袁烽，張立名，高天軼

1 數(shù)字化時(shí)代的建筑產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)范式革新

1.1 高質(zhì)量發(fā)展驅(qū)動(dòng)下的新型裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化升級(jí)

追溯裝配式建筑的起源，最早始于17 世紀(jì)的歐洲[1]，真正意義上的發(fā)展始于二戰(zhàn)之后，歐洲國(guó)家以及日本等國(guó)房荒嚴(yán)重，迫切要求解決住宅問(wèn)題，如何能快速建造實(shí)用、可靠、成本低的住宅，促進(jìn)了裝配式建筑的全球發(fā)展。1860 年代，裝配式建筑得到大量推廣，產(chǎn)生了一系列預(yù)制裝配式建筑的研究與實(shí)踐：美國(guó)在戰(zhàn)后通過(guò)了“退伍軍人緊急住房法案”，由私人企業(yè)在兩年內(nèi)生產(chǎn)了85 萬(wàn)套預(yù)制獨(dú)立住宅，包括了盧斯特羅（Lustron）公司啟用戰(zhàn)后閑置的飛機(jī)廠房來(lái)生產(chǎn)的預(yù)制金屬房[2]；威廉·萊維特（W. Levitt）開發(fā)的輕型木結(jié)構(gòu)預(yù)制房屋萊維頓（Levittown）[3]；前東德大量使用的WBS70大型板式系統(tǒng)，墻板集成了裝飾完成面和門窗構(gòu)件，然后進(jìn)行裝配組拼[4]；英國(guó)的鋁制AIROH 平房，房屋可以被拆分為4 個(gè)部分，同樣也是在戰(zhàn)后空置的飛機(jī)工廠內(nèi)建造，然后通過(guò)卡車運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝[5]；日本在戰(zhàn)后同樣進(jìn)行了大規(guī)模裝配式柱子發(fā)展，從1959 年大和公司生產(chǎn)的“管道房屋”到20年后豐田公司生產(chǎn)的輕鋼房屋，可以實(shí)現(xiàn)85%的預(yù)制率，一套房屋的組裝工作流可以在45 天完成[6]。綜上可見，戰(zhàn)后的預(yù)制裝配式建筑發(fā)展，無(wú)一不是在尋求廉價(jià)、可快速?gòu)?fù)制的裝配式建筑解決方案，并且在預(yù)制裝配率、生產(chǎn)效率上已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)較高的水平，可以說(shuō)基本解決了戰(zhàn)后迫切的住房問(wèn)題。

如今，預(yù)制裝配式建筑所要解決的問(wèn)題既不是戰(zhàn)后解決迫切的廉價(jià)住房開發(fā)模式，也不是中國(guó)20年來(lái)野蠻生長(zhǎng)的房地產(chǎn)批量復(fù)制時(shí)代，預(yù)制裝配式建筑在我國(guó)“十四五”高質(zhì)量發(fā)展模式下正在被重新定義，轉(zhuǎn)向全新發(fā)展模式。

中國(guó)建筑行業(yè)在過(guò)去20 年中的城鎮(zhèn)化大潮中經(jīng)歷了發(fā)展黃金期。中國(guó)的城鎮(zhèn)化率從1990 年的26.44%增加到2020 年的63.89%[7]，在這個(gè)高速的城鎮(zhèn)化歷程中，建筑業(yè)有了巨大發(fā)展。然而，在中國(guó)裝配式建筑體系還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)以及完整建立的時(shí)刻，國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)化的發(fā)展已經(jīng)開始逐漸走向增速度下降期。2000 - 2015 年，最高的年份城鎮(zhèn)化率增長(zhǎng)速度達(dá)到4%，2018 年增速下降至1.8%[7]，建筑行業(yè)的存量時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。與此同時(shí)，在政策層面對(duì)預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展也逐漸明確了方向，2016年9 月27 日，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》中明確了裝配式建筑的發(fā)展意義：“發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措，有利于節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平，有利于促進(jìn)建筑業(yè)與信息化工業(yè)化深度融合、培育新產(chǎn)業(yè)新動(dòng)能、推動(dòng)化解過(guò)剩產(chǎn)能”；2017 年2 月21 日，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》中明確提出了“推廣智能和裝配式建筑”，智能與裝配式建筑開始并列出現(xiàn)，并強(qiáng)調(diào)了裝配式建筑的“信息化管理、智能化應(yīng)用”；2020 年7 月3 日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等13 部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》更是明確指出了智能建造與建筑工業(yè)化之間的協(xié)同關(guān)系，“加快建筑工業(yè)化升級(jí)”“加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新”“提升信息化水平”成為協(xié)同發(fā)展的三大首要任務(wù)。綜上所述，在新的存量時(shí)代背景下，智能建造與裝配式建筑的協(xié)同發(fā)展已經(jīng)是預(yù)制裝配式建筑發(fā)展的必由之路。

