以国际联合工作营为平台的机器人数字建构教学探索——2019 DAMlab 机器人建构工作营

陈舟凡 万达 石新羽

1 Perkins and Will/ DAMlab

2 天津城建大学

3 青岛理工大学

近些年，随着工业机器人在建筑领域中逐渐被关注，以机器人为载体的建筑设计与建造探索也在国内外高校及各研究机构中逐步展开。自数字化在建筑领域萌芽以来，将建筑从古老的手工作业推向革新的自动化探索从未中断。计算机辅助绘图、计算机辅助设计、数字化设计以及人工智能辅助等探索都不断尝试实现建筑领域的自动化和智能化。

机器人作为模拟且可替代部分人类劳动的介质，能够将建筑的数字化和智能化从设计延伸至建造，从而实现设计与建造过程的再次融合。在建筑学的发展历程中，不断有学科从建筑学中被细分出来，设计与建造也在逐渐分离，学校教学中唯一能够将设计向建造转化的也许只剩下等比例缩小的模型制作。而得益于对建筑模型还保有的偏执，多数建筑学教育仍旧与物理世界保持着些许联系。机器人建构的出现一方面或许有炫技成分，但是另一方面也衔接了分离已久的建筑设计与实际建造，并且为建筑设计开辟了一个新的方向。例如机器人建构中常见的机械臂，其可模拟人类手臂运动的特性、可被编译的精确性、可不间断工作的持续性以及可与虚拟建模平台的互通性，使得它成为目前衔接设计与建造的良好介质。设计构思能够以实际建造为建构逻辑的基础，通过对机械臂运动路径以及“手指末端”（末端工具）具体动作的编译被快速检测并且实现。机器人不需要在建造中完全代替人类，也不需要由一台机器人完成整个建造工程，但它能以所编译的程序执行建造中的某一部分，并且和其他机器人协作完成一个工程。

针对不同材料、建造方式、建筑元素的机器人建构方式被各界人士不断探索，从而加深了各领域间的协作，不仅将原本逐步细分的建筑相关领域重新聚合，也带动了信控、算法、机械以及自动化等相关领域的人员进行协同合作，形成了一个以机器人建构为核心的多专业协作网络。而工作营作为一种有任务导向、项目基础的快速有效的方式，能够将不同的机器人建构研究以短期教学的形式进行交流协作和经验分享，并且作为现有研究的一个调试和推进的过程。因此2019年4月，DAMlab通过联合工作营的形式，以机器人建构为主题，对机器人陶土打印、机器人木构以及机器人空间3D打印进行了相关探索。

1 机器人陶土打印

陶土作为黏土的一种，在3D打印和机械臂的介入下逐渐回到建筑师的视野。陶土良好的吸声性、吸水性、抗光污染性、透气性和耐风化耐腐蚀特性等使得这一黏土类材料在初始阶段就有了被讨论和再探索的可能性。其良好的流动性、可塑性以及烧制改性后的坚固性和强度特性，也使得其满足作为3D打印材料的基本要求。同时，机械臂精准、可编程的运动轨迹，使陶土从流动状态下的柔软到凝固后的坚硬这一动态范围，可被编译出比传统工艺更多的可能性。除了能够探讨陶土打印制品的表面纹理和形体美学，不同纹理和形体所具有的性能也能够被数字技术定量分析。此次工作营以陶土为基本材料，对其生成幕墙面板的可行性进行了探索，包括特定形态面板的打印过程及打印系统和流程的优化，最终利用机械臂结合优化后的陶土打印系统（图1）进行幕墙面板的制作。

