機器人木構工藝*

袁 烽 柴 華

設計結合建造

機器人木構工藝*

袁 烽 柴 華

木材作為一種天然可再生的綠色建材，在未來建筑產業化發展中具有極大潛力。隨著膠合木等生產技術的迅速提升，木材已成為一種大尺度、低質強比的高性能材料。隨著數字化設計與建造技術的快速發展以及新興數字木構工藝的創新與提升，現代木結構產業升級已經找到了重要的支撐。數字木構以數字化結構性能找形技術為基礎，充分利用機器人精確高效的加工能力，使復雜木構件的大批量定制生產成為可能。江蘇省園藝博覽會現代木結構主題館項目將結構找形與機器人建造技術相結合，同時通過結構性能優化以及參數化幾何優化技術，實現了從設計、預制到現場監測、快速營造的全新的一體化數字建筑工藝。蘇州木結構主題館是機器人木構產業化的一次成功嘗試。

機器人建造；木構工藝；結構性能

0 引 言

木材是最古老的建筑材料之一，“建構”（tectonics）一詞源于古希臘文tecton，意為木匠（carpenter）或建造者。建構作為一種對建造過程的詩意表達，從根源上與木構息息相關。20世紀以來的100多年時間里，木材的生產技術、技工技術和建筑設計方法發生了劇烈變化，尤其在最近10年間，數字化設計技術和建造方法為木材打開了一種新的數字建構的可能[1]。近年來，建筑教育與研究領域紛紛將目光投向新興機器人建造技術與傳統木材的結合，建筑聯盟學院（AA School of Architecture）、蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）、德國斯圖加特大學計算設計研究所（ICD，University of Stuttgart）等機構已經在該領域取得了令人矚目的研究成果。本文以蘇州木結構主題館為例，旨在探討一種整合了現代木材、數字設計技術和機器人建造工藝的機器人木構新工藝的可能性。

1 機器人木構工藝

隨著全球木材資源的可持續供給和現代木結構技術的發展，木結構建筑在世界范圍內日益普及。現代木結構在綠色環保、保溫節能、結構抗震等方面表現出卓越的性能。在發達國家，70%的住房為木結構建筑。隨著現代木結構對產業化升級的迫切需求，傳統機械化加工技術難以實現現代木構建造所需的生產力水平。建立在數字化設計與建造技術基礎上的新興數字木構工藝成為現代木結構產業升級的重要支撐[2]。一個世紀以來，木材材料性能、木材加工工具和設計方法的快速演進為機器人木構工藝的出現提供了強大動力。

1.1 木材材料性能

與大多數人工建材相比，木材作為一種天然可再生的綠色建材，在生態節能方面具有重大優勢。就材料本身而言，現代化木材生產技術解決了天然木材的多種缺陷（節疤、非均質、尺度受限、易腐蝕等），使木材成為一種大尺度、高強度、低質強比、均質屬性的材料。就施工而言，木材在加工、改造、運輸和建造方面具有明顯優勢，木結構不僅適用于建造低層、多層住宅，同時可以與混凝土和鋼結構組成鋼木混合結構。近年來，現代膠合木材的發展使木材的材料尺度不斷增大，膠合木等工程木產品開始被廣泛應用于大跨度建筑中。木構在建筑領域具有廣闊的應用前景。

1.2 木材加工工藝

木材加工工藝決定了木結構的獨特建構方式。木材加工工具的發展經歷了從傳統手工工具、機械化工具到數字工具（信息化工具）的演化。在手工工具時代，傳統木工通過手工劃線，用斧鋸刨鑿等工具完成整個建造過程，設計、加工和材料通過傳統匠人的手和工具成為一個統一的整體。木結構是中國傳統建筑的主要形式，中國傳統木構技術的精美與技藝的高超曾遠遠領先于其他文明。進入工業時代以后，機械化的木材加工要求木構件以標準化方式進行生產。生產的標準化也對木材的均質性提出了要求，促成了膠合木材生產技術的出現。標準化的弊端在于其要求建造的便利性，因此傳統木工加工的節點方式被螺栓、釘子的連接方式取代，木材成為一種標準化建造材料。與機械時代的標準化相比，數字時代的特征在于定制化和個性化，信息的數字化是數字加工工具優于其他時期工具的重要突破。在手工時代，信息掌握在匠人手中；在機械化時代，雖然工具轉為機器，但仍是人在操控機器，信息仍然掌握在技術工人手中。在數字時代，信息能夠直接通過設計和代碼傳輸給加工工具（CNC，機器人），非標準化的序列生產和建造能夠被經濟地完成，這為數字木構的實現提供了支持。