1.2 “族群化”批量定制——建筑機(jī)器人生產(chǎn)新場(chǎng)景

智能建造與裝配式建筑之間更深層次的聯(lián)動(dòng)，絕非僅僅實(shí)現(xiàn)效率、精度和自動(dòng)化水平等的提升。從本質(zhì)上講，裝配式建筑的發(fā)展瓶頸一直是建筑個(gè)性化設(shè)計(jì)需求和產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化需求之間的博弈。預(yù)制裝配式生產(chǎn)無(wú)法回避引導(dǎo)走向技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程，如前文所說(shuō)，社會(huì)生產(chǎn)能力發(fā)展早期，這是生產(chǎn)效率、產(chǎn)能與性價(jià)比發(fā)展的博弈的需求，裝配式建筑的發(fā)展在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化路線上走的是降本增效的道路。然而，市場(chǎng)化、地域化以及個(gè)性化的需求需要在保證標(biāo)準(zhǔn)化水平的前提下，不斷提高建筑面對(duì)風(fēng)格差異、地域多樣性以及審美個(gè)性化等多層面需求。過(guò)去幾十年，無(wú)論是在建筑整體模塊層面，如日本的CHS住宅體系，將建筑分為支撐體和填充體，通過(guò)改變填充體來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化需求；還是若干模數(shù)化單元構(gòu)件通過(guò)不同的組合方式實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)體系[8]。國(guó)內(nèi)外在這種技術(shù)路線上都進(jìn)行過(guò)大量嘗試和研究，而這種路線并不能從根本上解決個(gè)性化與標(biāo)準(zhǔn)化之間的矛盾。常規(guī)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程可提供的組合多樣性非常有限，而且往往推廣適用性較低，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)普適性推廣，反而帶來(lái)了更多額外成本。個(gè)性化和標(biāo)準(zhǔn)化之間的關(guān)系依然是十分對(duì)立、此消彼長(zhǎng)，相互制約。

這一發(fā)展現(xiàn)狀與同為大規(guī)模實(shí)體制造的制造業(yè)在1870 年代的發(fā)展非常相似。1970 年阿爾文·托夫勒（Alvin Toffler）在《未來(lái)的沖擊》（Future Shock）一書中首先提出了批量定制的基本設(shè)想，托夫勒認(rèn)為，新體系將突破批量生產(chǎn)的范圍，朝靈活的、由顧客定制的方向生產(chǎn)，并且由于新的信息技術(shù)的支持，在新系統(tǒng)下能在與批量生產(chǎn)成本接近的情況下完成批量定制[9]；1987 年斯坦·戴維斯（Stan Davis）在《未來(lái)理想》（Future Perfect）一書中首次明確了批量定制（mass customization）這一概念，并指出在21 世紀(jì)，掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、柔性工廠、高效物流等新技術(shù)是制造企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵[10]；1989 年，菲利普·科特勒（Philip Kotler）博士在論文中指出，大批量制造市場(chǎng)已經(jīng)不復(fù)存在，細(xì)分市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入大批量定制時(shí)代[11]。制造業(yè)面對(duì)大批量市場(chǎng)縮減所采取的策略是值得參考的，那就是新的數(shù)字技術(shù)帶來(lái)了新的生產(chǎn)理念——批量定制。

建筑行業(yè)近年來(lái)智能建造正在不斷興起，以建筑機(jī)器人為代表的智能建造平臺(tái)為預(yù)制裝配式建筑的批量定制的概念帶來(lái)了新的可能性。預(yù)制裝配化建筑的發(fā)展思路可以不再局限于建筑構(gòu)件簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)幾何尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化與復(fù)用率，而是轉(zhuǎn)向通過(guò)建筑信息化模型（BIM）將建筑設(shè)計(jì)過(guò)程參數(shù)化和數(shù)字建構(gòu)化。通過(guò)多層級(jí)的信息化模型定義建筑部品的族群（family）概念，針對(duì)每個(gè)族群的建造方法和建造流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再通過(guò)研發(fā)軟硬件設(shè)計(jì)與建造一體化流程，將族群化的建筑構(gòu)件部品化，并分布式拆解成標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)工藝流程[12]。這個(gè)流程的核心是重新建立了從幾何參數(shù)化，性能參數(shù)化到建造參數(shù)化的正向聯(lián)通。正向的BIM 設(shè)計(jì)流程不僅僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程的信息模型化思維與工作方法，通過(guò)引進(jìn)建筑機(jī)器人也實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到建造的正向數(shù)字化工作流。