陶土打印本质上与FDM（Fused Deposition Modeling）3D打印有着共同的特点，都是以叠层的形式构建出物体。相较于不断缩小打印层的高度从而提高打印精度以制造出接近完美的物件，通过探索和利用叠层来研究其可能具有的功能性才是建构幕墙面板的出发点。叠层打印方式所产生的表面纹理以及陶土本身具有的磨砂质感使得成品的表面具有产生大量漫反射的特性，继而通过幕墙不同部位的孔隙密度、开孔大小和方向的变化，实现对特定时段进入建筑物的日照强度的控制，以减少眩光的影响。幕墙基础面板的设计以一个600mm×600mm的正方形为基础，在其范围内分割出多个泰森多边形，每个泰森多边形通过旋转、缩放、平移等变换形成单个幕墙面板的基础单元（图2，3）。同时利用Grasshopper进行曲线干扰影响泰森多边形变化的程度，从而实现对幕墙面板透光性的控制（图4）。由于面板由多个泰森多边形单体组成，因此需要分层对多个单体同时进行打印，并且优化打印顺序以及相邻单体间的打印路径，从而保证单体间连接的强度。这也使得面板的打印逻辑和过程将不同于常用的连续挤出，因此需要结合KUKA|prc以及KUKA KRL的自定义语句实现对打印系统的挤出速度和挤出启停以及机械臂运动轨迹的控制（图5）。通过多次实验优化打印程序，并在打印最终成果之前，对陶土打印的最大高度、上下层最大错位距离、每层材料最优厚度进行测试（图6），根据实验数据调整出最适形体作为最终方案。打印最终作品时，使用经过充分混合搅拌的陶土，将600mm×600mm的幕墙面板分别进行打印（图7，8）。由于陶土在干燥后的体积收缩会导致幕墙面板产生裂纹，因此需要将其放置在通风良好、避免阳光直射的地方阴干，并严格控制室内空气湿度。最终将这些面板进行烧制，拼合成一面完整的幕墙。

2 幕墙面板组合逻辑

3 幕墙面板安装示意

4 曲线干扰产生形态变化

5 打印路径优化及陶土打印系统的启停控制

6 测试阶段成果

7 最终成果打印过程

8 打印完成的最终成果

2 机器人木构

木材曾是使用最广泛的传统建材之一，但因木建筑存在抗灾及结构体系复杂、维护成本较高等缺点，使得现在木材在建筑中的使用频率大大降低。另一方面，木材拥有良好的可再生性、隔音性、隔热性、防潮性、抗震性以及耐腐蚀性，木建筑拥有建造速度快、价格低廉、舒适度高等优势。这些特性和优势使得木材在近些年被重新重视，并拥有了能够被进一步研究和发展的可能性。

同时，木材处理和加工技术的进步，使得木材性能被不断提升以满足当代建筑功能的需求。在数字设计、数字建构与智能建造、模块化快速建造等背景下，机器人建造的自由度及其可被编译的精准性使得木构能够摆脱传统工艺的限制，高效地实现传统工艺难以达到的形式及精度。同时，计算机辅助的参数化建模和逻辑演绎过程，为单元化、形式单一的木材通过对性能优化形成形态复杂的结构体创造了可能。这一过程可通过结构受力分析及构筑物形体的优化控制，使得建构物在受力均匀、合理及最小用材的前提下，实现极好的结构性能，生成优异的形态、光影及肌理效果，使木构突破传统建构形式的同时，形成模块化材料的快速非有理性建造。此次工作营选取了尺寸一致的木材作为原材料，在探究其形态的可能性与形体美学的同时，使用计算机分析结构体的受力情况，对木材参数化建构的可行性进行了探索。

9 木构件抓取工具构造

工作营的搭建方案由学员和指导教师合作设计，使用Rhino建立曲面推敲形体，Grasshopper辅助力学分析生成方案模型、编写程序控制机器人拾取和摆放木材的动作（图9）、合理设定移动路径及摆放顺序（图10）。通过计算机模拟其搭建过程，排除实际搭建中可能遇到的问题。同时，由于实际搭建时自重较大的结构要求拥有极其稳固的基础构造，故在搭建最终成品之前对基础的搭建方案进行了多次拼接测试和破坏试验，以探究其可行性并且优化其力学性能（图11，12）。在机械臂的协助下，木料定位的准确性和安装速度都得到了保障，780根木材、1 388处胶点以及2 852处攻钉，仅用3天即完成了整个构筑物的搭建与安装（图13，14）。

10 构件抓取及安装路径优化

11 木构构造细部详图

12 基础部分的构造实验与讨论

13 机械臂搭建过程

14 搭建完成的木构展亭

15 3D 打印使用的工具及构造示意

16 打印路径优化

17 学员针对不同材料调试机械臂

另一方面，单纯推动建构技术的研究并不一定是机器人建构的唯一方向，只是建筑技术革新的一部分，提供给建筑师在工作过程中将设计与建造重新结合的机会，并且让建筑师更多地参与到实际建造过程中，实现在建造中对设计的把控。在未来的研究中，更加全面、系统地适应机器人建造的数字建构体系是更值得建筑师、工程师等多领域人才共同深入研讨的课题。

