基于增強現(xiàn)實技術(shù)的輔助預(yù)制化建筑構(gòu)件搭建的探索

鄒國強

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司 上海建筑數(shù)字建造工程技術(shù)研究中心，上海 200092）

0 引言

近年我國勞動力的匱乏使得很多沒有經(jīng)驗的農(nóng)民工涌入建筑市場。由于沒有相關(guān)經(jīng)驗，他們在和指導(dǎo)施工的人員進行任務(wù)交接時并不能很好地理解工作內(nèi)容，對整體工程的推進造成了一定的阻礙。并且由于技術(shù)創(chuàng)新不夠，建筑在施工過程中造成的很多問題都無法解決，比如材料再利用率低，以及施工過程人力勞動密集等。這三者導(dǎo)致了資源耗費和施工誤差等問題，在這種情況下，自動化和機器人裝配等技術(shù)應(yīng)運而生。事實上，施工前的計算分析有助于減少浪費，機器人的參與可以解放施工過程中的大量人力。然而這些方法還沒有成熟到能夠廣泛應(yīng)用于實際建筑工程中，因為建筑業(yè)是一個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，以往項目的數(shù)據(jù)積累不足，所以建筑業(yè)作業(yè)過程數(shù)字化程度較低[2]。也正如Gramazio和Kohler[3]所說：“實際上，沒有一個特定的機器人領(lǐng)域適合用于建筑領(lǐng)域”。工業(yè)機器人目前并不適用于建筑領(lǐng)域，因為它們還不夠成熟，無法應(yīng)用于建筑實踐。

綜上所述，本文提出了一個過渡期的概念，即以人力和人力操控的機器為主的建造時代和完全智能機器化的建造時代中間的過渡期，在此期間人們可以借助可穿戴設(shè)備和增強現(xiàn)實技術(shù)的指導(dǎo)來建造自己的建筑。

1 預(yù)制構(gòu)件形體設(shè)計

該項目是一個面向所有人的預(yù)制建筑模塊的架構(gòu)，即使沒有建筑知識的普通人也可以在增強現(xiàn)實技術(shù)的幫助下建造自己的房屋。圖1展示了預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)運輸和在AR技術(shù)輔助的情況下進行建筑裝配的流程。

圖1 預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)運輸和在AR技術(shù)輔助的情況下進行建筑裝配的流程

圖2 不同尺度的預(yù)制構(gòu)件以及其與人體尺度間的關(guān)系

該項目的基本構(gòu)件是一系列不同尺度的帶插槽的平板木板。構(gòu)件設(shè)計的靈感來源于Minecraft，在這個游戲中，玩家將得到100多種不同類型的積木來制作自己的建筑。這預(yù)示著，建筑語言的每一部分都可以被具有不同特性的形體簡單地進行重塑。在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，建筑構(gòu)件將由數(shù)控技術(shù)設(shè)備進行預(yù)制，因其優(yōu)勢，這種做法已被許多項目所采用，比如WikihouseRio、 SIM 和 Facit Homes等。首先，預(yù)制好的構(gòu)件便于運輸，同時也減少了施工現(xiàn)場進行材料處理的時間，方便項目快速建設(shè)。其次，插槽設(shè)計取代釘子作為連接接頭，簡化了施工步驟。另外，我們還將人體尺度作為我們的預(yù)制件的考慮設(shè)計元素之一，便于使用者進行基本操作。圖2展示了不同尺度的預(yù)制構(gòu)件以及其與人體尺度間的關(guān)系。

此外，盡管手動裝配是一種基本而有效的建造策略，但它也會受到人為誤差的影響。在這種情況下，我們在裝配過程中需要一些參照和指導(dǎo)。該項目采用計算方法來生成和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并使用可穿戴設(shè)備來可視化生成過程。人們可以按照可視化引導(dǎo)組裝結(jié)構(gòu)，了解當前的建筑狀態(tài)，并基于AR設(shè)備的反饋確定下一步的動作步驟。

2 計算機結(jié)構(gòu)生成與優(yōu)化

計算機在處理數(shù)據(jù)時比人更高效。相比體系分明的傳統(tǒng)建筑，人們很難著手處理數(shù)以千計的建筑預(yù)制件。因此，將各種現(xiàn)實條件量化為數(shù)據(jù)，并利用計算機模擬找出最佳策略。然后在項目中，使用者將通過可穿戴的設(shè)備來可視化這個構(gòu)建過程，從而逐步手動構(gòu)建出完整的建筑模型。

