你能想象將來有一天可以從機器人“縫”起來的房子裡走出來，漫步在3D列印的橋上嗎？

近日，同濟大學建築與城市規劃學院舉辦的“上海數字未來”系列活動展示了數字科技的未來。在展會中，人們見到了世界上第一座使用改性塑料的3D列印步行橋，還有使用建築機器人將3毫米木材“縫起來”的房子，想象中的一切都在這裡實現了。

早前世界經濟論壇就曾釋出報告稱，未來幾年將有510萬工作崗位被機器人“搶走”。那麼，隨著建築機器人的研發與投入使用，建築行業的飯碗是否也已經保不住了？智庫採訪了同濟大學建築城規學院教授、博士生導師袁烽教授，為我們專業解讀建築機器人。

01建築機器人有多牛？

第一，建築機器人可以不厭其煩地、二十四小時不休息地工作，而人是做不到這一點的。尤其在惡劣環境下，如果氣溫達到四十度以上，正常的工人是不可能在工地上施工的。而建築機器人，它是可以在各種條件下工作的，不受外界環境的影響。

第二，建築機器人可以比人做得更精準。人是難免要犯錯的，但是機器人是根據程式先預設好的模型，所以它不會犯錯，除非你的程式錯了。如果程式驗證是沒問題的，它永遠不會犯錯。

第三，建築機器人可以完成人做不了的事情，如某些特定情況。假設砌磚，比如我要砌一行磚牆，每個磚之間只有0.5毫米的差距，累積起來可以實現一種漸變，像流水一樣的效果。對於其他柔性材料是可以實現的，但是對磚，用人的手是砌不準的，而機器人則可以實現非常精準的定位。並且機器人的效率很高，可以完成一些人無法完成的精度，到達人工無法完成的部位，比如，由於人的身高、臂長的限制而達不到的位置，機器都可以很輕鬆地達到。

機器人增材木結構建造

機器人銑削工藝

機器人木縫紉工藝

02建築機器人究竟是什麼？

現在我們所說的機器人分為兩類，一類被稱為人形機器人，一類則是工業機器人。我們現在用的主要是工業機器人，它的外表並非人形，但其實提供了一種智慧化的建造方式。所以它可以作為建築產業化實踐平臺的一個載體。

建築機器人實際上是通過機械臂來實現空間的精準定位的。這就是相當於人的一隻手臂。兩個機器人就可以相當於人的兩個手臂，通過腕關節、肘關節還有肩關節，以及程式設計的方式來控制一個自動化的生產過程。所以建築機器人，實際上是未來建築產業發展的載體和平臺。

03建築機器人是怎麼造出來的？

我們通常的研發主要包括三個部分：

第一部分，是建築機器人前端——工具端。這個工具端是用來砌磚，還是3D列印，還是用來做機器彎折，是可以通過我們的工具研發來單獨實現的。至於機器人本體部分，由於世界格局的劃分已經相對確定，現在最好的機器來自一些國際上的品牌。我們現在主要是用德國的庫卡（KUKA）來做技術平臺，核心的技術研發主要是在它的工具端，以及軟體程式設計對它的一個控制。

第二個部分，最終怎樣把機器人這種共性的本體——就是庫卡（KUKA）的這個部分——應用到建築領域，是我們的核心研究內容。所以我們主要做的是建築機器人。它可以用來造車，還可以用來造船，還有一些其他領域……總之，我們主要是專注在建築學領域的一個研究。所以它的工作原理，其實是用計算機來控制一個機械臂，特別是機械臂的端部使用。這是一個工具手，我們稱之為一個工具端的研發，這是我們的核心技術。

第三個部分，我們的研究內容實際上是通過產業群系統整合解決方案，研究這裡麵包含的整合裝備。首先，它是在車上走，還是在樑上面工作，總歸就是要把機器人安裝於特定的工作環境下，這個工作環境的設定是由我們來做的。然後，我們要把不同的建築工藝，按照例如建築學裡面混凝土、磚、木等不同的材料劃分出不同工藝。以前的傳統是叫不同工種：水電工、混凝土工等等。但是我們現在把機器人通過工藝來進行了劃分，按照不同工藝與一套裝置、軟體來實現成套的產業開發。建築機器人的原理和我們的研發內容基本是這樣的。

04建築機器人何時能取代建築工人？

現階段，勞動力成本每年都是以超過10%的速度在遞增。最早在改革開放初期，造一座房子的成本當中，人工費只佔其中的10%左右。而到現在，像上海地區造一個房子，人工費在裡面佔到35%。在早期人力成本比較低的情況下，其實還是人工比較划算。根據日本的研究，其實35%是個臨界點，超過35%以上，用機器替代人就越來越划算。如何用機器換人，就是我們研究的一個起點。現在在日本，人工費佔50%，香港佔到55%，新加坡差不多也是50%到55%之間，所以發達國家對於這種數字建造和預計建造是非常有積極性的，包括產業化程度也是非常高的。

