数字装配——上海西岸人工智能峰会B 馆中的范式转向

袁烽 罗又源

同济大学建筑与城市规划学院

基础技术与工艺的跨越大大推动了建筑业的发展，这一趋势自20世纪以来尤为突出。第二次工业革命带来了批量化的新材料，开启了建筑学的现代主义思潮；第三次科技革命引入了信息的维度，数字建筑学应运而生。建筑学一直在追赶科技发展的脉络，然而随着以数字技术为代表的前沿技术快速迭代，建筑业相较于主流制造业，在工业化、智能化水平上仍有不小的落后，粗放、低效与经验化的建造生产模式仍然是行业主流。

因此，新型建筑工业化是当下推动产业变革的重要着力点，以数字技术为依托，借助人机协作梳理从设计到建造的全流程，重塑产业分工，进而形成以数字装配为核心的生产范式。上海西岸人工智能峰会B馆即是对这一范式转向的有力尝试，在极短的工期内，建筑师打破了常规会展建筑的设计与建造方式，运用建筑机器人预制装配技术，高质量地完成了整个项目（图1）。

1 设计可视化

上海西岸人工智能峰会B馆（以下简称“人工智能峰会B馆”）是2018世界人工智能大会的主会馆之一，坐落于上海西岸滨江地区。历经多年的改造营建，西岸形成了平实素朴的公共艺术建筑群和简洁典雅的空间氛围。由此，人工智能峰会B馆采用了三个长方形体量作为主要空间，在满足展览会议功能的同时，具有多样性和通用性。三个主要体量进一步旋转拼接，呼应城市肌理，又顺势产生了两个三角形的半开放公共空间。由于种种因素，这五个大跨空间的设计与建造需在100多天的时间里完成，极短的工期驱使创作团队探索通过数字可视化技术实现对设计建造全流程的快速把控（图2）。

所谓“可视化”，即沟通虚拟化设计和物质化建造之间的信息媒介[1]。本项目中，建筑师基于Rhino-Grasshopper平台，将方案的形式、结构、构件加工、建造方式等诸多信息集成并以三维形体呈现，总揽设计、模拟、优化与建造的所有环节，进而实现了对建造进度与质量的管理。三维模型取代二维图纸和文字，成为沟通各方各环节的信息载体，规避了传统产业中建筑、结构、施工多单位反复沟通协调的时间成本，并可作为最终建造过程中细化到每一个构件的加工安装指南。如果把设计本身理解为通过不断的迭代来探索最终结果的过程，“可视化”大大增加了迭代数量，提升了设计的创造力[2]。

人工智能峰会B馆采用了轻量装配式体系，其中两个三角空间使用钢木复合网壳结构，营造轻盈通透的空间意象。然而，网壳结构双曲面的几何形式给设计工作带来了难度：一方面，建筑师需要与结构工程师合作，保证网壳的力学性能；另一方面，要兼顾形式逻辑，考虑构件的可建造性。对此，设计团队借助Grasshopper平台中的Kangaroo插件对网壳进行结构性能化生形，输入几何边界条件、材料性能即可快速得到多组可能的“解”。建筑师再进一步根据网壳形态、构件布线和支撑条件进行比选，历经多次优化迭代，确定了网壳与竖向支座分离的结构方案。此过程中，原本难以捉摸的结构数据被数字工具转化为可见可感的具体形式，由此建筑师可以在设计中直接对结构体系进行深入的探讨和推敲，从而达到结构性能最优与空间形态协调。

1 鸟瞰

2 总平面图

可视化的设计亦让构件的生产建造在设计中变得可控。本项目中，网壳结构的一大难点是如何克服水平方向的侧推力，一般而言可以通过添加斜撑和弦支拱壳的方式加以解决。但为了得到轻盈漂浮的屋面效果，设计团队采用了外围桁架加水平拉索的形式，利用钢木两种材料的差异化力学性能和良好的互通性作为不同的构件部分，形成了由外围圈梁、双向交叉构件、三向交叉构件、拉索组成的结构体系。整个体系主次分明、逻辑清晰，展现了明确的空间层次。针对这一复杂的钢木复合结构体系，建筑师在设计过程中根据木构件加工要求在三维模型中实时调整，并结合结构运算插件校核，从而保证所有异形木梁均能由机器人切割成形（图3，4）。

2 生产前置化

装配式建筑的一大典型特征是构件的标准化、预制化生产[3]。不同于传统建筑业中在施工现场直接建造，装配式建筑的构件往往来自预制化工厂的批量化、标准化生产，其生产过程出现了前移，由此大大减小了现场建造的工作量，提升了构件的加工精度。为了尽可能节约时间，西岸人工智能峰会B馆的三个主空间采用了瑞德尔装配式展览建筑篷房体系。工厂预制的铝合金单榀排架，经过施工现场数日的整体机械吊装，完成了跨度30～40m、边高7.2～8.4m的三个坡顶帐篷的主体施工。此外，十字钢龙骨与聚碳酸酯板结合的半隐框幕墙等外围护体系同样也实现了快速预制建造（图5）。