適應(yīng)靈活部署的工藝流程來(lái)進(jìn)行柔性生產(chǎn)，“族群”設(shè)計(jì)與建造理念，適用于參數(shù)化的設(shè)計(jì)流程，擅長(zhǎng)與解決“微分”與“漸變”的單元原型和規(guī)格漸變，最重要的是建筑機(jī)器人帶來(lái)的邊際成本扁平化，為建筑產(chǎn)業(yè)的批量化定制帶來(lái)了真正的利潤(rùn)空間，也為預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展打開了新的方向。批量定制使預(yù)制裝配式建筑不再需要在標(biāo)準(zhǔn)化和個(gè)性化之間進(jìn)行博弈與取舍，而是為其帶來(lái)了設(shè)計(jì)和建造思維與方法上的徹底變革。正如馬里奧·卡爾波（Mario Carpo）在The Alphabet and the Algorithm一書中認(rèn)為：建筑的第一次數(shù)字化轉(zhuǎn)向改變了我們的建造方式，第二次則改變了我們的思維方式[13]。

“族群化”批量定制的理念為智能建造與裝配式建筑的協(xié)同發(fā)展提供了一個(gè)非常清晰且具有潛力的愿景。而這一理念的實(shí)現(xiàn)需要3 個(gè)核心內(nèi)容的支持：建筑機(jī)器人創(chuàng)新工藝，設(shè)計(jì)與建造一體化建筑機(jī)器人軟件平臺(tái)，建筑機(jī)器人柔性建造平臺(tái)。

2 建筑機(jī)器人批量定制研究與實(shí)踐

2.1 面向批量化定制的建筑機(jī)器人創(chuàng)新工藝研發(fā)

建筑機(jī)器人建造工藝是指針對(duì)基于BIM 設(shè)計(jì)“族群化”建筑構(gòu)件，通過(guò)專項(xiàng)材料工藝的研發(fā)，運(yùn)用機(jī)器人平臺(tái)與工具端研發(fā)將建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)幾何參數(shù)化模型轉(zhuǎn)化為機(jī)械加工路徑的建造參數(shù)化生產(chǎn)過(guò)程。以材料工藝為導(dǎo)向的建筑機(jī)器人創(chuàng)新工藝研發(fā)可以分為兩個(gè)方面：傳統(tǒng)材料工藝的機(jī)器人再造，以及創(chuàng)新材料工藝的研發(fā)與應(yīng)用。

在傳統(tǒng)材料工藝方面，賽博格思想下人機(jī)協(xié)作的全新關(guān)系，建筑機(jī)器人延展成為人超人生產(chǎn)工具，全新數(shù)字建造工藝創(chuàng)造了全新的“設(shè)計(jì)—建造”主體，創(chuàng)建了 “數(shù)字工匠”（cyborg craftsman）新設(shè)計(jì)與生產(chǎn)模式[14]。從而建筑機(jī)器人與設(shè)計(jì)者的共同構(gòu)建了全新建筑自主性。

這種建筑自主性賦予了建筑材料前所未有的性能和表現(xiàn)能力，以木和磚兩種典型材料為例。在木材創(chuàng)新建造工藝方面，2017 年，斯圖加特大學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)與建造研究所（ICD）與同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院數(shù)字設(shè)計(jì)研究中心（DDRC）合作完成了機(jī)器人木縫紉項(xiàng)目（ICD Sewn Timber Shell 2017，圖1），該項(xiàng)目將傳統(tǒng)縫紉技術(shù)和機(jī)器人傳感技術(shù)應(yīng)用在了木板加工上實(shí)現(xiàn)了一種全新的受力性能極佳且隱藏性極好的木板連接工藝[15]。

