你能想象将来有一天可以从机器人“缝”起来的房子里走出来，漫步在3D打印的桥上吗？
近日，同济大学建筑与城市规划学院举办的“上海数字未来”系列活动展示了数字科技的未来。在展会中，人们见到了世界上第一座使用改性塑料的3D打印步行桥，还有使用建筑机器人将3毫米木材“缝起来”的房子，想象中的一切都在这里实现了。
早前世界经济论坛就曾发布报告称，未来几年将有510万工作岗位被机器人“抢走”。那么，随着建筑机器人的研发与投入使用，建筑行业的饭碗是否也已经保不住了？智库采访了同济大学建筑城规学院教授、博士生导师袁烽教授，为我们专业解读建筑机器人。
受访者 | 袁烽 同济大学建筑城规学院教授、博士生导师
整理者 | 吴庚石 李蓉
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建筑机器人有多牛？
第一，建筑机器人可以不厌其烦地、二十四小时不休息地工作，而人是做不到这一点的。尤其在恶劣环境下，如果气温达到四十度以上，正常的工人是不可能在工地上施工的。而建筑机器人，它是可以在各种条件下工作的，不受外界环境的影响。
第二，建筑机器人可以比人做得更精准。人是难免要犯错的，但是机器人是根据程序先预设好的模型，所以它不会犯错，除非你的程序错了。如果程序验证是没问题的，它永远不会犯错。
第三，建筑机器人可以完成人做不了的事情，如某些特定情况。假设砌砖，比如我要砌一行砖墙，每个砖之间只有0.5毫米的差距，累积起来可以实现一种渐变，像流水一样的效果。对于其他柔性材料是可以实现的，但是对砖，用人的手是砌不准的，而机器人则可以实现非常精准的定位。并且机器人的效率很高，可以完成一些人无法完成的精度，到达人工无法完成的部位，比如，由于人的身高、臂长的限制而达不到的位置，机器都可以很轻松地达到。
机器人增材木结构建造
机器人铣削工艺
机器人木缝纫工艺
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建筑机器人究竟是什么？
现在我们所说的机器人分为两类，一类被称为人形机器人，一类则是工业机器人。我们现在用的主要是工业机器人，它的外表并非人形，但其实提供了一种智能化的建造方式。所以它可以作为建筑产业化实践平台的一个载体。
建筑机器人实际上是通过机械臂来实现空间的精准定位的。这就是相当于人的一只手臂。两个机器人就可以相当于人的两个手臂，通过腕关节、肘关节还有肩关节，以及编程的方式来控制一个自动化的生产过程。所以建筑机器人，实际上是未来建筑产业发展的载体和平台。
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建筑机器人是怎么造出来的？
我们通常的研发主要包括三个部分：
第一部分，是建筑机器人前端——工具端。这个工具端是用来砌砖，还是3D打印，还是用来做机器弯折，是可以通过我们的工具研发来单独实现的。至于机器人本体部分，由于世界格局的划分已经相对确定，现在最好的机器来自一些国际上的品牌。我们现在主要是用德国的库卡（KUKA）来做技术平台，核心的技术研发主要是在它的工具端，以及软件编程对它的一个控制。
第二个部分，最终怎样把机器人这种共性的本体——就是库卡（KUKA）的这个部分——应用到建筑领域，是我们的核心研究内容。所以我们主要做的是建筑机器人。它可以用来造车，还可以用来造船，还有一些其他领域……总之，我们主要是专注在建筑学领域的一个研究。所以它的工作原理，其实是用计算机来控制一个机械臂，特别是机械臂的端部使用。这是一个工具手，我们称之为一个工具端的研发，这是我们的核心技术。
第三个部分，我们的研究内容实际上是通过产业群系统集成解决方案，研究这里面包含的集成装备。首先，它是在车上走，还是在梁上面工作，总归就是要把机器人安装于特定的工作环境下，这个工作环境的设定是由我们来做的。然后，我们要把不同的建筑工艺，按照例如建筑学里面混凝土、砖、木等不同的材料划分出不同工艺。以前的传统是叫不同工种：水电工、混凝土工等等。但是我们现在把机器人通过工艺来进行了划分，按照不同工艺与一套设备、软件来实现成套的产业开发。建筑机器人的原理和我们的研发内容基本是这样的。
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建筑机器人何时能取代建筑工人？
