智能建造：基于建筑机器人的木结构建筑小批量定制化生产模式探索的实践案例

导读

“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出：“发展智能建造，推广绿色建材、装配式建筑和钢结构住宅”。借助5G、人工智能、物联网等新技术发展智能建造，成为促进建筑业转型升级、提升国际竞争力的迫切需求。在此背景下，《建筑结构》杂志社特分享《基于建筑机器人的木结构建筑小批量定制化生产模式探索》文章中的两个实践案例，供同行学习、参考。

基于建筑机器人的木结构建筑小批量定制化生产模式探索的实践案例

文/袁烽，柴华，张啸

摘要

通过四川崇州道明竹里和江苏省园艺博览会木结构主题馆两个实践案例，对木结构建筑的小批量定制化生产与建筑机器人建造工艺进行了初步探索。竹里项目通过参数化设计技术与工厂定制生产的结合，成功将小批量定制化生产模式应用于乡村建筑建设；江苏省园艺博览会木结构主题馆项目则利用建筑机器人木构建造工艺，验证了小批量定制化模式在大跨度公共建筑建设中的应用潜力。

1、四川崇州道明竹里项目

（基于小批量定制的乡村木结构营造实践）

笔者在四川崇州道明镇完成的乡村建设项目——竹里（图1）是将小批量定制化生产模式应用于乡村民居营造中的典型案例。建筑的形态设计试图通过数字化的设计手段，有机融入乡村的场地、周围村落以及自然生态资源，建造过程采用工业化预制与现场装配相结合的方式，探索整合现代建造技术与乡村营造的模式。

▲  图1 四川崇州道明镇竹里项目室外实景

1.1 数字化建筑设计

自设计伊始，建筑试图最大限度地保留一草一木，并在自然的空间缝隙中建立一个当代建筑与自然乡村的对话。建筑场地由两块相互邻接方形宅基地组成，为了最大限度地保留场地周边的竹林和大树，设计采用两个相接的圆形几何形式将两块宅基地进行连接。通过对圆形几何的拓扑变换，实现“无限（∞）形”的屋顶形态设计。

1.2 参数化木结构体系设计

几何原型的拓扑变换是一种形态操作，本身并不具有参数化设计逻辑。设计通过寻找几何形式、结构体系与材料之间的逻辑关联建立了将几何形态转化为建造体系的参数化系统。参数化木结构系统以几何原型、材料性能、构件尺度等要素作为必要的输入参数，利用结构性能分析与优化方法，生成合理的结构建造系统，并通过参数化建模得以实现。本项目中，参数化木结构体系由结构柱、结构梁、斜撑、圈梁、檩条、椽条等构件组成（图2）。在参数化模型中，可以精准调整所有构件的生产物料尺寸以及加工节点的要求，从而实现对建造体系的定制化调整。

▲  图2 竹里项目的拓扑找形与参数化木构体系

1.3 建筑结构体系设计与优化

在参数化木构体系的基础上，对竹里项目的结构和建造方式进行了细化设计。建筑采用钢木混合结构，充分利用钢、木两种材料各自的力学性能。主体结构采用由钢木屋架和木柱组成的排架，排架之间采用双曲的钢管桁架或钢管梁连接。屋架上弦因受压采用胶合木，下弦因受拉采用预应力钢棒，腹杆根据建筑造型需要采用胶合木或工字钢。

因构件之间的连接节点均为多杆件空间斜交节点，节点连接异常复杂，兼顾安全和美观、又易于加工和安装对其进行优化设计。采用MIDAS有限元分析软件分别对竹里项目的整体结构和典型屋架进行了结构计算。

计算结果显示，对整体结构而言，恒荷载、活荷载共同作用下竖向位移最大值约为38mm，水平地震作用下的层间位移最大值约6mm，包络工况下木结构最大应力约为20N/mm2；对典型屋架而言，恒荷载、活荷载共同作用下竖向位移最大值约20mm，包络工况下木屋架最大应力约为20N/mm2。