我們國內的情況是才剛剛起步，剛剛達到35%這個臨界點。所以在未來的五年、十年甚至更長的時間裡面，用機器人替代建築工人會成為一個大的趨勢。因為用機器人可以實現更高的勞動效率，更強的精準度，以及對更先進工藝的推動。

05建築機器人造的房子有多好？

我們現在已經開發了十幾種建築機器人的建造工藝。就工藝來說，主要是針對手藝人的獨特技能。比如像香山幫（蘇州香山地區的木匠，人稱“香山幫匠人”）這樣的匠人，能做出很精細的木雕；竹編的藝人，可以做精細的竹編；還有做砌磚很好的工人，或者電焊很好的電焊工。現在我們正試圖用所有的機器人來替代這些工藝。像焊接，機器人的焊接可以在全天候情況下完成非常精準的金屬焊接工作。像編織，用機器人來實現塑料的編織、碳纖維的編織，甚至也可以實現竹子的編織。只要它能夠用一種邏輯、演算法、程式來概括，那麼機器都可以實現。

現在有很多種工藝已經實現了一種升級。升級主要體現在幾個方面：第一個是磚構，我們在上海“池社”已經有現場機器人砌築的這個專案，這是一個位于徐匯濱江的已建成專案。第二個是木構，也很成熟了，我們在蘇州太湖邊上做了“蘇州園博會”的一個展館，實現了四十五米跨度的空間雙曲面網殼木構。機器人加工木構件，在成都的“竹裡”專案中得到實現。這個專案52天完成了所有建築結構以及景觀，是一個高速推進的專案。

木材作為歷史最悠久的建築材料之一，展現出了極大的建築需求可能性。憑藉計算設計的創新，數字建造已經在材料科技上迅速提升了木頭作為應用材料的範圍，通過數字化的預製技術以及機械臂的精準組裝來探索複雜的幾何木結構形式。無論是曲面還是杆件，支撐整個結構的永遠是杆件的骨架本身，兩種表現方式均結合Millipede（“千足蟲”軟體）對線性杆件的快速分析和優化功能對結構骨架進行了優化。

現在，我們正在探索的是3D改性塑料列印橋專案。

2017年 蘇州園博會現代木結構主題館

2017年 四川竹裡

063D列印步行橋的建造有什麼特點？

像塑料這種材料，是非常有潛力的。因為這種複合材料有很好的可塑性、可列印性，以及抗拉抗彎效能。這在我們其他的化工領域、日用品生產裡已經有很先進的產業體系了。但在建築領域還沒有被大範圍地使用，這主要是受限於生產方式以及它的可塑性。有了3D列印，我們就可以列印各種大尺度的構件。這次我們完成的是14米、淨跨達到11米的橋的列印。對於這種塑料的大跨度列印，我們是第一個進行探索的。對此，我們在美國國家基金委做了論文宣講，取得了非常好的反響。

目前，這個橋還在實驗階段，我們正在對它“改性材料”的效能做進一步的優化。今年九月下旬，我們會在上海列印一個大房子，這個房子全部用塑料列印來做。從橋到一個小型的建築，我們正在實現的是建造難度的一個拓展和探索。

2017年 同濟大學建築與城規學院上海數字未來工作營 3D列印步行橋

07未來會有完全由機器人建造的建築嗎？

機器人對於建築產業的替代是一個過程。我們現在強調的並不是絕對意義上的去建造一個完整的房子，而是部分工藝和房子的某些部位，比如從結構構件到外圍護構件的一些替代。這將是一個漸進式的替換過程——機器生產、機器安裝或者是大尺度的整體標準層。這種工藝的一個臺模式做法，其實都是新機器人的生產工藝。它在建築領域的使用會隨著工藝和機器人的研發逐步地往前推進。但是現在，我們正在尋找轉化的時機，要被整個產業接受還是需要時間的。

延伸閱讀

建築機器人建造產業：創造建築數字未來

隨著機器人建造引領的數字化設計與建造技術的發展，全生命週期的管理理念、基於BIM平臺的設計支援工具、以機器人為主的數字化加工裝置，都大大促進了建築產業向模組化、效能化、定製化的方向轉變。建築師得以站在一個更長遠與持續的角度來看待設計問題，以機器人為主力的數字建造充分發揮了精確、高效、高效能的特點，實現了集約化生產建造，降低了能源和材料消耗。