圖1 機(jī)器人木縫紉工藝（攝影：Martín Alvarez）

在磚材創(chuàng)新建造工藝方面，同濟(jì)大學(xué)數(shù)字設(shè)計(jì)研究中心（DDRC）團(tuán)隊(duì)從2010 年就開始從設(shè)計(jì)方法、材料、工藝流程、建造設(shè)備等多個(gè)方面探索建筑機(jī)器人磚構(gòu)：2014 年團(tuán)隊(duì)完成了首個(gè)磚構(gòu)機(jī)器人原型機(jī)，并在當(dāng)年上?！皵?shù)字未來(lái)”活動(dòng)中展出（圖2）；2016 年團(tuán)隊(duì)參與完成了首個(gè)由磚構(gòu)機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)砌筑的建筑項(xiàng)目“池社”（圖3、4）；2019 年，在烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)之光博覽中心項(xiàng)目中使用機(jī)器人砌筑預(yù)制磚墻完成室外服務(wù)亭“水亭”（圖5、6）。在2020 年完成的江蘇園博園項(xiàng)目城市展園麗笙酒店項(xiàng)目（圖7）中，機(jī)器人磚構(gòu)工藝在材料工藝、建造流程和標(biāo)準(zhǔn)化體系方面又有了新的進(jìn)展。該項(xiàng)目使用機(jī)器人砌筑模塊裝飾磚墻作為外墻面層，總計(jì)2200m2。在墻體設(shè)計(jì)上采用了磚塊旋轉(zhuǎn)角度漸變來(lái)實(shí)現(xiàn)“山”形的紋理效果（圖8），微差漸變的旋轉(zhuǎn)角度使這種磚墻完全無(wú)法進(jìn)行常規(guī)人工砌筑。在砌筑砂漿材料上，該項(xiàng)目中使用了機(jī)器人自動(dòng)化砌筑專用的薄型砌筑砂漿，砂漿層厚度不超過(guò)4mm，遠(yuǎn)小于常規(guī)磚墻砌筑砂漿層8 ～10mm 的厚度。在機(jī)器人高精度砂漿涂抹工藝和薄型專用砌筑砂漿的幫助下，每平方米的砂漿使用量降低為常規(guī)墻體的1/3，并且墻體更加平整細(xì)膩，渾然一體。在構(gòu)造系統(tǒng)方面，圍繞模塊化裝飾磚墻配置了完備的龍骨構(gòu)造方式（圖9）和一套較為完整的機(jī)器人砌筑裝飾磚墻施工工法，該工法的總結(jié)和制定也是建筑機(jī)器人建造工藝流程標(biāo)準(zhǔn)化的思路體現(xiàn)。

圖2 砌磚機(jī)器人原型機(jī)

圖3 機(jī)器人搭建池社外墻（2 .3 攝影：胡雨辰）

圖4 池社（攝影：林邊）

圖5 烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)之光博覽中心室外服務(wù)亭——“水亭”（攝影：是然建筑攝影）

圖6 烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)之光博覽中心室外服務(wù)亭——“水亭”（攝影：周軼凡）

圖8 江蘇園博園項(xiàng)目城市展園麗笙酒店磚墻立面紋理（攝影：王可）

圖9 江蘇園博園項(xiàng)目城市展園麗笙酒店預(yù)制磚墻模塊構(gòu)造層次（繪制：張立名）

在新材料的研究與應(yīng)用方面，建筑機(jī)器人建造技術(shù)與創(chuàng)新材料相結(jié)合，使新材料充分展現(xiàn)其性能優(yōu)勢(shì)，不斷刷新機(jī)器人建造的創(chuàng)新潛力。以機(jī)器人纖維編織、機(jī)器人改性塑料打印兩種新材料工藝為例。在機(jī)器人纖維編織方面，2012 年，斯圖加特大學(xué)ICD/ITKE 年度展亭第一次采用碳纖維編織工藝進(jìn)行大尺度結(jié)構(gòu)建筑。通過(guò)對(duì)仿生結(jié)構(gòu)中纖維材料的各向異性進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為碳纖維與玻璃纖維材料的分布方式，結(jié)合機(jī)器人編織工藝的建造能力，形成了新的構(gòu)造可能。整個(gè)項(xiàng)目共使用了約60km 長(zhǎng)的碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料。纖維材料殼體的厚度僅為4mm，但跨度卻達(dá)到了8m（圖10）[16]。從2012 年起，ICD/ITKE 先后對(duì)碳纖維整體編織、雙機(jī)器人協(xié)同編織、機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)自適應(yīng)編織等技術(shù)展開研究，取得了令人矚目的研究成果。碳纖維和玻璃纖維的組合不僅展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)性能上的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，而且具有震撼的視覺(jué)美感。

圖10 ICD/ITKE研究展亭2012 （片來(lái)源：http://www.achimmenges.net/?p=5561 ，攝影：Roland Halbe）