1.3 性能化生形設計

長期以來，材料性能在建筑設計的形式生成中一直是被忽略的一環。手工工具時期，材料的性能經由匠人千百年薪火相傳的建造經驗轉移到建筑形式中。現代木材的結構性能、加工局限和建造方式為木構的性能化設計帶來了全新可能。新興的性能化生形設計方法能夠通過算法整合建造材料、結構和形式，在這一過程中，材料屬性和性能分析不僅僅是后合理化的工具，亦可以在設計初期驅動建筑設計[3]。同時，數字化設計方式和數字加工工具擺脫了機械化標準生產的局限，數字建造工具能夠以定制生產模式經濟地完成傳統節點的加工，性能模擬工具允許對節點連接的傳力機制和性能進行模擬。在這一層面上，性能化設計方法將材料、傳統工藝、性能模擬、數字設計、數字建造整合為一體[4]。

2 基于結構性能的機器人木構工藝——現代木結構主題館的實踐

江蘇省園藝博覽會現代木結構主題館的設計與建造是對機器人木構工藝的一次嘗試。項目以自由網殼結構的找形為基礎，基于木材的結構性能，對結構形式進行了多維度的模擬和優化，并通過節點試驗對構件的連接方式進行了設計和優化。項目以工廠預制與機器人建造相結合的方式實現了構件的數字化加工。在設計過程中，項目以一種基于參數的幾何系統對設計與建造信息進行了整合。

2.1 結構性能找形與優化

在工程領域，網殼結構一直是一種復雜的結構系統[5]。不同于混凝土或鋼結構可以采用預制的模版塑形，木材的加工牽涉到復雜的銑削和開孔等減材操作，為木節點的實現帶來了一系列困難[6]。在木網殼結構中，宏觀的高性能網殼形式和內部節點系統的簡化與加工往往是兩個相互矛盾的目標。幾何優化所追求的統一的應力分布往往會形成一個自由雙曲面的殼體形，這種曲面和構件的雙曲形式無疑為機械化標準生產帶來了極大挑戰。同時建筑實踐不同于小尺度裝置建造，木網殼結構的建筑設計和建造都要求更加成熟。建筑不僅需要均勻的重力分配，同時還需要足夠的結構強度來抵御風和地震等活荷載[7]。因此現代木結構主題館的結構性能設計采用了一種多目標參數的結構設計方法。

圖1 結構性能化找形過程Fig.1 structure performance-based form-finding process

依據基地的邊界條件，本項目運用結構性能找形工具Rhinovault[8]得到一個由6個不同標高點邊界支點和一個內部支點共同支撐的自由曲面殼體結構（圖1）。之后，設計以交叉網殼的結構形式對初始曲面進行了結構轉譯，自由曲面被兩個方向軸線組成的斜交網格重新擬合（圖2）。網殼結構邊緣被一根連續邊拱限定。之后項目采用空間結構優化軟件，對網格密度、方向和形態進行了優化設計。由于邊拱抗傾覆能力較差，網殼結構的網格被分為主次兩個方向。主梁方向的構件采用通長連續曲梁，次梁方向的構件采用短直梁連接相鄰兩榀主梁。這種做法一方面增加了整體穩定性，同時也簡化了構件數量和節點復雜度。主梁和次梁均為矩形截面，主梁垂直于地面布置，次梁隨屋頂形態法線變化。

圖2 以網殼結構重新擬合自由曲面Fig.2 latticed shell structure rematched free-form surface

如果說壓力決定了殼體結構的形式，那么其他各種受力環境的綜合將決定殼體結構的材料厚度[9]。結構采用層板膠合木為主要材料。層板膠合木（簡稱膠合木）運用指接和膠接技術，將小截面的木層板膠合制作成大截面的構件。Rhinovault作為一種純壓力結構找形工具，僅考慮壓力作用下的靜態平衡，而不考慮結構的失穩、屈曲、剪切等受力狀況[10]。后續的結構優化過程通過材料性能的非線性結構模擬確定了構件的截面尺寸。主梁最終采用500 mm×250 mm的截面，次梁則采用450 mm×250 mm的截面。

2.2 膠合木結構連接節點研究

空間木結構的相交桿件數量多，節點連接體系是空間結構最重要的組成部分。項目在結構性能找形與優化的基礎上，對不同節點的力學性能進行了數字模擬和物理實驗，尋找合適的節點系統。木結構相比于鋼結構，由于材料不可焊接，節點只能做成鉸接或半剛接，對于網殼結構來說，節點剛度又直接影響了整體的穩定性，因此選擇合理的體系及一定的節點剛度來滿足整體穩定要求是研究的重點。