計算機模擬部分的目的是在有限空間以最少的預(yù)制件數(shù)量生成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。首先，我們會在一個給定的空間中放置一些空的空間，然后用算法按照特定的組合規(guī)則將預(yù)制件填補到剩余的空間，形成一個可以使用的空間結(jié)構(gòu)。這之后結(jié)構(gòu)強度模擬試驗會對結(jié)構(gòu)進行測試。在模擬試驗后的優(yōu)化過程中，各位置的預(yù)制件會重新排列，直到施加在各部件上的力大于其承載極限的70%。上述要求都被滿足后，我們就得到了理想的模型。這樣一個模型生成和優(yōu)化的過程如圖3所示。

圖3 虛擬的建筑搭建過程以及基于機構(gòu)優(yōu)化目的的力學(xué)測試過程圖

3 建造策略

該項目選擇手工裝配作為施工策略。選用該策略的原因是：首先，與國外高人工費、高成本的機器人搭建相比，我國手工裝配顯然是更為經(jīng)濟的選擇；其次，高科技對用戶的專業(yè)技能有著更高的要求，會限制受眾人群，相比普通人操作，復(fù)雜的機器人裝配策略更適合行業(yè)專家；自動化和機器人裝配技術(shù)的不成熟也是我們選用手工搭建的原因。以Wikihouse為例，Wikihouse是一個開源的建筑項目，使用者可以在Wikihouse的網(wǎng)站上下載建筑模型以及構(gòu)成該模型所需的預(yù)制件參數(shù)，然后在當?shù)氐墓S把預(yù)制件加工出來，再在基底上進行建造[4]，這是一個實驗性的項目，有一定的缺陷，但也是一個具有潛力的項目，該項目在世界各地已經(jīng)實踐了450多個。在Wikihouse這個項目中人們手動建造自己的房屋，這展示了手工裝配的潛力，可見這種傳統(tǒng)的建筑方法依然很受歡迎。

4 增強現(xiàn)實可視化引導(dǎo)

由于該項目旨在面向沒有建筑基礎(chǔ)的廣大人群，因此，在確定了搭建方式之后，還需要一種視覺引導(dǎo)技術(shù)在施工過程中為用戶提供指導(dǎo)。該項目選擇了增強現(xiàn)實技術(shù)。事實上，增強現(xiàn)實技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，而我們之所以不使用其他類似的技術(shù)，比如虛擬現(xiàn)實，是因為虛擬現(xiàn)實提供給人們的是完全由計算機生成的內(nèi)容創(chuàng)造的沉浸式體驗。虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)品可以是預(yù)先設(shè)置好的，并不能對外界的變化做出反饋。然而，施工是一個動態(tài)的過程，在整個過程中需要不斷地調(diào)整。

該項目在進行裝配過程中，只需遵循可穿戴設(shè)備的視覺引導(dǎo)，用預(yù)制件逐層手動地搭建出計算機優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)即可。用戶能夠通過可穿戴AR設(shè)備看到虛擬的三維結(jié)構(gòu)，因此這些視覺引導(dǎo)比圖紙更直觀、更便于理解（圖4）。

圖4 人機交互界面展示

5 結(jié)語

該項目的建造策略運用在建設(shè)小型住宅上具有明顯優(yōu)勢。首先，廉價材料和自組裝策略的運用能夠減小資本對建筑業(yè)的干預(yù)。其次，預(yù)制件能夠減少施工時間和減小施工作業(yè)時產(chǎn)生的污染，另外直觀的視覺引導(dǎo)對沒有任何建筑知識的人來說也都容易理解。該項目如果能應(yīng)用在真實項目中，將會在很多方面產(chǎn)生重大影響。以公眾影響為例，這個建造策略可以提供人們負擔得起的房子，并幫助人們在建筑市場中轉(zhuǎn)換角色，自行組裝自己的建筑，從消費者變成生產(chǎn)者。同時，該項目在救災(zāi)方面也可以做出貢獻。預(yù)制化的組件能夠方便運輸，特別是在交通條件惡劣的偏遠地區(qū)。最后，預(yù)制件也能被拆下再利用。

有些人會質(zhì)疑建筑業(yè)完全自動化前過渡策略的必要性。事實上，在機器人工業(yè)發(fā)展形勢大好的背景下，相當一部分人對自動化和機器人在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用持樂觀態(tài)度。一些人甚至相信在十年內(nèi)建筑行業(yè)就能實現(xiàn)全自動化。然而，有一件事是不容忽視的，那就是早在20世紀70年代，數(shù)字技術(shù)就已經(jīng)在測試，而事實是自動化策略仍在實驗室中進行測試。有人說我們現(xiàn)在在完全自動化的時代到來之前的黎明前期，但是這一階段會持續(xù)多久沒人知道。因此，在建筑行業(yè)的自動化水平處在起步階段時，該項目將傳統(tǒng)手工技法與自組裝、計算模擬和增強現(xiàn)實等概念和技術(shù)進行結(jié)合，是比較踏實和有利于推動建筑行業(yè)內(nèi)部的革新和進步的。