现阶段，劳动力成本每年都是以超过10%的速度在递增。最早在改革开放初期，造一座房子的成本当中，人工费只占其中的10%左右。而到现在，像上海地区造一个房子，人工费在里面占到35%。在早期人力成本比较低的情况下，其实还是人工比较划算。根据日本的研究，其实35%是个临界点，超过35%以上，用机器替代人就越来越划算。如何用机器换人，就是我们研究的一个起点。现在在日本，人工费占50%，香港占到55%，新加坡差不多也是50%到55%之间，所以发达国家对于这种数字建造和预计建造是非常有积极性的，包括产业化程度也是非常高的。
我们国内的情况是才刚刚起步，刚刚达到35%这个临界点。所以在未来的五年、十年甚至更长的时间里面，用机器人替代建筑工人会成为一个大的趋势。因为用机器人可以实现更高的劳动效率，更强的精准度，以及对更先进工艺的推动。
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建筑机器人造的房子有多好？
我们现在已经开发了十几种建筑机器人的建造工艺。就工艺来说，主要是针对手艺人的独特技能。比如像香山帮（苏州香山地区的木匠，人称“香山帮匠人”）这样的匠人，能做出很精细的木雕；竹编的艺人，可以做精细的竹编；还有做砌砖很好的工人，或者电焊很好的电焊工。现在我们正试图用所有的机器人来替代这些工艺。像焊接，机器人的焊接可以在全天候情况下完成非常精准的金属焊接工作。像编织，用机器人来实现塑料的编织、碳纤维的编织，甚至也可以实现竹子的编织。只要它能够用一种逻辑、算法、程序来概括，那么机器都可以实现。
现在有很多种工艺已经实现了一种升级。升级主要体现在几个方面：第一个是砖构，我们在上海“池社”已经有现场机器人砌筑的这个项目，这是一个位于徐汇滨江的已建成项目。第二个是木构，也很成熟了，我们在苏州太湖边上做了“苏州园博会”的一个展馆，实现了四十五米跨度的空间双曲面网壳木构。机器人加工木构件，在成都的“竹里”项目中得到实现。这个项目52天完成了所有建筑结构以及景观，是一个高速推进的项目。
木材作为历史最悠久的建筑材料之一，展现出了极大的建筑需求可能性。凭借计算设计的创新，数字建造已经在材料科技上迅速提升了木头作为应用材料的范围，通过数字化的预制技术以及机械臂的精准组装来探索复杂的几何木结构形式。无论是曲面还是杆件，支撑整个结构的永远是杆件的骨架本身，两种表现方式均结合Millipede（“千足虫”软件）对线性杆件的快速分析和优化功能对结构骨架进行了优化。
现在，我们正在探索的是3D改性塑料打印桥项目。
2017年 苏州园博会现代木结构主题馆
2017年 四川竹里
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3D打印步行桥的建造有什么特点？
像塑料这种材料，是非常有潜力的。因为这种复合材料有很好的可塑性、可打印性，以及抗拉抗弯性能。这在我们其他的化工领域、日用品生产里已经有很先进的产业体系了。但在建筑领域还没有被大范围地使用，这主要是受限于生产方式以及它的可塑性。有了3D打印，我们就可以打印各种大尺度的构件。这次我们完成的是14米、净跨达到11米的桥的打印。对于这种塑料的大跨度打印，我们是第一个进行探索的。对此，我们在美国国家基金委做了论文宣讲，取得了非常好的反响。
目前，这个桥还在实验阶段，我们正在对它“改性材料”的性能做进一步的优化。今年九月下旬，我们会在上海打印一个大房子，这个房子全部用塑料打印来做。从桥到一个小型的建筑，我们正在实现的是建造难度的一个拓展和探索。
2017年 同济大学建筑与城规学院上海数字未来工作营 3D打印步行桥
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未来会有完全由机器人建造的建筑吗？
机器人对于建筑产业的替代是一个过程。我们现在强调的并不是绝对意义上的去建造一个完整的房子，而是部分工艺和房子的某些部位，比如从结构构件到外围护构件的一些替代。这将是一个渐进式的替换过程——机器生产、机器安装或者是大尺度的整体标准层。这种工艺的一个台模式做法，其实都是新机器人的生产工艺。它在建筑领域的使用会随着工艺和机器人的研发逐步地往前推进。但是现在，我们正在寻找转化的时机，要被整个产业接受还是需要时间的。
延伸阅读
建筑机器人建造产业：创造建筑数字未来
随着机器人建造引领的数字化设计与建造技术的发展，全生命周期的管理理念、基于BIM平台的设计支持工具、以机器人为主的数字化加工设备，都大大促进了建筑产业向模块化、性能化、定制化的方向转变。建筑师得以站在一个更长远与持续的角度来看待设计问题，以机器人为主力的数字建造充分发挥了精确、高效、高性能的特点，实现了集约化生产建造，降低了能源和材料消耗。
