(jié)點強度不足，甚至阻塞出料口使工作無法進行；另一方面，冷卻氣流的風速以及材料擠出的速率也會對打印成果產(chǎn)生直接影響。為此，小組對不同耗材的參數(shù)進行了多次測試（圖16），形成了一套較完整的PLA材料的打印決策手冊，為最終成果的打印提供了實踐基礎(chǔ)。

設(shè)計與建造方面，小組預(yù)期成果為1:10的亭子結(jié)構(gòu)模型，使用Kangaroo和T-Splines插件進行找形并確定方案，將設(shè)計好的結(jié)構(gòu)體拆分為各個部分進行分別打印，最后再將其拼接在一起?？臻g3D打印的難點之一在于設(shè)計其打印路徑，工作營中使用了復(fù)合路徑優(yōu)化算法，在綜合考慮打印工具姿態(tài)與結(jié)構(gòu)體形態(tài)關(guān)系的同時，依照試驗階段探索的打印決策手冊，對結(jié)構(gòu)體的每個打印節(jié)點進行優(yōu)化排序，使機械臂能夠按照該路徑一次性自動完成打印，且在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時，避免打印工具與已打印的部分發(fā)生碰撞（圖17～19）。

4 結(jié)語

機器人建造與人工建造不同，其建造的過程為程序控制，可以直接與設(shè)計師進行對接，因此在設(shè)計中可根據(jù)需求對施工過程進行編譯，最大程度地實現(xiàn)設(shè)計與建造的結(jié)合。同時，這一新的建造模式也為傳統(tǒng)材料的新生提供了機會，使其不再受傳統(tǒng)施工技術(shù)的限制，在機器人的介入下，將傳統(tǒng)材料的優(yōu)點融入現(xiàn)有及未來的建筑中。此外，也通過對不同機器人建構(gòu)技術(shù)的本質(zhì)特性（如陶土打印時不可避免的紋理和PLA 空間打印時所產(chǎn)生的結(jié)點）等進行研究，將其與材料特性相結(jié)合，賦予建筑構(gòu)件不同的功能性。

工作營中三組教學所用到的技術(shù)都是以指導(dǎo)老師已有的研究為基礎(chǔ)形成各小組的任務(wù)導(dǎo)向，進而結(jié)合工作營教學實踐中所遇到的具體問題與學生共同研討推進。通過隔日一次的導(dǎo)師講座及組間交流，學生們有機會及時交換對于陶土打印、木構(gòu)搭建以及PLA空間打印的意見，形成不同研究主題相互交叉的知識互換網(wǎng)絡(luò)。相較于傳統(tǒng)的授課模式，工作營的模式能夠讓指導(dǎo)老師、助教與學生以及學生與學生之間形成更加緊密的合作關(guān)系，以類似研究團隊的模式推進。在工作營結(jié)束之后，DAMlab成員繼續(xù)通過遠程合作對相應(yīng)的研究主題向更深層次的研究和實踐建造推進，形成網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字建構(gòu)研究團隊。在數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展、多專業(yè)協(xié)同日益緊密的發(fā)展趨勢下，這或許能夠成為建筑教育界內(nèi)值得探究和發(fā)展的新型教學模式。