18 结构承重实验

19 最终成果打印

3 机器人空间3D打印

基于聚乳酸高分子材料（简称PLA）的物理特性，将材料加热到一定温度使其融化，当熔融状态的材料在挤出口与冷空气相遇时，材料温度迅速降低，从而在空气中迅速重新凝固成型。这种特性使其可以满足空间结构体的直接打印技术对于材料的要求。同时，机械臂的介入可以精确地定位结构中各个节点的位置，快速构建结构单元生成形体（图15）。

相较于较为传统的FDM，以PLA为材料的空间3D打印在建筑领域的建造上具有更多优势：1）它在保证结构强度的前提下，能够用更少的时间和材料建造同样体积的构件；2）打印过程受下层支撑的限制较小，故空间打印工艺对构件形体的制约大大降低，构件的形态更加灵活；3）机械臂的介入使节点的位置更加精准，极大地保证了构件的外观美观和结构稳定；4）构件内部有大量空隙，当其作为建筑构件时，这些空隙为建筑配套设施创造了融合设计的可能性。因此，基于机器人的空间3D打印作为建筑领域的一项新兴技术，被许多建筑师寄予厚望。此次工作营以PLA为基本材料，对其生成复杂形态结构的可行性进行了探索，通过对机器人的打印路径进行合理设计，使机械臂能够自动完成构筑物的全部建造，并使打印出的结构体具有足够的承载力。

与此同时，PLA空间3D打印的影响因素也较多：一方面材料对温度较为敏感，温度过高材料会产生气泡，影响作品的外观和结构强度，温度过低则会降低材料的粘性导致节点强度不足，甚至阻塞出料口使工作无法进行；另一方面，冷却气流的风速以及材料挤出的速率也会对打印成果产生直接影响。为此，小组对不同耗材的参数进行了多次测试（图16），形成了一套较完整的PLA材料的打印决策手册，为最终成果的打印提供了实践基础。

设计与建造方面，小组预期成果为1:10的亭子结构模型，使用Kangaroo和T-Splines插件进行找形并确定方案，将设计好的结构体拆分为各个部分进行分别打印，最后再将其拼接在一起。空间3D打印的难点之一在于设计其打印路径，工作营中使用了复合路径优化算法，在综合考虑打印工具姿态与结构体形态关系的同时，依照试验阶段探索的打印决策手册，对结构体的每个打印节点进行优化排序，使机械臂能够按照该路径一次性自动完成打印，且在实现结构稳定的同时，避免打印工具与已打印的部分发生碰撞（图17～19）。

4 结语

机器人建造与人工建造不同，其建造的过程为程序控制，可以直接与设计师进行对接，因此在设计中可根据需求对施工过程进行编译，最大程度地实现设计与建造的结合。同时，这一新的建造模式也为传统材料的新生提供了机会，使其不再受传统施工技术的限制，在机器人的介入下，将传统材料的优点融入现有及未来的建筑中。此外，也通过对不同机器人建构技术的本质特性（如陶土打印时不可避免的纹理和PLA 空间打印时所产生的结点）等进行研究，将其与材料特性相结合，赋予建筑构件不同的功能性。

工作营中三组教学所用到的技术都是以指导老师已有的研究为基础形成各小组的任务导向，进而结合工作营教学实践中所遇到的具体问题与学生共同研讨推进。通过隔日一次的导师讲座及组间交流，学生们有机会及时交换对于陶土打印、木构搭建以及PLA空间打印的意见，形成不同研究主题相互交叉的知识互换网络。相较于传统的授课模式，工作营的模式能够让指导老师、助教与学生以及学生与学生之间形成更加紧密的合作关系，以类似研究团队的模式推进。在工作营结束之后，DAMlab成员继续通过远程合作对相应的研究主题向更深层次的研究和实践建造推进，形成网络化的数字建构研究团队。在数字技术飞速发展、多专业协同日益紧密的发展趋势下，这或许能够成为建筑教育界内值得探究和发展的新型教学模式。