在改性塑料材料的3D 打印工藝方面。同濟(jì)大學(xué)數(shù)字設(shè)計(jì)研究中心（DDRC）團(tuán)隊(duì)在改性塑料材料3D 打印應(yīng)用于建筑場(chǎng)景中進(jìn)行了大量的研究，2016 年團(tuán)隊(duì)在悉尼大學(xué)RobArch 會(huì)議上最早發(fā)表空間拓?fù)浯蛴〉募夹g(shù)方法（圖11）[17]；2018年，在威尼斯建筑雙年展中國(guó)館展示空間打印展亭（圖12）；2019 年，在烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)之光博覽中心項(xiàng)目中使用3D 打印預(yù)制板完成室外服務(wù)亭“云亭”（圖13）；而在2020 年完成的南京歡樂(lè)谷主題樂(lè)園東大門項(xiàng)目（圖14）中，改性塑料材料3D 打印在建筑場(chǎng)景下的應(yīng)用得到了更深刻的體現(xiàn)。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于參數(shù)控制的計(jì)算性幾何拓?fù)湓托纬苫A(chǔ)網(wǎng)格，在得出大體形態(tài)后，隨之而來(lái)的是從幾何參數(shù)出發(fā)生成符合邊界條件的網(wǎng)格劃分，最終得到實(shí)際建造可用的拓?fù)浔砻?。該拓?fù)浔砻媸褂脵C(jī)器人改性塑料3D 打印進(jìn)行建造，總面積1950m2，分為了逾4000 塊各不相同的曲面板。改性塑料3D 打印工藝的引入使得這種復(fù)雜拓?fù)涿鎸?duì)于曲面有理化工作的要求大大降低，原始設(shè)計(jì)可以直接得到完美呈現(xiàn)。在本項(xiàng)目中，改性塑料3D 工藝在材料和標(biāo)準(zhǔn)化建造體系層面進(jìn)行了創(chuàng)新。材料方面，高耐候性配方的改性塑料材料使得該項(xiàng)目中的預(yù)制3D 打印板可以在室外環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用。耐候性實(shí)驗(yàn)表明，10 年期紫外線環(huán)境下該材料不變色，物理性能下降小于10%。在構(gòu)造體系方面，前期研究和實(shí)踐項(xiàng)目將打印板本身的精度與可靠性提升到了較高的水準(zhǔn)后，異形曲面3D 打印板在三維空間中的精準(zhǔn)定位安裝成為本項(xiàng)目中的一個(gè)新的議題。一方面，項(xiàng)目中采用了一套經(jīng)過(guò)空間幾何有理化的次級(jí)龍骨系統(tǒng)，該龍骨易于加工和安裝，并且可以對(duì)3D 打印板進(jìn)行一次定位；另一方面，引入了數(shù)控激光空間定位系統(tǒng)，為每塊3D 打印板進(jìn)行精準(zhǔn)二次定位。同時(shí)，數(shù)控激光定位系統(tǒng)將定位數(shù)據(jù)傳輸給上海設(shè)計(jì)辦公室，實(shí)現(xiàn)對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在疫情期間仍然可以保證高效率、高精度、高質(zhì)量的建造水準(zhǔn)。這套構(gòu)造體系也成為改性塑料3D 打印裝飾板標(biāo)準(zhǔn)工藝系統(tǒng)的一部分，為非標(biāo)批量定制產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)提供標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)（圖15、16）。

圖11 空間拓?fù)浯蛴》椒ǎ〝z影：胡雨辰）

圖12 威尼斯建筑雙年展中國(guó)館展示空間打印展亭（攝影：張立名）

圖13 烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)之光博覽中心室外服務(wù)亭——“云亭”

圖14 南京歡樂(lè)谷主題樂(lè)園東大門（13 .14 攝影：是然建筑攝影）

圖15 南京歡樂(lè)谷主題樂(lè)園東大門項(xiàng)目構(gòu)造層次

圖16 南京歡樂(lè)谷主題樂(lè)園東大門項(xiàng)目構(gòu)造層次

2.2 建筑機(jī)器人軟件共性技術(shù)研發(fā)

設(shè)計(jì)與建造一體化流程是實(shí)現(xiàn)批量定制預(yù)制生產(chǎn)的全新工作流，其中軟件控制是核心。傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過(guò)了多年發(fā)展，設(shè)計(jì)建模軟件和制造加工軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了深度耦合，CAD 與CAM 的深度融合打破了設(shè)計(jì)與制造之間明確的界限，加工信息可以快速實(shí)現(xiàn)編程與控制。與工業(yè)設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域類似，如今BIM 中構(gòu)件族的概念，在SolidWorks 中早已有智慧零件的功能，不僅對(duì)零件進(jìn)行信息參數(shù)化，更深度集成了加工和裝配信息，用來(lái)完成諸如將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的螺栓裝入螺孔中，而同時(shí)按照正確的順序完成墊片和螺母的裝配[18]。在工業(yè)制造領(lǐng)域，定制生產(chǎn)的邊際成本大大降低，高效的批量定制生產(chǎn)已經(jīng)成為可能。

主壩樁號(hào) 0-17.1～0+290.9段以壩軸線上游1.1 m處為防滲軸線進(jìn)行壩基、壩肩基巖帷幕灌漿，對(duì)0+106.3～0+265.5壩段外其余壩體采取充填灌漿，灌漿線總長(zhǎng)308 m，單排布孔，孔距2 m，分三序施工，Ⅰ序孔40個(gè)，Ⅱ序孔38個(gè)，Ⅲ序孔77個(gè)，共計(jì)155個(gè)灌漿孔。在Ⅰ序孔內(nèi)選擇先導(dǎo)孔，其間距不小于30 m，選取先導(dǎo)孔9個(gè)。大壩樁號(hào)0+106.3～0+265.5壩段灌漿頂界為防滲墻底界以上2 m，其余壩段灌漿頂界為1 941.77 m，灌漿底界均為進(jìn)入基巖弱透水層 (透水率小于10 Lu)一段。