1.4 建筑预制化生产与建造

在竹里项目中，参数化定义的结构体系中每一排屋架中梁柱结构的尺寸都不同，同时钢木结构的连接节点也随着屋面扭转而角度各异，为预制化生产带来了巨大难度。对此项目，采用数控加工设备进行非标准构件的定制化加工，实现了极高的预制化率，从结构体一直到节点连接件都实现了工厂预制生产、现场干法施工。主体建筑+室内+景观总的施工周期仅仅用了52d（图3）。

  (a)结构柱施工                        (b)屋架结构梁安装

(c) 室外檩条与椽条安装           (d) 室内檩条与椽条安装

▲  图3 竹里项目现场建造过程示意

当前，我国乡村建筑产业化进程还未有实质性启动。走向工厂化预制的乡村建筑实践将有效促进建筑生产流程的产业化升级。竹里项目（图4、5）在一个月的时间内实现了木构构件的预制生产，现场安装建造在52d内完成，实现了乡村木结构建筑产业化的试验性探索。

▲  图4 竹里项目建成后的实景

▲  图5 竹里项目室内实景

作为一期项目，竹里是村庄改造工程的试验项目，同样的设计手法与建造思路将在二期建造中以小批量定制化的建造模式进行推广。竹里项目的探索意义在于，项目试图采用先进设计与建造手段探索乡镇建设过程的新模式，这种模式将在充分考虑乡村劳动力状况、经济水平的基础上开辟一条更有实践意义的乡村建筑产业化道路。

2、江苏省园艺博览会现代木结构主题馆项目

（基于建筑机器人建造的大跨度木结构建筑实践）

江苏省园艺博览会现代木结构主题馆（图6）是对建筑机器人木构工艺和定制化生产模式的初步探索。江苏省园艺博览会现代木结构主题馆采用大跨度木拱壳结构体系，自由形态的木拱壳由形态各异的木构件及节点系统共同组成。

大批量非标准木构件的定制化生产是本项目的主要难点所在，也是本项目所要探索的核心技术问题。在本项目中将工厂预制生产与建筑机器人定制加工相结合——胶合木梁的胶合生产过程在木结构工厂中进行快速生产，而木构件的节点系统采用建筑机器人建造技术进行精细化加工，从而实现了胶合木梁及其节点的高精度生产。

▲  图6 江苏省园艺博览会现代木结构主题馆室内实景

2.1 建筑结构找形与优化

江苏省园艺博览会现代木结构主题馆的形态设计采用结构性能化设计工具，完成了一个满足场地边界条件的纯压力结构体系设计。

设计的初始形态随后被转译为斜交的四边形网格结构，网格的两个方向分别被赋予不同的结构作用：主梁方向采用连续的曲线木构件，以维持结构整体性；次梁方向采用离散的短构件连接相邻的两跨主梁（图7）。主次梁系统的划分有效提高了结构整体稳定性，同时降低了构件数量与节点难度。随后，采用OASYS GAS软件对网壳体系进行了非线性结构模拟，在此基础上完成构件截面尺寸优化设计。

▲  图7 园博会木结构主次梁布局设计

在综合考虑消防等因素的基础上，主梁和次梁构件的截面尺寸分别被设定为500mm×250mm与450mm×250mm。主次梁之间的节点采用螺栓板节点螺栓板植筋混合节点，通过大量结构计算及物理试验（图8）优化了两种节点的分布范围。

▲  图8 螺栓板节点刚度试验

2.2 木构件预制化生产

27根通长曲梁构件首先在工厂中进行胶合生产，CNC数控模板在构件胶合过程中起到了重要辅助作用（图9）。数控雕刻的胶合模板能够将构件形态、开孔位置等设计信息传递给胶合阶段，用于指导人工加压和定位。

 (a)主梁胶合                             (b)加工完成的主梁

▲  图9 大尺度构件的工厂预制化生产

胶合阶段以大尺度钢基座为平台，首先利用数控模板确定钢支架的定位，然后通过人工加压的方式进行胶合，根据模板位置灵活调整加压强度和位置，从而实现构件的粗略成形。构件胶合完成后，工人利用模板上的设计信息对构件进行打孔、开槽等精细化加工。