2.2.1 連接體系設計

由于結構設計采用了單向連續（主梁方向）的網殼結構體系，因此結構連接是一種單向連續單向半剛接的體系。結構連接體系的設計以完全剛接的雙向剛接體系為參照，通過單向連續、單向半剛接的結構體系與完全剛接的結構體系的對比，選取合理的結構連接體系和節點剛度。由于是空間結構，分析采用非線性計算，使結構更加真實地反映實際的效應。分析顯示，兩種體系的桿件軸力比較接近，說明結構體的殼體效應比較明顯，桿件以軸力為主（圖3）。兩種體系的變形在大部分區域比較接近，但是在部分拱腳區域，由于梁架走向與殼體跨度方向存在20°左右的夾角，而這個方向梁本身相對平坦，拱殼效應相對弱，因此雙向剛接體系對于整體變形控制比較有利（圖4）。因此對于單向連續體系來說，需要選擇合理的節點剛度，把變形控制在設計允許的范圍之內。要達到規范要求的穩定性，需要500 kNm/rad以上的節點剛度，設計采用節點剛度為850 kNm/rad的單向連續半剛性節點，模擬結果顯示，在850 kNm/rad的節點剛度下，結構的穩定系數大于規范要求值（圖5）。

2.2.2 節點原型實驗與性能研究

在空間木結構中，節點類型主要有三種：螺栓板節點，主要用于球面網殼結構；疊合節點，與腳手架的節點類似，通過螺栓將相交構件串聯起來，或通過卡具將構件夾緊；植筋節點配合螺栓球節點，與空間鋼結構螺栓球節點類似，不同之處在于將傳統的錐頭端板與鋼桿件相焊接的方式改為通過植筋方式與木構件相連，主要用于桁架結構體系[11]。

在這三種節點類型中，螺栓板節點剛度較低，但是節點重量也較輕；植筋節點能夠增加節點深度；螺栓板節點與植筋節點的結合能夠大大增加結構剛度，但是這種混合節點的節點重量會大大增加。因此，在穩定性允許的情況下，需要根據結構分析混合排布兩種節點。本項目中的主要節點形式為螺栓板節點與植筋節點的混合節點，主梁上的T形鋼板通過高強度螺栓固定在主梁上，次梁上的T形鋼板用植筋固定，二者之間采用高強度螺栓連接。在節點剛度較低的位置，低剛度的螺栓板能夠有效地滿足結構穩定性要求，同時減輕了結構重量（圖6）。

原型設計完成后，節點進入結構實驗室進行1∶1的剛度試驗（圖7）。在節點部位放置五個位移計，測定節點在5～50 kN壓力下的變形量，根據變形量計算出節點剛度。通過對節點數據的對比分析（表1），設計師對節點設計進行了多項改進，包括植筋深度、螺栓板尺寸等。實驗結果顯示，優化后的節點剛度在1 500 kNm/rad以上，大于設計值850 kNm/rad，確保了結構有一定的安全冗余度。除節點剛度實驗外，項目過程中還對其他各個環節進行了實驗，比如膠合層板的檢測、含水率的控制、涂料耐久性實驗等，保證了材料和結構的安全性和穩定性。

圖4 單向連續單向半剛接節點（a）與雙向剛接節點（b）變形比較Fig.4 transformation comparison of one-way continuous one-way semirigid joint (a) and two-way rigid joint (b)

圖5 a點為單向連續單向鉸接節點；b點為實際設計采用的單項連續單向部分半剛性節；c點為雙向剛接節點Fig.5 a. one-way continuous one-way hinged joint; b. one-way continuous one-way semi-grid joint adopted in real design; c. two-way rigid joint

2.3 基于節點原型的建筑幾何系統

建筑幾何系統是一種信息整合與傳輸的系統，節點原型、建筑信息、建造方式以信息的形式在數字設計過程中被整合，并傳輸到數字建造過程中。在本項目中，從數字生形到數字建模、數字建造的過程利用數字化工具被整合在同一個數字信息流之中。

