人机协作下数字建造技术的探究与应用

人机协作下数字建造技术的探究与应用

梁津华

沈阳建筑大学建筑与规划学院 辽宁 沈阳市 110168

摘 要：传统的工具、方法以及主体已经很难适应当代建筑学的发展，智能机器人建造平台与数字化设计建造技术不断革新为其找到了解决办法。本文通过对数字建造技术的发展概况、工作模式以及实验性的应用进行探究，为今后建筑产业的升级、城市生产力的变革提供依据，使其在数字化时代不断发展并彰显新的意义，成为建筑学丰富的内涵和拓展的外延。

关键词：人机共生；数字技术；建筑机器人；智能建造

数字化时代，人工智能技术不断革新，在建筑学领域，传统的工具、方法以及主体很难完成更为广泛的虚拟与现实的交互，也不能承担社会化生产的需求。而数字建造技术，可以精准控制从建筑的设计到施工的部分流程，进而引发建筑行业的创新升级。

1智能建造的发展与探索

1.1 智能机器人建造平台的发展

数字化设计与智能化建造很大程度上依托于智能机器人建造平台。不同领域学者在多年的共同努力下，使得数字建造技术完成了从实验室原型研究到成熟工艺的转变。1967年诞生的“建筑机器组”将计算机、工程、建筑等学科进行了高度的交叉融合，为人机协作的数字建造技术奠定了基础。1980年MIT媒体实验室的成立，确立了数字化建造的发展模式。而欧洲的苏黎世联邦理工学院在此基础上，呈现出更强的智能建造探索。2005年开全球第一个建筑机器人实验室诞生；2016年智能建造平台可以实现智能模拟、人机协作、工厂预制等多种功能。近几年，国内各大顶尖建筑院校也开始逐步通过各种方式打造智能机器人建造平台（如图1）。

图1 智能机器人建造平台（来源：网络）

1.2 产业体系的性能化构建

智能建造平台的应用使得建筑与城市更好地对环境中的文脉进行呼应。同时，也产生了对建筑构件批量化、定制化生产的需求。当前，建筑行业仍以传统手工业模式为主，难以应对以参数化设计的复杂建筑项目，也很难满足工业化生产的效率要求。因此，数字建造技术构建了构件预制化生产和现场智能化建造两大平台，实现了定制化建筑构件的批量生产和施工现场复杂环境中的自动化建造。预制装配技术与数字建造技术的结合，完成了设计到建造的无缝衔接，势必引发城市中前所未有的生产力变革。

2数字化建造的工作模式

近年来，建筑行业分化越来越严重，设计主体、方法和工具的创新被重新思考。随着参数化设计与建造的变革，机器与人形成一种全新的关系，这种人机协作的特征被定义为“赛博格”。人机协作产生的新工作模式，具有一体化、体外化和虚拟物质化特点。

2.1人机协作的赛博格主体

随着信息数据的爆发性增长，建筑师个人已经无法对不同维度、不同层次、不同时空的信息进行综合分析，使得建筑设计难以就信息所承载的问题进行有效回应。可视化技术的突破，解决了这一难题。从简单的信息采集处理发展到了全方位的数据挖掘与感知，机器负责前期数据的采集和自动化处理，建筑师完成综合化的分析和决策。人机之间的密切协作，形成了具有强大城市感知力的赛博格主体。感知力的变革带来了思随着信息数据的爆发性增长，建筑师面对不同维度、层次、时空的信息进行综合分析越来越困难，使得建筑设计难以对这些问题进行有效回应。可视化技术的突破，解决了这一难题。前期数据的采集和自动化处理由机器负责，综合化的分析和决策由建筑师完成。人机协作形成了具有强大城市感知力的赛博格主体。

2.2智能化设计建造流程

不同于早期的工作流程，数字建造技术重新建立了包含参数化设计、性能优化、几何转译、机器人施工的智能化设计建造流程。在从设计到建造的一体化过程中，机器之间的数据通过网络共享，机器与人始终保持着协作共生状态。在概念阶段，将人的想法与经验进行判断，强化逻辑与动态化过程。之后，通过模拟实现多维度建筑表达与建筑信息可视化。随着多重学科的交叉，在建筑的创造过程中，不断融入结构学、环境学，使之最有效、最友好的变得可以度量。最后，通过建筑师的主观判断、建造工艺特征，借助数字技术，处理复杂的数值，将结构性能可视化的方式展现，实现结构性能与几何形态之间的实时交互。

3数字建造技术的实验性应用

3.1材料与工艺的探索

在探索人机协作下的材料和工艺研究中，机械臂参与的3D打印技术非常重要，它对材料显示出更强的适应性和灵活性（如图2）。2016年，上海西岸“池社”项目应用建筑机器人砌筑回收灰砖，实现了数字建造进入实际项目现场的首次尝试。2018年威尼斯双年展上，通过机器人预制打印的“云市”，以改性塑料为材料实现了预制装配。同年，面积达8800多m2上海西岸人工智能峰会B馆采用钢木复合 体系，仅3个多月就完成了建造。

图2 竹艺村项目与旧建筑关系、外观及室内（来源：网络）

4小结

基于人机协作的数字建造技术可以提升设计合理性和施工效率，是建筑行业转型升级的重要方向。但是，它也有一些问题没有解决。当我们专注于数字建造技术研究时，常常忽视参与建造的大量劳动力，这些劳动力在以往的案例中构成了复杂的生成关系。因此，我们需要建立一种新的技术文化秩序，来应对这个快速发展的数字化时代。

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