CNC模板的引入有效地将数字模型中的设计信息转化为加工信息，实现了复杂形态构件的“计算机辅助”建造。先进数控加工技术与传统工厂手工生产方式的结合一定程度上完成了传统工艺的数字升级。

2.3 机器人节点定制加工

网壳结构中大批量的非标准节点加工对传统木构建造工艺提出了严峻挑战?；谑止こУ慕ㄖ魅四竟菇ㄔ旃ひ瘴孟钅康慕诘慵庸ぬ峁┝思际醣Ｖ?。采用转速18000r/min的铣削主轴对构件节点进行数控铣削，通过转换铣刀实现开槽、打孔等不同工序的精细化加工（图10）。

(a) 节点铣削过程

(b) 节点铣削工具

▲  图10  建筑机器人定制加工次梁构件节点

建筑机器人铣削建造逻辑与传统手工建造逻辑类似，遵循由小及大的顺利逐步去除材料。从几何形态到建造路径之间的转换能够在建筑设计平台上完成，避免了传统CNC铣削加工前期繁复的数据转换和模型重建工作。

在建筑机器人铣削加工过程中，构件节点不可避免地会出现局部“圆角”，但是通过在设计建造的整合模型中对这一限制进行充分考虑，能够有效避免圆角带来的负面效果。在建筑机器人建造工艺的辅助下，大批量复杂节点的加工得以顺利完成，在经济性、效率和加工精度方面展现出显著优势。

2.4 木结构现场装配

除了木构件以外，螺栓板节点和植筋也在工厂中进行定制生产，木网壳结构系统实现了极高的工厂预制率。现场施工主要为预制构件的拼装（图11），主体结构在一个月的时间内全部装配完成。为了实现复杂空间结构的精确施工，现场布设了200余个测量控制点，全程采用全站仪进行实时位置测定。

▲  图11 木结构现场安装过程

在前期施工中，通过将建筑基础施工误差反馈给设计模型，实时调整模型和构件加工信息，最大限度地减小前期施工造成的累积误差。在木结构施工过程中，满堂脚手架系统作为操作平台辅助构件定位安装，同时在脚手架系统与构件之间设置调节装置，允许构件在三个方向上进行微调，有效保证了施工精确度。

江苏省园艺博览会现代木结构主题馆建筑面积约为2 000m2，采用胶合木结构实现了40m的最大跨度。网壳结构中27根曲线长构件、184根直线短构件以及368个钢结构节点形态各异，但建筑机器人木构建造技术的引入高效地实现了网壳结构的定制生产。结构主体从定制化加工到组装完成仅花费4个月的时间，充分展现了建筑机器人定制化生产的潜力。

结语

本文通过两个实践案例对木结构建筑的小批量定制化生产与建筑机器人建造工艺进行了初步探索。建筑数字化设计与建筑机器人建造技术的逐渐成熟为小批量定制模式提供了技术基础。随着建筑机器人等新兴建造技术对木结构建筑产业的更新升级，木结构建筑的个性化定制生产有望突破经济和效率的局限，成为当前木结构建筑建造的有效模式。尽管小批量定制建造模式的产业化发展还有很长的路要走，但基于建筑机器人建造的小批量定制化模式将有效推动木结构建筑产业的更新升级。

作者简介

袁烽，同济大学建筑与城市规划学院教授；美国建筑师协会荣誉会士（FAIA）；国际建协职业实践委员会(UIA-PPC)理事委员；Architectural Intelligence期刊主编；麻省理工学院、皇家墨尔本理工客座教授，弗吉尼亚大学托马斯·杰佛逊教席教授?；窆式ㄖπ酇uguste Perret建筑技术大奖，美国建筑师协会国际建筑荣誉大奖，Dezeen全球年度最佳Civic Building奖等国际奖项；获华夏建设科学技术奖一等奖（排名1），ACADIA学术创新大奖，教育部科技进步奖二等奖（排名1），第五届中国出版政府奖图书奖等。主持十四五重点研发项目等国家级、省部级科研项目十余项。

（责任编辑：何雯丽）

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