數字裝配
——上海西岸人工智能峰會B 館中的范式轉向

袁烽 羅又源

同濟大學建筑與城市規劃學院

基礎技術與工藝的跨越大大推動了建筑業的發展，這一趨勢自20世紀以來尤為突出。第二次工業革命帶來了批量化的新材料，開啟了建筑學的現代主義思潮；第三次科技革命引入了信息的維度，數字建筑學應運而生。建筑學一直在追趕科技發展的脈絡，然而隨著以數字技術為代表的前沿技術快速迭代，建筑業相較于主流制造業，在工業化、智能化水平上仍有不小的落后，粗放、低效與經驗化的建造生產模式仍然是行業主流。

因此，新型建筑工業化是當下推動產業變革的重要著力點，以數字技術為依托，借助人機協作梳理從設計到建造的全流程，重塑產業分工，進而形成以數字裝配為核心的生產范式。上海西岸人工智能峰會B館即是對這一范式轉向的有力嘗試，在極短的工期內，建筑師打破了常規會展建筑的設計與建造方式，運用建筑機器人預制裝配技術，高質量地完成了整個項目（圖1）。

1 設計可視化

上海西岸人工智能峰會B館（以下簡稱“人工智能峰會B館”）是2018世界人工智能大會的主會館之一，坐落于上海西岸濱江地區。歷經多年的改造營建，西岸形成了平實素樸的公共藝術建筑群和簡潔典雅的空間氛圍。由此，人工智能峰會B館采用了三個長方形體量作為主要空間，在滿足展覽會議功能的同時，具有多樣性和通用性。三個主要體量進一步旋轉拼接，呼應城市肌理，又順勢產生了兩個三角形的半開放公共空間。由于種種因素，這五個大跨空間的設計與建造需在100多天的時間里完成，極短的工期驅使創作團隊探索通過數字可視化技術實現對設計建造全流程的快速把控（圖2）。

所謂“可視化”，即溝通虛擬化設計和物質化建造之間的信息媒介[1]。本項目中，建筑師基于Rhino-Grasshopper平臺，將方案的形式、結構、構件加工、建造方式等諸多信息集成并以三維形體呈現，總攬設計、模擬、優化與建造的所有環節，進而實現了對建造進度與質量的管理。三維模型取代二維圖紙和文字，成為溝通各方各環節的信息載體，規避了傳統產業中建筑、結構、施工多單位反復溝通協調的時間成本，并可作為最終建造過程中細化到每一個構件的加工安裝指南。如果把設計本身理解為通過不斷的迭代來探索最終結果的過程，“可視化”大大增加了迭代數量，提升了設計的創造力[2]。

人工智能峰會B館采用了輕量裝配式體系，其中兩個三角空間使用鋼木復合網殼結構，營造輕盈通透的空間意象。然而，網殼結構雙曲面的幾何形式給設計工作帶來了難度：一方面，建筑師需要與結構工程師合作，保證網殼的力學性能；另一方面，要兼顧形式邏輯，考慮構件的可建造性。對此，設計團隊借助Grasshopper平臺中的Kangaroo插件對網殼進行結構性能化生形，輸入幾何邊界條件、材料性能即可快速得到多組可能的“解”。建筑師再進一步根據網殼形態、構件布線和支撐條件進行比選，歷經多次優化迭代，確定了網殼與豎向支座分離的結構方案。此過程中，原本難以捉摸的結構數據被數字工具轉化為可見可感的具體形式，由此建筑師可以在設計中直接對結構體系進行深入的探討和推敲，從而達到結構性能最優與空間形態協調。

1 鳥瞰

2 總平面圖

可視化的設計亦讓構件的生產建造在設計中變得可控。本項目中，網殼結構的一大難點是如何克服水平方向的側推力，一般而言可以通過添加斜撐和弦支拱殼的方式加以解決。但為了得到輕盈漂浮的屋面效果，設計團隊采用了外圍桁架加水平拉索的形式，利用鋼木兩種材料的差異化力學性能和良好的互通性作為不同的構件部分，形成了由外圍圈梁、雙向交叉構件、三向交叉構件、拉索組成的結構體系。整個體系主次分明、邏輯清晰，展現了明確的空間層次。針對這一復雜的鋼木復合結構體系，建筑師在設計過程中根據木構件加工要求在三維模型中實時調整，并結合結構運算插件校核，從而保證所有異形木梁均能由機器人切割成形（圖3，4）。

2 生產前置化

裝配式建筑的一大典型特征是構件的標準化、預制化生產[3]。不同于傳統建筑業中在施工現場直接建造，裝配式建筑的構件往往來自預制化工廠的批量化、標準化生產，其生產過程出現了前移，由此大大減小了現場建造的工作量，提升了構件的加工精度。為了盡可能節約時間，西岸人工智能峰會B館的三個主空間采用了瑞德爾裝配式展覽建筑篷房體系。工廠預制的鋁合金單榀排架，經過施工現場數日的整體機械吊裝，完成了跨度30～40m、邊高7.2～8.4m的三個坡頂帳篷的主體施工。此外，十字鋼龍骨與聚碳酸酯板結合的半隱框幕墻等外圍護體系同樣也實現了快速預制建造（圖5）。