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建築機器人產業化發展模式

從數字設計到建築機器人建造的行業整合。在數字技術的輔助下，效能化建構強調建築原真性以及客觀性，關注建築單元對人體感受、環境條件以及結構有效性的效能引數資訊。在效能化建構中，效能優化結果所呈現的空間複雜性和表皮漸變特徵，對於以手工建造為主的傳統建造技術來說是一個巨大的難題，而機器人工作平臺基於引數資訊的操作模式，為效能化建構提供了物質可能性。建築師通過對結構、環境以及行為效能進行特徵分析，通過模擬、運算和優化，構建空間形態與效能引數間的設計邏輯。基於機器人建造技術的結構、環境以及行為效能化建構，建築師和工程師之間建立了一種創新合作方式。

從機器人工藝到大批量定製化生產。隨著建築數字技術的成熟，以機器人為主的數控裝置不斷為設計與建造提供技術支援，大大促進建築產業向定製化和智慧化的方向轉變。藉助機器人，設計與建造的界限逐漸模糊，這將從本質上影響未來建築的生產方式以及評價標準。在未來，建築不再是標準化構件的現場裝配，取而代之的是非標準化構件的機器人定製化生產和智慧化建造裝備下的機器人現場建造。以機器人為核心的數字建造將充分發揮其精確、高效、高效能的特點，實現高品質的個性化集約生產。

建築機器人自動化系統。機器人在某些情況下，因為自身臂展和負重的限制，無法勝任某些大型或複雜建築的建造工作。這便需要通過對數字化建造工具和機器人技術的整合設計，打造智慧建造施工裝備，發揮機器人穩定、快速、高效的建造優勢，將機器人建造技術與傳統建築設計平臺對接，完成建築構件的幾何資料與機器人運動軌跡的銜接，實現一體化的機器人建造流程。

2建築機器人建造工藝

建築機器人建造工藝

數字建造對磚、石的產業升級基於單元磚體均勻分佈的材料特性。通過改變磚體間的連線方式和空間發展方向，突破了長久以來的空間結構極限。採用磚體的形式語法進行生形並對牆體的結構效能進行優化，通過遺傳演算法對產生結果進行迭代篩選，使得磚這種古老材料在本質意象和傳統做法中尋找結構效能上的更多可能性。機械臂的空間精準定位使得這種預設走向實際建造，在多段牆體連線後能夠形成一段穩定、連續且具有強烈視覺衝擊力的磚牆序列。另外，機械臂工作站的綜合性流水線模式，大大提高了現場施工的效率和準確度，保證了數字磚牆結構效能的完整度。

3D混凝土列印。3D列印混凝土技術是將3D列印技術與商品混凝土領域的技術相結合而產生的新型應用技術，其主要原理是將混凝土構件利用計算機進行3D建模和分割生產三維資訊，然後將配製好的混凝土拌合物通過擠出裝置，按照設定好的程式，通過機械控制，由噴嘴擠出進行列印，最後得到混凝土構件。3D列印混凝土技術在實際施工列印過程中，由於其具有較高的可塑性，在成型過程中的無需支撐，是一種新型的混凝土無模成型技術，既有自密實混凝土的無需振搗的優點，也有噴射混凝土便於製造繁雜構件的優點。

2016年 3D列印聲學柱

3D改性塑料列印。應用於建築領域的大尺度三維列印主要有兩方面的問題，一是列印裝置與路徑程式設計，二是列印材料。應用機器人平臺進行大尺度改性塑料三維列印是一項針對建築尺度構件的三維列印技術。整合多外部軸的機器人系統可以穩定高效地實現大尺度的列印路徑，並且由於機器人的多維性，可以實現超越傳統三軸系統的列印動作，從而完成一些特殊的列印形式。而基於傳統三維列印材料的改性塑料著力與解決大尺度列印中的材料強度和形變等問題。該項技術已經實現了超過6米構件的整體列印，並且應該用該技術完成了兩座步行橋的整體列印，驗證了該改性塑料材料在可列印的同時也具有較好的力學效能，具有成為結構構件的潛力。該技術在未來將進一步提升材料效能和與三維列印工藝想配套的構造工藝，使之能真正應用於建築構件的生產之中。

