走向建筑工业的“智能建造”

□ 徐卫国

当前建筑工业存在着一些问题，如从设计到施工各环节之间衔接不当而造成浪费；施工工地的环境污染；由于误差或施工质量问题造成能源的浪费；劳动力成本的快速上升导致人工劳动密集型的建筑构件加工及施工成本越来越高。种种问题迫使建筑工业进行升级改造。建筑工业的升级方向何在？其实，建筑工业的发展同时面临机遇，被称作工业4.0 的智能制造正在蓬勃兴起，这就意味着“数字建造”、进而“智能建造”成为必然。

智能建造作为经济及社会发展战略，在多种行业已经有了长足的推进，建筑行业也开始探索智能建造：如使用工业机器臂进行建筑构件加工及建筑现场施工。包括机器臂切削各种材料成型、机器臂叠层或空间打印构件、机器臂热线切割泡沫作为模具、机器臂多臂协同编织物件。在施工现场，机械臂自动砌筑墙体、机械臂绑扎钢筋、机械臂焊接作业、机械臂喷抹工作等等，这些自动或智能加工和建造项目可以提升建筑质量，可以大大节省加工及建造过程中人力成本的付出，可以提高复杂形体加工的精度和效率。更重要的是智能建造可以把工人从繁重的体力劳动中解放出来，进一步实现社会的平等与公平。

清华大学（建筑学院）-中南置地数字建筑中心研发的“机器臂自动砌筑系统”与国际国内现有砌砖系统不同，首次把机器臂自动砌砖与砂浆打印结合在一起，形成全自动砌砖及3D打印砂浆一体化智能建造系统；并在世界上首次把“自动砌筑系统”运用于实际施工现场，建成一座“砖艺迷宫花园”。在迷宫花园的设计及砌筑打印过程中，首先在犀牛软件里生成曲面墙体并布置砖块，接着设计出机械臂运动轨迹，并使用KUKA|PRC语言将其导出为机械臂可识别的程序语句；机械臂的动作包括用真空吸盘取砖、在指定位置放砖、翻转机械臂前端、根据砖块排布在砖面上打印砂浆等几个操作，运动轨迹命令中整合了机械臂对气泵等外部设备发出的控制指令，并经过避障设计；在程序中模拟后，由PRC导出程序用于机械臂执行，从而实现从数字模型到实际建造物的精确转化；这一自动砌筑系统的实际工作过程只需两人进行操作，一人控制键盘及程序输入，另一人准备砖块及砂浆材料，可大大减少人工的投入。

西班牙建筑师高迪在18世纪开始巴塞罗那圣家族教堂的设计施工时，一直通过绘制图纸并配合手工制作石膏模型来推敲方案并指导建设，前后共40余年，只建成了一个耳堂和四个塔楼之一，相当于整个工程量的五分之一。20世纪70年代末开始，圣家族教堂的建设运用了数字技术，将数字测量、数字建模、传统工艺与机器臂数字建造技术相结合，大大加快了建设进度。在构件设计、加工、建造过程中，先用3D打印构件的小比例石膏模型作为参考，经设计师确认打印出的参考模型无误后，再将构件模型设计文件输入到数控设备系统中，然后操纵机械臂对复杂的石材构件进行切割或雕刻加工，该建筑的大部分石材构件都是在工厂通过数控机器臂进行加工完成。

随着建筑相关行业及相关学科如智能制造、材料科学、环境技术的迅速发展，特别是目前大数据、云计算、人工智能、互动技术、虚拟及增强现实技术的不断开发，数字建造又无时不在寻求与这些新兴的科学与技术相结合，引领着建筑行业向着新的方向拓展，从而形成新的数字建造产业网链。在这一产业网链中，房屋建筑的全过程及各专业将充分利用数字技术实现建造目标。房屋建筑的全过程包括设计阶段、构件加工阶段、施工阶段、全寿命周期的物业管理阶段等；房屋建筑的各专业包括建筑设计专业、结构设计专业、水暖电设计专业、施工组织管理专业等，以及相关行业如材料及配送、构件加工、施工机械、物业管理等。数字建造产业网链的特点在于“全过程”自始至终，以及“各专业”相互之间具有连续且共享的数字流，它从建筑方案设计开始，是经过后续阶段及各专业不断添加、修改、反馈、优化的建筑信息；以此数字流为依据，房屋建筑的物质性建造依靠互联网及物联网、CNC（计算机数字控制机床）数控设备、3D打印等智能机械，实现高精度、高效率、环保性的房屋建造与运维服务。