然而，在建筑行業(yè)，BIM 族群繪制方法和習(xí)慣與工業(yè)軟件環(huán)境生態(tài)有巨大的不同，主要表現(xiàn)在尺度不同、材料工藝不同、族群庫(kù)的研發(fā)社群不同以及軟件生態(tài)的使用習(xí)慣與研發(fā)習(xí)慣也不同。所以，大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)流從CAD 到CAM 的上流程在建筑設(shè)計(jì)與建造領(lǐng)域無(wú)法完全打通。

建立以建筑構(gòu)件為主體的設(shè)計(jì)、加工，以及分享的區(qū)塊鏈技術(shù)將成為未來(lái)裝配式建筑發(fā)展的重要核心議題。其中，針對(duì)建筑機(jī)器人軟硬件技術(shù)研發(fā)，作為一種完全數(shù)字化平臺(tái)，為設(shè)計(jì)與建造一體化提供了可能。特別是在BIM 技術(shù)的支持下，建筑族群的信息模型可以為建造階段提供精準(zhǔn)的參數(shù)化數(shù)據(jù)，通過(guò)建立合適的接口和轉(zhuǎn)譯，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流完全可以無(wú)縫延伸至建造階段，實(shí)現(xiàn)一體化目標(biāo)。這也驅(qū)動(dòng)了建筑機(jī)器人從編程端向設(shè)計(jì)軟件端靠攏，打通數(shù)據(jù)流，充分借助BIM 的信息平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字建構(gòu)的流程與工作方法[19]。建筑機(jī)器人編程平臺(tái)需要滿足以下幾個(gè)方面要求：

（1）打通機(jī)器人在建筑設(shè)計(jì)軟件中的開放環(huán)境：通過(guò)將機(jī)器人整合到設(shè)計(jì)軟件環(huán)境中，建筑師能夠在設(shè)計(jì)階段將幾何、材料與建造等因素進(jìn)行綜合考慮，對(duì)于整合行業(yè)工作流程具有重要意義。

（2）建立針對(duì)不同工業(yè)機(jī)器人的開放接口與研發(fā)環(huán)境：可以適用于多種平臺(tái)、多種品牌的機(jī)器人，解決機(jī)器人控制中的共性技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)間數(shù)據(jù)互通。

（3）研發(fā)不同材料與工藝：建筑建造的復(fù)雜性決定了機(jī)器人需要處理的材料以及執(zhí)行工藝的多樣性。機(jī)器人編程平臺(tái)需要能夠定制機(jī)器人模塊、機(jī)器人工具端，個(gè)性化地滿足不同工程建造任務(wù)對(duì)機(jī)器人編程方式的需求。

基于以上原則，同濟(jì)大學(xué)數(shù)字設(shè)計(jì)研究中心（DDRC）團(tuán)隊(duì)開發(fā)了FuRobot 建筑機(jī)器人控制與編程軟件平臺(tái)（圖17）。這是一款面向建筑行業(yè)工作流需求的機(jī)器人控制與編程平臺(tái)軟件。其目標(biāo)在于打通建筑設(shè)計(jì)、機(jī)器人、工程建造三者之間的數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和建造的一體化，提升工作流效率和智能化水平。

圖17 FuRobot建筑機(jī)器人控制與編程軟件平臺(tái)（15 -17 繪制：張立名）

在南京歡樂(lè)谷主題樂(lè)園東大門項(xiàng)目中，該軟件平臺(tái)進(jìn)行了應(yīng)用。在嚴(yán)格的工期要求下，4000 多塊各不相同的3D 打印板的深化和生產(chǎn)需要在不到2 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成，這成為很大的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)基于FuRobot 建立了一套高效的從設(shè)計(jì)到批量定制生產(chǎn)的工作流程：概念設(shè)計(jì)階段完成的基礎(chǔ)曲面進(jìn)行曲面劃分后，直接導(dǎo)入到FuRobot3D 打印工藝深化模塊中進(jìn)行內(nèi)部支撐和安裝構(gòu)造的設(shè)計(jì)深化；檢查深化模型無(wú)誤后，在同一模型環(huán)境下直接導(dǎo)入到FuRobot 機(jī)器人編程模塊中進(jìn)行機(jī)器人3D打印編程與程序檢查，程序檢查是完全自動(dòng)進(jìn)行的，如有錯(cuò)誤將會(huì)反饋給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行調(diào)整；打印程序生成后輸出給機(jī)器人3D 打印中心，8 臺(tái)3D 打印機(jī)器人耗時(shí)40 天完成4000 余塊3D 打印板的生產(chǎn)。從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)環(huán)境僅僅需要兩個(gè)關(guān)鍵人員節(jié)點(diǎn)，即設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)人員，4000 余塊3D 打印板的設(shè)計(jì)深化與打印程序僅由2 名設(shè)計(jì)人員在不到2 周時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)完成。程序交付給生產(chǎn)人員后，4 名生產(chǎn)人員控制8 臺(tái)3D 打印機(jī)器人生產(chǎn)完成。整個(gè)流程無(wú)縫銜接且響應(yīng)十分快速，任何從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的相應(yīng)修改可以在一天之內(nèi)完成，并且在第二天就可以提供修改完成后的產(chǎn)品。這種極為高效的設(shè)計(jì)與建造一體化工作流程成為如期完成如此巨大數(shù)量的非標(biāo)預(yù)制構(gòu)件批量定制生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