數字裝配運用了大量計算性設計工具和建筑機器人，使得裝配式建筑生產過程前置的趨勢更加顯著。事實上，建造過程可以和設計過程同時展開，設計即數字虛擬空間中的建造模擬。建筑師設計得到的所有構件均可以導出為建筑機器人的加工文件，并利用Grasshopper與Kukaprc、FURobot等機器人插件模擬加工，進行實際的測試生產。建造過程在設計之初就能夠得到精確的規劃和預測，一方面，西岸人工智能峰會B館中所有木梁的銑削開孔、鋼桁架、鋼梁和鋼柱的切割，其對應的機器人加工指令都能夠由設計成果直接產生，建筑師在數字模型中的設計對應了建筑機器人的預制生產流程，協助設計團隊理順方案的建造邏輯；另一方面，設計模型最終被用于指導鋼木網殼的現場裝配工作，施工團隊搭設了滿堂腳手架作為操作平臺和定位基準網格，使用全站儀將模型中的控制點在現場放樣，有效保證了安裝精度和施工效率。

生產過程的前置化推動了裝配式建筑的定制化。裝配式建筑使用的往往是可進行批量化生產的標準化構件，大大限制了設計對差異性的需求。特別是對于性能化設計而言，其中通常存在大量的非線性、非標化構件，傳統加工方式難以制造，亦與裝配式建筑批量化、工業化要求相悖。而基于建筑機器人的智能建造技術解決了這一難題，拓寬了設計的可能性。西岸人工智能峰會B館雙曲面屋面存在大量的異形木梁、木墊片、鋼梁及節點，但編寫的Grasshopper程序仍然可以高效地將各類構件的信息同步。562個非標木梁的梁頭尺寸和相應的開孔信息能夠隨設計迭代快速實時更新，建筑機器人數字工廠也能根據自動生成的加工文件快速預制差異化構件，既滿足了工業生產的批量化需求，又應對了結構性能最優的定制化要求（圖6，7）。

3 人機孿生化

3 鋼木復合曲面網殼

4 曲面網殼與排架篷房結構設計

5 篷房單榀排架單元吊裝

數字裝配的生產范式使建筑師得以在建造領域重新占據主導地位。自從阿爾伯蒂在《建筑十書》中將建筑師（Draftsman）與工匠（Craftsman）區分開以后[4]，設計與生產已經分離了數百年。而當代的數字工具與建筑機器人又再次賦予了建筑師自行建造的能力，重塑了產業的分工體系。機器不僅僅是工具，而是作為與建筑師孿生的創作主體，其數據采集能力延伸了建筑師的感知，其分析計算能力增強了建筑師的智慧，其精準加工能力強化了建筑師的技藝。

如前文所述，在西岸人工智能峰會B館的設計建造中，Grasshopper的結構運算插件使得建筑師能夠從事結構性能的模擬與優化，FURobot等機器人插件也讓建筑師可以管控大部分構件的預制化生產。機器賦予了建筑師前所未有的能力，也悄然地塑造了新的創作與生產模式。在項目的鋼木復合網殼結構深化過程中，建筑師采用了以佐林格（Friedrich Zollinger）屋面為原型的互承式構件交錯布置方案。在以往的實踐中，佐林格屋面體系往往只適用于球面殼體或柱面殼體，但建筑師通過在Grasshopper中編寫擬合算法程序，計算機能夠快速地將佐林格屋面映射到設計的自由曲面上。建筑師向機器提供相應的算法和目標，機器則為建筑師求解可行的結果，人機孿生協同，解決了長久以來建筑師面臨的難題——用0.5m高的木梁創造出最大跨度達40m的空間。

西岸人工智能峰會B館中3D打印咖啡亭更全面地展現了人機孿生共造的潛力。在給定的范圍內，設計團隊從行為性能化、結構性能化出發進行算法生形，并使用拓撲優化工具減輕結構自重、減少材料耗費，得到了極具空間表現力的形式。隨后，團隊開發的3D打印路徑生成和優化程序將設計的三維模型轉化為用于生產的機器人打印路徑文件，并由空間打印機器人在3周的時間內完成構件的制作。整個過程均由建筑師和機器人負責，人機孿生體已然具備建筑業全生產流程的能力（圖8）。

4 展望數字裝配

數字裝配是新型建筑工業化的核心內容之一，它不僅以數據為載體連接了產業的各個生產環節，構建了一條從設計到建造的工業化流水線，更極大地拓展了創作主體的思辨與制造能力，滿足了以性能化設計為代表的定制化、差異化需求。

上海西岸人工智能峰會B館的實踐集中體現了以數字裝配為核心的建筑業生產范式轉向。在短短的100多天時間里，創作團隊完成了8 000多平方米建筑的裝配式建造，展示了新型工業化生產的價值。在本項目中，機器與建筑師耦合孿生的新創作主體開始掌控建筑生產全流程，借助數據可視革新工作機制，以優化迭代、螺旋上升的三維體系取代設計—建造的線性結構；依托機器加工轉變產業模式，以設計模擬、工廠預制、現場裝配的集成架構取代當下粗放松散的建造流程。可以預見的是，這一趨勢必將隨著建筑師對數字技術的不斷學習和機器的進一步迭代而日益顯著。

20世紀60年代，Bernard Rudofsky提出了“沒有建筑師的建筑”這一概念[5]。在今天看來，數字裝配的發展將顯著降低設計與建造的專業門檻。未來沒有受過專業訓練的大眾甚至也可借此參與建筑的生產體系，勾勒出更為激進的去中心化社會生產的建造范式。

6 木構機器人加工異形木梁

7 屋面木梁預裝配

8 空間打印咖啡亭

圖片來源

圖1，3，8 由田方方拍攝；圖2，5，7 由西岸集團提供；其余圖片由作者自繪或自攝。