項目的建筑幾何信息系統主要包括3個方面的信息，首先是原始模型，即結構優化后的建筑基礎模型，作為節點設計和加工的基礎；其次是建筑幾何信息模型，用于存儲主要構件的相互關系和連接方式，隨后的建造方式、加工路徑都在這一模型的基礎上完成；最后是構件的加工信息，是建筑幾何模型與不同構件加工方式的疊加。在建筑幾何信息系統中，構件的尺寸信息被轉化為參數化關系信息，例如在節點模型中，節點原型通過Grasshopper編程被數字化為主梁、次梁與五金件之間的相對位置關系，主梁螺栓板始終平行于主梁側邊，螺栓垂直于主梁，次梁植筋始終垂直于次梁截面，植入深度為400 mm。程序以主次梁原始構件為參數輸入，依據特定的條件自動生成特定位置的節點模型。

建筑幾何系統控制3個方面加工信息的輸出，包括主梁、次梁和五金件，構件加工信息的輸出方式取決于特定構件的加工方式。例如，節點中五金件的加工采用工廠預制的方式，則幾何信息以加工圖紙的形式輸出到工廠。由于構件的特異性和復雜性，為了適應五金件供應商的機械化加工方式，五金件加工圖重新定義了三視圖的工作平面，分別以組成T形螺栓板的兩個面板為工作平面獲取正投影，使工人可以方便地獲取兩塊面板的形式和連接角度。正是這種從幾何系統到建筑方法的靈活輸出方式使大批量特異五金件的加工得以順利完成（圖8）。

2.4 數字建造過程

圖6 節點：螺栓板植筋混合節點（a）；螺栓板節點（b）Fig.6 joint: bolt board and plated bar mixed joint (a); bolt board joint (b)

自由曲面的結構形式對構件的加工提出了非常高的要求。以主梁為例，整個項目所需要的膠合木形式、尺寸、孔位都不相同，但節點的加工精度必須控制在±2 mm以內，因此木梁加工采用數字建造的方式輔助進行，以保證所有構件的精度。根據實際的加工局限，木構件的數字建造方式分為兩種，大型構件——主梁在工廠中完成整體成形和節點預制；短梁以機器人建造的方式實現。

圖7 節點實驗Fig.7 the joint experiment

表1 節點實驗數據Tab.1 experimental data of joints

圖8 建筑幾何信息系統Fig.8 building geometrical information system

2.4.1 大型構件的工業化預制

因膠合設備的尺寸局限，大型曲梁采用CNC輔助定位的方式進行膠合和加工。在此過程中，建筑信息（包括開槽和打孔信息）首先通過代碼傳輸給CNC，加工成曲梁膠合模版，用于指導膠合過程和人工加工過程的定位。在工廠以大型鋼板為底座，采用可靈活移動的鋼架進行定位，通過人工加壓實現大型曲梁構件的整體成形。鋼架等膠合設施可重復利用，有效節約了成本。膠合完成后，工人直接根據模版的定位信息開槽或打孔，保證了加工精度。雖然大型曲梁只能在工廠里人工完成，但是數字模型中的加工信息通過模版有效傳輸給了加工工人，實現了數字信息的間接傳輸（圖9）。

2.4.2 機器人定制化加工

大批量的次梁構件是主要的加工難度所在。項目采用六軸機器人來實現數字模型與建造之間的連接。機器人建造過程的設計與加工工具的工作空間、加工范圍直接相關。機器人配備了一臺18 000 rmp的主軸電機，通過轉換工具頭（銑刀）能夠完成所有次梁開孔的加工。Grasshopper插件kukaprc①順利將建筑模型轉化為加工代碼，同時通過過程模擬保證機器人加工過程的順利。對同一個節點，機器人需要一系列加工路徑，首先需要制定木料粗加工的路徑，從一根完整木料中銑削出需要的大體形式；其后，一些細節如螺栓孔、開槽等需要額外的加工路徑來實現。加工過程和銑刀圓形刀頭實際上對節點的設計形式產生了一定的反饋，主要體現為節點轉角位置的圓角化。機器人模擬過程一方面保證建造的順利進行，同時能夠直接生成機器代碼，輸出給機器人進行實際加工。除了建筑幾何信息之外，這一過程無需其他幾何信息的輔助。機器人大批量定制的加工方式有效保證了大批量構件的順利完成，不僅提高了加工精度，同時也有效減少了加工時間和成本（圖10-12）。