2.3 建筑機(jī)器人柔性建造裝備平臺(tái)

柔性建造是柔性制造概念在建筑產(chǎn)業(yè)中的延伸，“柔性”概念與建筑產(chǎn)業(yè)的批量定制需求不謀而合。而多年以來(lái)，建筑柔性建造發(fā)展緩慢，核心問(wèn)題在于建筑產(chǎn)品種類繁多，不同建筑項(xiàng)目在產(chǎn)品形式、尺寸、工藝要求方面都有較大的不同，個(gè)性化需求很高，因此一直難有一套較為統(tǒng)一的建造裝備系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)批量定制建造。建筑機(jī)器人的發(fā)展為這一問(wèn)題的解決提供了契機(jī)。

同濟(jì)大學(xué)數(shù)字設(shè)計(jì)研究中心（DDRC）團(tuán)隊(duì)基于多年建筑機(jī)器人裝備的研發(fā)成果，將建筑機(jī)器人柔性建造裝配平臺(tái)分為移動(dòng)機(jī)器人和模塊化工藝包兩個(gè)部分，通過(guò)不同組合方式完成面向“預(yù)制生產(chǎn)”與“現(xiàn)場(chǎng)施工”兩大應(yīng)用場(chǎng)景的建造任務(wù)。移動(dòng)機(jī)器人作為實(shí)施建造工作的主要載體，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景不同的負(fù)載、自重、作業(yè)精度需求進(jìn)行不同的移動(dòng)機(jī)器人規(guī)格選型，具有移動(dòng)定位能力的機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大范圍的施工作業(yè)。模塊化工藝包作為實(shí)現(xiàn)建造工藝的主要工具，針對(duì)不同建造工藝需求進(jìn)行選擇，并配置到移動(dòng)機(jī)器人上，使移動(dòng)機(jī)器人具備特定工藝施工的能力（圖18、19）。

圖18 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的磚構(gòu)機(jī)器人（攝影：周軼凡）

在預(yù)制生產(chǎn)場(chǎng)景下，移動(dòng)機(jī)器人和模塊化工藝包可以根據(jù)不同產(chǎn)品生產(chǎn)需求進(jìn)行快速部署，生產(chǎn)流線和設(shè)備部署不再一成不變的，從而具備了預(yù)制構(gòu)件批量定制生產(chǎn)的能力。在這種高柔性的配置下，預(yù)制生產(chǎn)甚至都將不局限于在傳統(tǒng)的生產(chǎn)車間場(chǎng)地內(nèi)，移動(dòng)建筑機(jī)器人的高機(jī)動(dòng)性使生產(chǎn)場(chǎng)地幾乎可以布置在任何地方。在這樣的技術(shù)基礎(chǔ)上，一種新的“現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制生產(chǎn)”模式產(chǎn)生了?，F(xiàn)場(chǎng)預(yù)制生產(chǎn)模式是基于移動(dòng)建筑機(jī)器人平臺(tái)的高柔性特點(diǎn)，在施工現(xiàn)場(chǎng)快速部署砌一個(gè)小型的預(yù)制生產(chǎn)工廠，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高定制化預(yù)制構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)批量生產(chǎn)，從而大大提升預(yù)制生產(chǎn)的響應(yīng)速度并且降低了運(yùn)輸成本。在江蘇園博園城市展園麗笙酒店項(xiàng)目中，這種生產(chǎn)模式進(jìn)行了實(shí)踐。在距離項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)2km 的地方，設(shè)置了一個(gè)由6 臺(tái)移動(dòng)磚構(gòu)機(jī)器人組成的臨時(shí)預(yù)制磚墻生產(chǎn)工廠。由于移動(dòng)磚構(gòu)機(jī)器人高機(jī)動(dòng)性特點(diǎn)，使得臨時(shí)生產(chǎn)場(chǎng)地的部署非?？?，2 天完成了6 套移動(dòng)磚構(gòu)機(jī)器人的部署，3 天就進(jìn)入了正常生產(chǎn)狀態(tài)。完備的模塊化機(jī)器人磚構(gòu)工藝包使得磚構(gòu)生產(chǎn)工藝部署迅速，與效率保持高效一致，且不會(huì)因?yàn)榕R時(shí)部署的場(chǎng)地而對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量和效率造成影響。由于生產(chǎn)場(chǎng)地和施工場(chǎng)地相距很近，現(xiàn)場(chǎng)任何對(duì)于修改產(chǎn)品的需求和變更都可以得到非常及時(shí)的反饋。可以說(shuō)，“現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制生產(chǎn)”模式在江蘇園博園項(xiàng)目城市展園麗笙酒店的成功應(yīng)用很好地體現(xiàn)了移動(dòng)建筑機(jī)器人柔性建造系統(tǒng)在預(yù)制建造領(lǐng)域所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：在實(shí)現(xiàn)批量定制建造的同時(shí)，還可以帶來(lái)更加高效靈活的生產(chǎn)模式。