3建築機器人建造產業化實踐

浪橋（Wave Bridge）專案包含兩座跨度分別為4m與11m的步行橋，該橋使用改性塑料並利用先進的機器人列印技術製造而成。橋身設計主要分為找形與結構分析兩大部分，並運用到多款引數化軟體輔佐設計。橋身首先通過Kangaroo分別找出上下橋面的兩條受壓曲線作為基礎形態，再根據基地限定條件在Millipede中對初始橋身橫截面做結構拓撲優化以達到去除利用率較低材料的目的，最後根據結構軟體Karamba得出的應力分析圖確定大跨度橋身分塊做法的切塊位置以保障最大程度降低其對整體結構性的破壞。在通過有限元結構分析軟體Abaqus對橋身結構進行計算後，其結果驗證了即使在最不利情況下兩座橋身均不會發生嚴重結構問題。最終根據橋身模型編寫出合理的列印路徑並匯入機器人裝置，在經過兩週左右的加工時間，兩座橋身實現預製化生產並在現場完成快速安裝。

第九屆江蘇省園藝博覽會現代木結構主題館由上海創盟國際建築設計有限公司與蘇州崑崙綠建木結構科技股份有限公司合作設計建造完成。主題館總建築面積1890㎡，室內空間完整簡潔，最大化的保留空間的純粹性，為展覽和未來的使用提供了極大可能性。結構最大跨度達45米，採用木結構空間網殼結構體系，藉助數字化結構效能找形和優化技術生成結構形式，創造了建築形式與結構效能的高度統一。Fab-Union團隊為大批量木構件的定製化加工提供了機器人數字建造技術，有效地保證了主題館木結構的精確加工。專案的設計、研發、加工、安裝各環節極致演繹了傳統木構技術與現代科技的融合。

竹裡是2017年初創盟國際在四川鄉村完成的一個與當地鄉村生活結合、功能複合而又多樣的鄉村社群文化活動交流中心專案。該專案合理融入原有場地，與周圍村落結合，試圖探索城市與新鄉村建設的功能互動，新建造技術與當地手工藝的緊密結合，以及傳統營造方式與預製化木構架工業化預製建造管理等等不同層面的建築行業問題，同時將施工週期控制在極短的時間之內。這個在鄉郊田野上盤旋著的青瓦房，實際上是由70%輕型預製的鋼木構架支撐起的一個內向重疊的環形青瓦屋面，而盤旋的屋面自然而然的形成了兩個內向的院落，為室內提供了豐富的景觀層次。內與外，竹與瓦，新與舊。材料的歷史感與形式的現代性產生共鳴，而傳統建造方法與現代產業技術都在此扭轉的時空中得以融合；專案對傳統建造正規化的現代定義，以及對鄉村和城市問題再思索都為思考建築在當下的意義提供參照。而形式上融合與無限（∞）成為建築對時間、對新傳統建造的隱喻，是“竹裡”的精神內涵與形式外延。

2017年 四川竹裡

4建築機器人建造產業化研究現狀

同濟大學建成環境技術中心的“高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室”下設四個重點實驗中心,其中 “數字設計研究中心”(Digital Design Research Center,簡稱DDRC)作為同濟大學建築與城市規劃學院研究數字化建築設計方法和建築機器人建造產業的重要平臺，是高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室體系研究範疇的重要組成。研究中心下轄數字建造實驗室(Digital Fabrication Lab)和生態數字表皮實驗室(Eco-skin Lab)兩個子實驗室。已經擁有包括: 雲端計算平臺; 5 軸聯動數控中心；14 軸聯動建築機器人加工中心；鐳射3D列印中心；超高壓水切割數控中心等硬體工作平臺。在科研成果方面,DDRC已經取得12項專利，並有3項專利正在申報過程中。

2015年 同濟大學建築與城規學院上海數字未來工作營 “叢集建造”

2015年 同濟大學建築與城規學院上海數字未來工作營 “叢集建造”

從2011年開始至今，同濟大學建築與城市規劃學院袁烽教授基於對建築機器人產業化發展前景的信心和熱愛，與哈佛大學客座教授尼爾·裡奇(Neil Leach)共同組織策劃了7屆上海“數字未來”(DigitalFUTURE Shanghai)系列學術活動。活動堅持國際化與本土化的結合，以同濟大學為平臺，每年針對數字設計與數字化建造提出一個主題,並圍繞主題進行國際會議探討、數字研習班(Computation Workshop)、建造工作營(Fabrication Workshop)和國際成果展覽四位一體的創新教學實踐。參與活動的有來自知名先鋒事務所的建築大師、國際事務所、國內建築大院的負責人、國內外知名建築學府的教授,也有來自同濟大學、美國南加州大學、華南理工大學和中國美術學院等著名高校的學生。上海“數字未來”系列活動自2012年來一直秉承著建構新知識系統開放性和平等性的理念，打造數字化建築行業領先的研究學習平臺。

受訪者 ：袁烽 同濟大學建築城規學院教授、博士生導師

整理者：吳庚石 李蓉

本文選自：《為什麼是五個手指：熱門黑科技與冷知識》（庫叔說）

原載時間：2017年8月25日

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