文 | 袁烽 同济大学建筑城规学院教授、博士生导师
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建筑机器人产业化发展模式
从数字设计到建筑机器人建造的行业整合。在数字技术的辅助下，性能化建构强调建筑原真性以及客观性，关注建筑单元对人体感受、环境条件以及结构有效性的性能参数信息。在性能化建构中，性能优化结果所呈现的空间复杂性和表皮渐变特征，对于以手工建造为主的传统建造技术来说是一个巨大的难题，而机器人工作平台基于参数信息的操作模式，为性能化建构提供了物质可能性。建筑师通过对结构、环境以及行为性能进行特征分析，通过模拟、运算和优化，构建空间形态与性能参数间的设计逻辑。基于机器人建造技术的结构、环境以及行为性能化建构，建筑师和工程师之间建立了一种创新合作方式。
从机器人工艺到大批量定制化生产。随着建筑数字技术的成熟，以机器人为主的数控设备不断为设计与建造提供技术支持，大大促进建筑产业向定制化和智能化的方向转变。借助机器人，设计与建造的界限逐渐模糊，这将从本质上影响未来建筑的生产方式以及评价标准。在未来，建筑不再是标准化构件的现场装配，取而代之的是非标准化构件的机器人定制化生产和智能化建造装备下的机器人现场建造。以机器人为核心的数字建造将充分发挥其精确、高效、高性能的特点，实现高质量的个性化集约生产。
建筑机器人自动化系统。机器人在某些情况下，因为自身臂展和负重的限制，无法胜任某些大型或复杂建筑的建造工作。这便需要通过对数字化建造工具和机器人技术的整合设计，打造智慧建造施工装备，发挥机器人稳定、快速、高效的建造优势，将机器人建造技术与传统建筑设计平台对接，完成建筑构件的几何数据与机器人运动轨迹的衔接，实现一体化的机器人建造流程。
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建筑机器人建造工艺
建筑机器人建造工艺
数字建造对砖、石的产业升级基于单元砖体均匀分布的材料特性。通过改变砖体间的连接方式和空间发展方向，突破了长久以来的空间结构极限。采用砖体的形式语法进行生形并对墙体的结构性能进行优化，通过遗传算法对产生结果进行迭代筛选，使得砖这种古老材料在本质意象和传统做法中寻找结构性能上的更多可能性。机械臂的空间精准定位使得这种预设走向实际建造，在多段墙体连接后能够形成一段稳定、连续且具有强烈视觉冲击力的砖墙序列。另外，机械臂工作站的综合性流水线模式，大大提高了现场施工的效率和准确度，保证了数字砖墙结构性能的完整度。
3D混凝土打印。3D打印混凝土技术是将3D打印技术与商品混凝土领域的技术相结合而产生的新型应用技术，其主要原理是将混凝土构件利用计算机进行3D建模和分割生产三维信息，然后将配制好的混凝土拌合物通过挤出装置，按照设定好的程序，通过机械控制，由喷嘴挤出进行打印，最后得到混凝土构件。3D打印混凝土技术在实际施工打印过程中，由于其具有较高的可塑性，在成型过程中的无需支撑，是一种新型的混凝土无模成型技术，既有自密实混凝土的无需振捣的优点，也有喷射混凝土便于制造繁杂构件的优点。
2016年 3D打印声学柱
3D改性塑料打印。应用于建筑领域的大尺度三维打印主要有两方面的问题，一是打印设备与路径编程，二是打印材料。应用机器人平台进行大尺度改性塑料三维打印是一项针对建筑尺度构件的三维打印技术。集成多外部轴的机器人系统可以稳定高效地实现大尺度的打印路径，并且由于机器人的多维性，可以实现超越传统三轴系统的打印动作，从而完成一些特殊的打印形式。而基于传统三维打印材料的改性塑料着力与解决大尺度打印中的材料强度和形变等问题。该项技术已经实现了超过6米构件的整体打印，并且应该用该技术完成了两座步行桥的整体打印，验证了该改性塑料材料在可打印的同时也具有较好的力学性能，具有成为结构构件的潜力。该技术在未来将进一步提升材料性能和与三维打印工艺想配套的构造工艺，使之能真正应用于建筑构件的生产之中。
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建筑机器人建造产业化实践