3 走向后人文時(shí)代的批量化定制

一直以來(lái)，預(yù)制裝配式建筑技術(shù)的核心議題幾乎都圍繞在建造技術(shù)體系和生產(chǎn)模式本身上，建筑的文化性幾乎是預(yù)制裝配式建筑少有涉及的內(nèi)容。這無(wú)疑是預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展現(xiàn)狀工程化、成本化、定式化的發(fā)展現(xiàn)狀。然而，隨著預(yù)制裝配式建筑和批量定制理念的不斷發(fā)展，批量化定制理念在個(gè)性化與多樣性上得到了雙重解放，讓預(yù)制裝配式建筑實(shí)現(xiàn)了對(duì)于地方性和文化性的全新回應(yīng)。

圖19 桁架機(jī)器人平臺(tái)的木構(gòu)機(jī)器人（攝影：柴華）

圖20 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的幕墻安裝機(jī)器人（攝影：張立名）

一方面，隨著預(yù)制裝配式技術(shù)適應(yīng)性的迅速提升，建筑師在設(shè)計(jì)階段可以在全新技術(shù)載體的基礎(chǔ)上將地方性和文化性提升到全新的建筑本體設(shè)計(jì)的全新高度。建筑機(jī)器人批量定制生產(chǎn)為建筑師的個(gè)性化考量提供了足夠的創(chuàng)作空間。另一方面，更重要的是，新技術(shù)革新帶來(lái)了一些傳統(tǒng)建筑生產(chǎn)模式無(wú)法達(dá)到的建筑空間表達(dá)的可能性。

在傳統(tǒng)材料方面，建筑機(jī)器人對(duì)于磚、石、木等傳統(tǒng)材料工藝的再造賦予了傳統(tǒng)材料新的生命力。機(jī)器學(xué)習(xí)不但可以傳承木工、泥工、瓦工等傳統(tǒng)手藝人的生產(chǎn)手藝；另外，借助新的數(shù)字化設(shè)計(jì)和建造技術(shù)，傳統(tǒng)材料也可以創(chuàng)造全新建筑文化表達(dá)。在新材料方面，建筑機(jī)器人的數(shù)控操作精度和工藝水準(zhǔn)，完全超越了傳統(tǒng)人工，實(shí)現(xiàn)了人類難以大量完成的數(shù)字工藝，如改性塑料3D 打印、纖維編織等等。

基于建筑技術(shù)革新的建筑本體發(fā)展，創(chuàng)造了全新的個(gè)性化與多樣性可能。新的生產(chǎn)體系形成的設(shè)計(jì)與建造一體化流程，形成了建筑師深入地參與建筑生產(chǎn)流程的機(jī)會(huì)。當(dāng)然這也是挑戰(zhàn)，深入到材料、工藝和生產(chǎn)過(guò)程的建筑創(chuàng)作思維，不但可以形成更多的個(gè)性化表達(dá)，也可以讓建筑師完成更深層次的設(shè)計(jì)概念與意圖，比如性能、效率、協(xié)作模式或是綠色低碳等目標(biāo)，這才是全新生產(chǎn)技術(shù)革新帶來(lái)的新生產(chǎn)力[14]。

在后人文時(shí)代，預(yù)制裝配式批量定制建筑生產(chǎn)模式，提供了融合高性能、高效率的高效、節(jié)能、環(huán)保設(shè)計(jì)目標(biāo)的能力，同時(shí)，數(shù)字人文也強(qiáng)烈喚醒了對(duì)于傳統(tǒng)與地方文化的關(guān)聯(lián)性，這或許是技術(shù)產(chǎn)業(yè)革新為社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的最重要意義吧?！?/p>