走向智能機器人力設計建造新時代

徐衛(wèi)國

1 重返“人力”生產制造方式

“設計”成為獨立的行業(yè)是現代社會生產組織形式的表現，工業(yè)革命導致大規(guī)模社會化大生產，同時也帶來行業(yè)的細分，生活必需品的生產制造也失去了手工作坊的工匠勞作模式。如集“量體—打樣—制作”為一體的裁縫制衣，變成了“服裝設計—批量加工”的服裝生產方式；“根據需求—就地取材—特色木工細活”的家具制作過程，變成了“家具設計—部件批量制造—集合裝配”的家具生產工業(yè)；“因地制宜—因材就用—工匠砌筑—自然裝飾”的自主建房途徑，變成了“專業(yè)建筑師設計—工廠構件加工—施工隊現場施工”的大規(guī)模房屋建造工業(yè)[1-2]。

現代社會生產組織模式帶來了巨量能耗、環(huán)境污染、生態(tài)破壞、不可持續(xù)等問題，使得人類如今渴望回歸之前生態(tài)低碳的生產生活狀態(tài)。新科學、新技術的突飛猛進正在推動人類步入以信息為基礎的智能社會，智能技術將使人類重返通過“人力”來滿足生產生活需求的社會，當然，這個“人力”是機器人的力量。智能系統(tǒng)及智能機器將徹底解放人類，它們將替代人類進行高效節(jié)能、精致高質、低碳環(huán)保的生產制造，人們又可以回到生態(tài)低碳的慢生活境地。這樣，社會生產及社會生活將徹底結束高排放、高能耗的現代工業(yè)時代。

2 智能機器人力設計建造

建筑設計行業(yè)也是大規(guī)模社會化生產分工合作的產物，隨著智能化信息社會的到來，它作為獨立的行業(yè)將逐漸衰敗，并發(fā)生轉向，融入智能建筑設計建造產業(yè)網鏈，作為主導角色發(fā)揮作用。這個產業(yè)網鏈便是“智能建造”，指房屋建造或環(huán)境建設的全過程及各專業(yè)充分利用數字技術及智能算法工作在同一數字平臺實現建造目標。其特點在于“全過程”至始至終、以及“各專業(yè)”相互之間具有連續(xù)且共享的數字信息流，從方案設計開始，經過后續(xù)階段及各專業(yè)的不斷添加、修改、反饋，形成優(yōu)化的設計信息；以此數字信息流為依據，房屋建筑或環(huán)境建設依靠互聯網及物聯網、CNC 數控設備、3D 打印、機器人等智能機械，實現高精度、高效率、環(huán)保性的物質建造與運營服務，從而形成一個新的“數字建筑及環(huán)境建設產業(yè)網鏈”[3]。

這一過程也可看成是虛擬性建造與物質性建造的結合，虛擬性建造即是在計算機內的建筑建造過程，它形成數字信息流；物質性建造以虛擬性建造形成的數字信息為依據，展開部件的加工與現場施工，同時與數字信息交互，繼續(xù)優(yōu)化修正已有數字信息，延續(xù)數字信息流，直至項目建成交付使用；最終把虛擬性建造形成的信息模型及物質性建造形成的物業(yè)一同交給建筑使用者及物業(yè)管理者。

這一過程的特點也非常明顯，它把設計、加工、建造甚至運維都聯為一體，高度集約，所有行為均在同一數字平臺進行，不同意見均可協(xié)同解決，這似乎又回歸到工業(yè)社會之前的作坊模式，集思廣益，盡其所能，經濟節(jié)約。

從這一發(fā)展前景來看，建筑設計應該與建造產業(yè)更緊密地縱向聯系，形成數字建筑及智能建造產業(yè)鏈，而不是一味地堅守建筑設計的自治性，或與其他設計行業(yè)橫向尋求設計自身的共同性，其目的在于改變目前非常落后的建筑工業(yè)現狀，為建筑工業(yè)升級換代做出貢獻。

3 機器人3D打印混凝土建造方式

機器人3D 打印建造是一種典型的智能建造方式，它把數字建筑設計方法、機器人智能機械、3D 打印技術、特種混凝土材料技術相結合，是一種跨學科集成性房屋及環(huán)境建造產業(yè)應用技術。它將房屋或環(huán)境建設過程進行了數字化集成，建造工藝流程包括算法生成創(chuàng)意設計、數字形態(tài)建模、整體結構計算、打印路徑規(guī)劃、打印程序編碼、虛擬打印建造模擬、現場原位打印、或現場預制打印及裝配；真正體現了全過程及各專業(yè)在同一數字平臺協(xié)同工作，集約式一體化建造特點[4]。

以河北武家莊農宅3D 打印項目為例，我們研發(fā)團隊以近似設計建造智能工坊的形式，參與了項目實施全過程，首先運用自主開發(fā)的軟件模塊單元生成農宅方案并進行形態(tài)建模，結構工程師進行整體模型結構計算，基于確定的設計形體進行打印路徑規(guī)劃并導成打印代碼，在電腦中進行模擬打印無問題后，便在現場安裝打印機器人設備，農宅基礎及墻體原位打印，而農宅拱形屋頂現場預制打印后裝配式安裝，最終進行門窗及室內裝配式裝修完成農宅建設。通過這一項目的實踐可以看到，由于建造過程中機器人替代了工人進行工作，減少了2/3 的勞動力投入；由于有了電腦里的虛擬建造，工地的現場施工周期大大縮短；由于智能機器的高精度性能，房屋質量得到有效保證；更重要的在于，機器人3D 打印的建造方式綜合效益高，生態(tài)環(huán)保低耗能，小型智能建屋團隊就能進行房屋建造，這使人們意識到，我們正在逐漸進入到人性化智能社會的生活境地。

該技術涉及到不同的行業(yè)參與，可帶動一個新的數字建造產業(yè)鏈的形成，產業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)將產生新的生產行業(yè)，如數字建筑設計、軟件開發(fā)、機器人生產、打印設備生產集成、打印材料研發(fā)生產、智能施工與數字工地等，它是建筑工業(yè)結構調整升級換代的有力典范。□