基于增強現實技術的輔助預制化建筑構件搭建的探索

鄒國強

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海建筑數字建造工程技術研究中心，上海 200092）

0 引言

近年我國勞動力的匱乏使得很多沒有經驗的農民工涌入建筑市場。由于沒有相關經驗，他們在和指導施工的人員進行任務交接時并不能很好地理解工作內容，對整體工程的推進造成了一定的阻礙。并且由于技術創新不夠，建筑在施工過程中造成的很多問題都無法解決，比如材料再利用率低，以及施工過程人力勞動密集等。這三者導致了資源耗費和施工誤差等問題，在這種情況下，自動化和機器人裝配等技術應運而生。事實上，施工前的計算分析有助于減少浪費，機器人的參與可以解放施工過程中的大量人力。然而這些方法還沒有成熟到能夠廣泛應用于實際建筑工程中，因為建筑業是一個傳統產業，以往項目的數據積累不足，所以建筑業作業過程數字化程度較低[2]。也正如Gramazio和Kohler[3]所說：“實際上，沒有一個特定的機器人領域適合用于建筑領域”。工業機器人目前并不適用于建筑領域，因為它們還不夠成熟，無法應用于建筑實踐。

綜上所述，本文提出了一個過渡期的概念，即以人力和人力操控的機器為主的建造時代和完全智能機器化的建造時代中間的過渡期，在此期間人們可以借助可穿戴設備和增強現實技術的指導來建造自己的建筑。

1 預制構件形體設計

該項目是一個面向所有人的預制建筑模塊的架構，即使沒有建筑知識的普通人也可以在增強現實技術的幫助下建造自己的房屋。圖1展示了預制構件的生產運輸和在AR技術輔助的情況下進行建筑裝配的流程。

圖1 預制構件的生產運輸和在AR技術輔助的情況下進行建筑裝配的流程

圖2 不同尺度的預制構件以及其與人體尺度間的關系

該項目的基本構件是一系列不同尺度的帶插槽的平板木板。構件設計的靈感來源于Minecraft，在這個游戲中，玩家將得到100多種不同類型的積木來制作自己的建筑。這預示著，建筑語言的每一部分都可以被具有不同特性的形體簡單地進行重塑。在生產制造環節，建筑構件將由數控技術設備進行預制，因其優勢，這種做法已被許多項目所采用，比如WikihouseRio、 SIM 和 Facit Homes等。首先，預制好的構件便于運輸，同時也減少了施工現場進行材料處理的時間，方便項目快速建設。其次，插槽設計取代釘子作為連接接頭，簡化了施工步驟。另外，我們還將人體尺度作為我們的預制件的考慮設計元素之一，便于使用者進行基本操作。圖2展示了不同尺度的預制構件以及其與人體尺度間的關系。

此外，盡管手動裝配是一種基本而有效的建造策略，但它也會受到人為誤差的影響。在這種情況下，我們在裝配過程中需要一些參照和指導。該項目采用計算方法來生成和優化結構，并使用可穿戴設備來可視化生成過程。人們可以按照可視化引導組裝結構，了解當前的建筑狀態，并基于AR設備的反饋確定下一步的動作步驟。

2 計算機結構生成與優化

計算機在處理數據時比人更高效。相比體系分明的傳統建筑，人們很難著手處理數以千計的建筑預制件。因此，將各種現實條件量化為數據，并利用計算機模擬找出最佳策略。然后在項目中，使用者將通過可穿戴的設備來可視化這個構建過程，從而逐步手動構建出完整的建筑模型。

計算機模擬部分的目的是在有限空間以最少的預制件數量生成一個穩定的結構。首先，我們會在一個給定的空間中放置一些空的空間，然后用算法按照特定的組合規則將預制件填補到剩余的空間，形成一個可以使用的空間結構。這之后結構強度模擬試驗會對結構進行測試。在模擬試驗后的優化過程中，各位置的預制件會重新排列，直到施加在各部件上的力大于其承載極限的70%。上述要求都被滿足后，我們就得到了理想的模型。這樣一個模型生成和優化的過程如圖3所示。

圖3 虛擬的建筑搭建過程以及基于機構優化目的的力學測試過程圖

3 建造策略

該項目選擇手工裝配作為施工策略。選用該策略的原因是：首先，與國外高人工費、高成本的機器人搭建相比，我國手工裝配顯然是更為經濟的選擇；其次，高科技對用戶的專業技能有著更高的要求，會限制受眾人群，相比普通人操作，復雜的機器人裝配策略更適合行業專家；自動化和機器人裝配技術的不成熟也是我們選用手工搭建的原因。以Wikihouse為例，Wikihouse是一個開源的建筑項目，使用者可以在Wikihouse的網站上下載建筑模型以及構成該模型所需的預制件參數，然后在當地的工廠把預制件加工出來，再在基底上進行建造[4]，這是一個實驗性的項目，有一定的缺陷，但也是一個具有潛力的項目，該項目在世界各地已經實踐了450多個。在Wikihouse這個項目中人們手動建造自己的房屋，這展示了手工裝配的潛力，可見這種傳統的建筑方法依然很受歡迎。

4 增強現實可視化引導

由于該項目旨在面向沒有建筑基礎的廣大人群，因此，在確定了搭建方式之后，還需要一種視覺引導技術在施工過程中為用戶提供指導。該項目選擇了增強現實技術。事實上，增強現實技術在許多領域都得到了廣泛的應用，而我們之所以不使用其他類似的技術，比如虛擬現實，是因為虛擬現實提供給人們的是完全由計算機生成的內容創造的沉浸式體驗。虛擬現實的產品可以是預先設置好的，并不能對外界的變化做出反饋。然而，施工是一個動態的過程，在整個過程中需要不斷地調整。

該項目在進行裝配過程中，只需遵循可穿戴設備的視覺引導，用預制件逐層手動地搭建出計算機優化好的結構即可。用戶能夠通過可穿戴AR設備看到虛擬的三維結構，因此這些視覺引導比圖紙更直觀、更便于理解（圖4）。

圖4 人機交互界面展示

5 結語

該項目的建造策略運用在建設小型住宅上具有明顯優勢。首先，廉價材料和自組裝策略的運用能夠減小資本對建筑業的干預。其次，預制件能夠減少施工時間和減小施工作業時產生的污染，另外直觀的視覺引導對沒有任何建筑知識的人來說也都容易理解。該項目如果能應用在真實項目中，將會在很多方面產生重大影響。以公眾影響為例，這個建造策略可以提供人們負擔得起的房子，并幫助人們在建筑市場中轉換角色，自行組裝自己的建筑，從消費者變成生產者。同時，該項目在救災方面也可以做出貢獻。預制化的組件能夠方便運輸，特別是在交通條件惡劣的偏遠地區。最后，預制件也能被拆下再利用。

有些人會質疑建筑業完全自動化前過渡策略的必要性。事實上，在機器人工業發展形勢大好的背景下，相當一部分人對自動化和機器人在建筑領域的應用持樂觀態度。一些人甚至相信在十年內建筑行業就能實現全自動化。然而，有一件事是不容忽視的，那就是早在20世紀70年代，數字技術就已經在測試，而事實是自動化策略仍在實驗室中進行測試。有人說我們現在在完全自動化的時代到來之前的黎明前期，但是這一階段會持續多久沒人知道。因此，在建筑行業的自動化水平處在起步階段時，該項目將傳統手工技法與自組裝、計算模擬和增強現實等概念和技術進行結合，是比較踏實和有利于推動建筑行業內部的革新和進步的。