数字装配运用了大量计算性设计工具和建筑机器人，使得装配式建筑生产过程前置的趋势更加显著。事实上，建造过程可以和设计过程同时展开，设计即数字虚拟空间中的建造模拟。建筑师设计得到的所有构件均可以导出为建筑机器人的加工文件，并利用Grasshopper与Kukaprc、FURobot等机器人插件模拟加工，进行实际的测试生产。建造过程在设计之初就能够得到精确的规划和预测，一方面，西岸人工智能峰会B馆中所有木梁的铣削开孔、钢桁架、钢梁和钢柱的切割，其对应的机器人加工指令都能够由设计成果直接产生，建筑师在数字模型中的设计对应了建筑机器人的预制生产流程，协助设计团队理顺方案的建造逻辑；另一方面，设计模型最终被用于指导钢木网壳的现场装配工作，施工团队搭设了满堂脚手架作为操作平台和定位基准网格，使用全站仪将模型中的控制点在现场放样，有效保证了安装精度和施工效率。

生产过程的前置化推动了装配式建筑的定制化。装配式建筑使用的往往是可进行批量化生产的标准化构件，大大限制了设计对差异性的需求。特别是对于性能化设计而言，其中通常存在大量的非线性、非标化构件，传统加工方式难以制造，亦与装配式建筑批量化、工业化要求相悖。而基于建筑机器人的智能建造技术解决了这一难题，拓宽了设计的可能性。西岸人工智能峰会B馆双曲面屋面存在大量的异形木梁、木垫片、钢梁及节点，但编写的Grasshopper程序仍然可以高效地将各类构件的信息同步。562个非标木梁的梁头尺寸和相应的开孔信息能够随设计迭代快速实时更新，建筑机器人数字工厂也能根据自动生成的加工文件快速预制差异化构件，既满足了工业生产的批量化需求，又应对了结构性能最优的定制化要求（图6，7）。

3 人机孪生化

3 钢木复合曲面网壳

4 曲面网壳与排架篷房结构设计

5 篷房单榀排架单元吊装

数字装配的生产范式使建筑师得以在建造领域重新占据主导地位。自从阿尔伯蒂在《建筑十书》中将建筑师（Draftsman）与工匠（Craftsman）区分开以后[4]，设计与生产已经分离了数百年。而当代的数字工具与建筑机器人又再次赋予了建筑师自行建造的能力，重塑了产业的分工体系。机器不仅仅是工具，而是作为与建筑师孪生的创作主体，其数据采集能力延伸了建筑师的感知，其分析计算能力增强了建筑师的智慧，其精准加工能力强化了建筑师的技艺。

如前文所述，在西岸人工智能峰会B馆的设计建造中，Grasshopper的结构运算插件使得建筑师能够从事结构性能的模拟与优化，FURobot等机器人插件也让建筑师可以管控大部分构件的预制化生产。机器赋予了建筑师前所未有的能力，也悄然地塑造了新的创作与生产模式。在项目的钢木复合网壳结构深化过程中，建筑师采用了以佐林格（Friedrich Zollinger）屋面为原型的互承式构件交错布置方案。在以往的实践中，佐林格屋面体系往往只适用于球面壳体或柱面壳体，但建筑师通过在Grasshopper中编写拟合算法程序，计算机能够快速地将佐林格屋面映射到设计的自由曲面上。建筑师向机器提供相应的算法和目标，机器则为建筑师求解可行的结果，人机孪生协同，解决了长久以来建筑师面临的难题——用0.5m高的木梁创造出最大跨度达40m的空间。

西岸人工智能峰会B馆中3D打印咖啡亭更全面地展现了人机孪生共造的潜力。在给定的范围内，设计团队从行为性能化、结构性能化出发进行算法生形，并使用拓扑优化工具减轻结构自重、减少材料耗费，得到了极具空间表现力的形式。随后，团队开发的3D打印路径生成和优化程序将设计的三维模型转化为用于生产的机器人打印路径文件，并由空间打印机器人在3周的时间内完成构件的制作。整个过程均由建筑师和机器人负责，人机孪生体已然具备建筑业全生产流程的能力（图8）。

4 展望数字装配

数字装配是新型建筑工业化的核心内容之一，它不仅以数据为载体连接了产业的各个生产环节，构建了一条从设计到建造的工业化流水线，更极大地拓展了创作主体的思辨与制造能力，满足了以性能化设计为代表的定制化、差异化需求。

上海西岸人工智能峰会B馆的实践集中体现了以数字装配为核心的建筑业生产范式转向。在短短的100多天时间里，创作团队完成了8 000多平方米建筑的装配式建造，展示了新型工业化生产的价值。在本项目中，机器与建筑师耦合孪生的新创作主体开始掌控建筑生产全流程，借助数据可视革新工作机制，以优化迭代、螺旋上升的三维体系取代设计—建造的线性结构；依托机器加工转变产业模式，以设计模拟、工厂预制、现场装配的集成架构取代当下粗放松散的建造流程。可以预见的是，这一趋势必将随着建筑师对数字技术的不断学习和机器的进一步迭代而日益显著。

20世纪60年代，Bernard Rudofsky提出了“没有建筑师的建筑”这一概念[5]。在今天看来，数字装配的发展将显著降低设计与建造的专业门槛。未来没有受过专业训练的大众甚至也可借此参与建筑的生产体系，勾勒出更为激进的去中心化社会生产的建造范式。

6 木构机器人加工异形木梁

7 屋面木梁预装配

8 空间打印咖啡亭

图片来源

图1，3，8 由田方方拍摄；图2，5，7 由西岸集团提供；其余图片由作者自绘或自摄。