基于增强现实技术的辅助预制化建筑构件搭建的探索

邹国强

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海建筑数字建造工程技术研究中心，上海 200092）

0 引言

近年我国劳动力的匮乏使得很多没有经验的农民工涌入建筑市场。由于没有相关经验，他们在和指导施工的人员进行任务交接时并不能很好地理解工作内容，对整体工程的推进造成了一定的阻碍。并且由于技术创新不够，建筑在施工过程中造成的很多问题都无法解决，比如材料再利用率低，以及施工过程人力劳动密集等。这三者导致了资源耗费和施工误差等问题，在这种情况下，自动化和机器人装配等技术应运而生。事实上，施工前的计算分析有助于减少浪费，机器人的参与可以解放施工过程中的大量人力。然而这些方法还没有成熟到能够广泛应用于实际建筑工程中，因为建筑业是一个传统产业，以往项目的数据积累不足，所以建筑业作业过程数字化程度较低[2]。也正如Gramazio和Kohler[3]所说：“实际上，没有一个特定的机器人领域适合用于建筑领域”。工业机器人目前并不适用于建筑领域，因为它们还不够成熟，无法应用于建筑实践。

综上所述，本文提出了一个过渡期的概念，即以人力和人力操控的机器为主的建造时代和完全智能机器化的建造时代中间的过渡期，在此期间人们可以借助可穿戴设备和增强现实技术的指导来建造自己的建筑。

1 预制构件形体设计

该项目是一个面向所有人的预制建筑模块的架构，即使没有建筑知识的普通人也可以在增强现实技术的帮助下建造自己的房屋。图1展示了预制构件的生产运输和在AR技术辅助的情况下进行建筑装配的流程。

图1 预制构件的生产运输和在AR技术辅助的情况下进行建筑装配的流程

图2 不同尺度的预制构件以及其与人体尺度间的关系

该项目的基本构件是一系列不同尺度的带插槽的平板木板。构件设计的灵感来源于Minecraft，在这个游戏中，玩家将得到100多种不同类型的积木来制作自己的建筑。这预示着，建筑语言的每一部分都可以被具有不同特性的形体简单地进行重塑。在生产制造环节，建筑构件将由数控技术设备进行预制，因其优势，这种做法已被许多项目所采用，比如WikihouseRio、 SIM 和 Facit Homes等。首先，预制好的构件便于运输，同时也减少了施工现场进行材料处理的时间，方便项目快速建设。其次，插槽设计取代钉子作为连接接头，简化了施工步骤。另外，我们还将人体尺度作为我们的预制件的考虑设计元素之一，便于使用者进行基本操作。图2展示了不同尺度的预制构件以及其与人体尺度间的关系。

此外，尽管手动装配是一种基本而有效的建造策略，但它也会受到人为误差的影响。在这种情况下，我们在装配过程中需要一些参照和指导。该项目采用计算方法来生成和优化结构，并使用可穿戴设备来可视化生成过程。人们可以按照可视化引导组装结构，了解当前的建筑状态，并基于AR设备的反馈确定下一步的动作步骤。

2 计算机结构生成与优化

计算机在处理数据时比人更高效。相比体系分明的传统建筑，人们很难着手处理数以千计的建筑预制件。因此，将各种现实条件量化为数据，并利用计算机模拟找出最佳策略。然后在项目中，使用者将通过可穿戴的设备来可视化这个构建过程，从而逐步手动构建出完整的建筑模型。

计算机模拟部分的目的是在有限空间以最少的预制件数量生成一个稳定的结构。首先，我们会在一个给定的空间中放置一些空的空间，然后用算法按照特定的组合规则将预制件填补到剩余的空间，形成一个可以使用的空间结构。这之后结构强度模拟试验会对结构进行测试。在模拟试验后的优化过程中，各位置的预制件会重新排列，直到施加在各部件上的力大于其承载极限的70%。上述要求都被满足后，我们就得到了理想的模型。这样一个模型生成和优化的过程如图3所示。

图3 虚拟的建筑搭建过程以及基于机构优化目的的力学测试过程图

3 建造策略

该项目选择手工装配作为施工策略。选用该策略的原因是：首先，与国外高人工费、高成本的机器人搭建相比，我国手工装配显然是更为经济的选择；其次，高科技对用户的专业技能有着更高的要求，会限制受众人群，相比普通人操作，复杂的机器人装配策略更适合行业专家；自动化和机器人装配技术的不成熟也是我们选用手工搭建的原因。以Wikihouse为例，Wikihouse是一个开源的建筑项目，使用者可以在Wikihouse的网站上下载建筑模型以及构成该模型所需的预制件参数，然后在当地的工厂把预制件加工出来，再在基底上进行建造[4]，这是一个实验性的项目，有一定的缺陷，但也是一个具有潜力的项目，该项目在世界各地已经实践了450多个。在Wikihouse这个项目中人们手动建造自己的房屋，这展示了手工装配的潜力，可见这种传统的建筑方法依然很受欢迎。

4 增强现实可视化引导

由于该项目旨在面向没有建筑基础的广大人群，因此，在确定了搭建方式之后，还需要一种视觉引导技术在施工过程中为用户提供指导。该项目选择了增强现实技术。事实上，增强现实技术在许多领域都得到了广泛的应用，而我们之所以不使用其他类似的技术，比如虚拟现实，是因为虚拟现实提供给人们的是完全由计算机生成的内容创造的沉浸式体验。虚拟现实的产品可以是预先设置好的，并不能对外界的变化做出反馈。然而，施工是一个动态的过程，在整个过程中需要不断地调整。

该项目在进行装配过程中，只需遵循可穿戴设备的视觉引导，用预制件逐层手动地搭建出计算机优化好的结构即可。用户能够通过可穿戴AR设备看到虚拟的三维结构，因此这些视觉引导比图纸更直观、更便于理解（图4）。

图4 人机交互界面展示

5 结语

该项目的建造策略运用在建设小型住宅上具有明显优势。首先，廉价材料和自组装策略的运用能够减小资本对建筑业的干预。其次，预制件能够减少施工时间和减小施工作业时产生的污染，另外直观的视觉引导对没有任何建筑知识的人来说也都容易理解。该项目如果能应用在真实项目中，将会在很多方面产生重大影响。以公众影响为例，这个建造策略可以提供人们负担得起的房子，并帮助人们在建筑市场中转换角色，自行组装自己的建筑，从消费者变成生产者。同时，该项目在救灾方面也可以做出贡献。预制化的组件能够方便运输，特别是在交通条件恶劣的偏远地区。最后，预制件也能被拆下再利用。

有些人会质疑建筑业完全自动化前过渡策略的必要性。事实上，在机器人工业发展形势大好的背景下，相当一部分人对自动化和机器人在建筑领域的应用持乐观态度。一些人甚至相信在十年内建筑行业就能实现全自动化。然而，有一件事是不容忽视的，那就是早在20世纪70年代，数字技术就已经在测试，而事实是自动化策略仍在实验室中进行测试。有人说我们现在在完全自动化的时代到来之前的黎明前期，但是这一阶段会持续多久没人知道。因此，在建筑行业的自动化水平处在起步阶段时，该项目将传统手工技法与自组装、计算模拟和增强现实等概念和技术进行结合，是比较踏实和有利于推动建筑行业内部的革新和进步的。