浪桥（Wave Bridge）项目包含两座跨度分别为4m与11m的步行桥，该桥使用改性塑料并利用先进的机器人打印技术制造而成。桥身设计主要分为找形与结构分析两大部分，并运用到多款参数化软件辅佐设计。桥身首先通过Kangaroo分别找出上下桥面的两条受压曲线作为基础形态，再根据基地限定条件在Millipede中对初始桥身横截面做结构拓扑优化以达到去除利用率较低材料的目的，最后根据结构软件Karamba得出的应力分析图确定大跨度桥身分块做法的切块位置以保障最大程度降低其对整体结构性的破坏。在通过有限元结构分析软件Abaqus对桥身结构进行计算后，其结果验证了即使在最不利情况下两座桥身均不会发生严重结构问题。最终根据桥身模型编写出合理的打印路径并导入机器人设备，在经过两周左右的加工时间，两座桥身实现预制化生产并在现场完成快速安装。
第九届江苏省园艺博览会现代木结构主题馆由上海创盟国际建筑设计有限公司与苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司合作设计建造完成。主题馆总建筑面积1890㎡，室内空间完整简洁，最大化的保留空间的纯粹性，为展览和未来的使用提供了极大可能性。结构最大跨度达45米，采用木结构空间网壳结构体系，借助数字化结构性能找形和优化技术生成结构形式，创造了建筑形式与结构性能的高度统一。Fab-Union团队为大批量木构件的定制化加工提供了机器人数字建造技术，有效地保证了主题馆木结构的精确加工。项目的设计、研发、加工、安装各环节极致演绎了传统木构技术与现代科技的融合。
竹里是2017年初创盟国际在四川乡村完成的一个与当地乡村生活结合、功能复合而又多样的乡村社区文化活动交流中心项目。该项目合理融入原有场地，与周围村落结合，试图探索城市与新乡村建设的功能互动，新建造技术与当地手工艺的紧密结合，以及传统营造方式与预制化木构架工业化预制建造管理等等不同层面的建筑行业问题，同时将施工周期控制在极短的时间之内。这个在乡郊田野上盘旋着的青瓦房，实际上是由70%轻型预制的钢木构架支撑起的一个内向重叠的环形青瓦屋面，而盘旋的屋面自然而然的形成了两个内向的院落，为室内提供了丰富的景观层次。内与外，竹与瓦，新与旧。材料的历史感与形式的现代性产生共鸣，而传统建造方法与现代产业技术都在此扭转的时空中得以融合；项目对传统建造范式的现代定义，以及对乡村和城市问题再思索都为思考建筑在当下的意义提供参照。而形式上融合与无限（∞）成为建筑对时间、对新传统建造的隐喻，是“竹里”的精神内涵与形式外延。
2017年 四川竹里
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建筑机器人建造产业化研究现状
同济大学建成环境技术中心的“高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室”下设四个重点实验中心,其中 “数字设计研究中心”(Digital Design Research Center,简称DDRC)作为同济大学建筑与城市规划学院研究数字化建筑设计方法和建筑机器人建造产业的重要平台，是高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室体系研究范畴的重要组成。研究中心下辖数字建造实验室(Digital Fabrication Lab)和生态数字表皮实验室(Eco-skin Lab)两个子实验室。已经拥有包括: 云计算平台; 5 轴联动数控中心；14 轴联动建筑机器人加工中心；激光3D打印中心；超高压水切割数控中心等硬件工作平台。在科研成果方面,DDRC已经取得12项专利，并有3项专利正在申报过程中。
2015年 同济大学建筑与城规学院上海数字未来工作营 “集群建造”
2015年 同济大学建筑与城规学院上海数字未来工作营 “集群建造”
从2011年开始至今，同济大学建筑与城市规划学院袁烽教授基于对建筑机器人产业化发展前景的信心和热爱，与哈佛大学客座教授尼尔·里奇(Neil Leach)共同组织策划了7届上海“数字未来”(DigitalFUTURE Shanghai)系列学术活动。活动坚持国际化与本土化的结合，以同济大学为平台，每年针对数字设计与数字化建造提出一个主题,并围绕主题进行国际会议探讨、数字研习班(Computation Workshop)、建造工作营(Fabrication Workshop)和国际成果展览四位一体的创新教学实践。参与活动的有来自知名先锋事务所的建筑大师、国际事务所、国内建筑大院的负责人、国内外知名建筑学府的教授,也有来自同济大学、美国南加州大学、华南理工大学和中国美术学院等著名高校的学生。上海“数字未来”系列活动自2012年来一直秉承着建构新知识系统开放性和平等性的理念，打造数字化建筑行业领先的研究学习平台。