圖9 工廠預制Fig.9 prefabrication

圖10 機器人加工模擬Fig.10 robot processing simulation

2.5 現場裝配

木結構構件、五金件在工廠中預制，五金件植筋等工作也在工廠中預先完成，因此現場施工中只需要將木梁安裝到位，這大大縮短了木結構的現場裝配時間，使木結構的現場施工只花費了一個月的時間。施工過程是一個數字化的過程，復雜的空間形式要求定位非常精確。安裝之初，主次梁和五金件根據網殼軸線進行了精確編碼。整個施工過程中設置了200多個測量控制點，全程采用全站儀跟蹤測量定位。交界面通過全站儀生成數據，返回軟件實時更新模型和構件加工圖，以此吸收各施工階段產生的累積誤差。根據殼體的結構特點，施工過程中搭設了滿堂腳手架體系和操作平臺，同時保證主次梁在3個方向上的微調。智能化、數據化的技術應用確保了項目的順利完成（圖13-14）。

園博會現代木結構主題館最終完成面積約2 000 m2，最大跨度達40 m。木網殼結構體系包含27根長曲梁、184根短梁和368個鋼節點，其中沒有兩個組件是完全相同的。通過幾何系統控制的結構主體的加工和組裝僅耗時4個月，保證了園博會展覽的順利進行（圖15）。

3 結 論

蘇州園博會現代木結構主題館的順利完成可以看作是機器人木構工藝在建造能力和效率方面的有力證明。項目將數字設計與機器人建造技術應用到大尺度建筑建造中，使建筑的各項規范要求，如抗震性能、耐火性等，能夠在同一個系統中平衡和實現。項目設計過程中，結構模擬和實驗不再僅僅是一種分析工具，而且成為了建筑形式和節點系統設計的驅動因素。作為新興建造工藝的一次嘗試，木結構主題館的數字設計與建造過程應該被看作一個形式與功能、結構與建構的權衡過程，這一研究也反映出當下木材的數字設計與建造工藝在大尺度建筑建造中所面臨的挑戰。

綜上所述，機器人木構工藝系統通過一個基于結構性能的幾何系統將多目標結構分析、數字化設計以及機器人建造技術整合為了一個整體。在現代木結構產業不斷快速發展的大背景下，機器人木構工藝能夠作為一種強大的技術支撐，為現代木結構的發展帶來源源不斷的創新動力。

圖11 機器人加工工具路徑Fig.11 robot processing instrument route

圖12 機器人建造過程Fig.12 robot constructing process

注釋：

① kukaprc是建筑機器人協會開發的參數化機器人控制工具，能夠在數字建模環境下實現對工業機器人的直接控制。

圖13 現場定位系統Fig.13 site positioning system

圖14 現場搭建過程Fig.14 site constructing process

圖15 室內建造過程Fig.15 indoor construction process

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圖表來源：

圖1-2，6-15：作者拍攝繪制

圖3-5：蘇州昆侖綠建木結構科技股份有限公司提供

表1：蘇州昆侖綠建木結構科技股份有限公司提供

Robot Wooden Structure Technology

Philip F. YUAN, CHAI Hua

As a natural renewable green building material, wood has great potential in the future architectural industrialization. Along with the enhancement of laminated wood and other production techniques, wood has become a large-scale high performance material. Modern wooden structure industry has found great support owing to the development of digital design and construction technology and the innovation of newly-developed wooden structure technology. Based on digitalized structural performance form-finding techniques, digital wooden structure utilizes the precise and effi cient processing technology of robots to make the mass production of customized complex wooden components possible. The modern wooden structure theme pavilion of Jiangsu Horticultural Exposition combines form-fi nding technique with robot building technique to realize the new integrated digital technology from design, prefabrication to field monitoring and quick construction, through structural performance optimization and parameterized geometry optimization technology. Suzhou wooden structure theme pavilion is a successful attempt in robot wooden structure industrialization.

Robotic Fabrication; Wood Tectonics; Structural Performance

TU237

B

2095-6304（2016）06-0001-07

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160601

2016-10-15

（編輯：鄭曦）

* “綠色施工與智慧建造關鍵技術”國家重點研發計劃資助項目（2016YFC0702100）；“國家自然科學基金”資助項目（51578378）；“中德科學基金（國家自然科學基金委NSFC和德國科學基金會DFG）”合作資助項目（GZ1162）；“上海市數字建造工程研究中心”重點研發基金資助項目；“上海市科學技術委員會科研計劃”資助項目（16dz1206502）

袁 烽： 同濟大學建筑與城市規劃學院，教授，博士生導師，philipyuan007@tongji.edu.cn

柴 華： 同濟大學建筑與城市規劃學院，碩士研究生

袁烽, 柴華. 機器人木構工藝[J]. 西部人居環境學刊, 2016, 31(06): 1-7.