數(shù)字裝配
——上海西岸人工智能峰會B 館中的范式轉(zhuǎn)向

袁烽 羅又源

同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

基礎(chǔ)技術(shù)與工藝的跨越大大推動了建筑業(yè)的發(fā)展，這一趨勢自20世紀(jì)以來尤為突出。第二次工業(yè)革命帶來了批量化的新材料，開啟了建筑學(xué)的現(xiàn)代主義思潮；第三次科技革命引入了信息的維度，數(shù)字建筑學(xué)應(yīng)運而生。建筑學(xué)一直在追趕科技發(fā)展的脈絡(luò)，然而隨著以數(shù)字技術(shù)為代表的前沿技術(shù)快速迭代，建筑業(yè)相較于主流制造業(yè)，在工業(yè)化、智能化水平上仍有不小的落后，粗放、低效與經(jīng)驗化的建造生產(chǎn)模式仍然是行業(yè)主流。

因此，新型建筑工業(yè)化是當(dāng)下推動產(chǎn)業(yè)變革的重要著力點，以數(shù)字技術(shù)為依托，借助人機協(xié)作梳理從設(shè)計到建造的全流程，重塑產(chǎn)業(yè)分工，進而形成以數(shù)字裝配為核心的生產(chǎn)范式。上海西岸人工智能峰會B館即是對這一范式轉(zhuǎn)向的有力嘗試，在極短的工期內(nèi)，建筑師打破了常規(guī)會展建筑的設(shè)計與建造方式，運用建筑機器人預(yù)制裝配技術(shù)，高質(zhì)量地完成了整個項目（圖1）。

1 設(shè)計可視化

上海西岸人工智能峰會B館（以下簡稱“人工智能峰會B館”）是2018世界人工智能大會的主會館之一，坐落于上海西岸濱江地區(qū)。歷經(jīng)多年的改造營建，西岸形成了平實素樸的公共藝術(shù)建筑群和簡潔典雅的空間氛圍。由此，人工智能峰會B館采用了三個長方形體量作為主要空間，在滿足展覽會議功能的同時，具有多樣性和通用性。三個主要體量進一步旋轉(zhuǎn)拼接，呼應(yīng)城市肌理，又順勢產(chǎn)生了兩個三角形的半開放公共空間。由于種種因素，這五個大跨空間的設(shè)計與建造需在100多天的時間里完成，極短的工期驅(qū)使創(chuàng)作團隊探索通過數(shù)字可視化技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)計建造全流程的快速把控（圖2）。

所謂“可視化”，即溝通虛擬化設(shè)計和物質(zhì)化建造之間的信息媒介[1]。本項目中，建筑師基于Rhino-Grasshopper平臺，將方案的形式、結(jié)構(gòu)、構(gòu)件加工、建造方式等諸多信息集成并以三維形體呈現(xiàn)，總攬設(shè)計、模擬、優(yōu)化與建造的所有環(huán)節(jié)，進而實現(xiàn)了對建造進度與質(zhì)量的管理。三維模型取代二維圖紙和文字，成為溝通各方各環(huán)節(jié)的信息載體，規(guī)避了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中建筑、結(jié)構(gòu)、施工多單位反復(fù)溝通協(xié)調(diào)的時間成本，并可作為最終建造過程中細(xì)化到每一個構(gòu)件的加工安裝指南。如果把設(shè)計本身理解為通過不斷的迭代來探索最終結(jié)果的過程，“可視化”大大增加了迭代數(shù)量，提升了設(shè)計的創(chuàng)造力[2]。

人工智能峰會B館采用了輕量裝配式體系，其中兩個三角空間使用鋼木復(fù)合網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，營造輕盈通透的空間意象。然而，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)雙曲面的幾何形式給設(shè)計工作帶來了難度：一方面，建筑師需要與結(jié)構(gòu)工程師合作，保證網(wǎng)殼的力學(xué)性能；另一方面，要兼顧形式邏輯，考慮構(gòu)件的可建造性。對此，設(shè)計團隊借助Grasshopper平臺中的Kangaroo插件對網(wǎng)殼進行結(jié)構(gòu)性能化生形，輸入幾何邊界條件、材料性能即可快速得到多組可能的“解”。建筑師再進一步根據(jù)網(wǎng)殼形態(tài)、構(gòu)件布線和支撐條件進行比選，歷經(jīng)多次優(yōu)化迭代，確定了網(wǎng)殼與豎向支座分離的結(jié)構(gòu)方案。此過程中，原本難以捉摸的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)被數(shù)字工具轉(zhuǎn)化為可見可感的具體形式，由此建筑師可以在設(shè)計中直接對結(jié)構(gòu)體系進行深入的探討和推敲，從而達到結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)與空間形態(tài)協(xié)調(diào)。

1 鳥瞰

2 總平面圖

可視化的設(shè)計亦讓構(gòu)件的生產(chǎn)建造在設(shè)計中變得可控。本項目中，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的一大難點是如何克服水平方向的側(cè)推力，一般而言可以通過添加斜撐和弦支拱殼的方式加以解決。但為了得到輕盈漂浮的屋面效果，設(shè)計團隊采用了外圍桁架加水平拉索的形式，利用鋼木兩種材料的差異化力學(xué)性能和良好的互通性作為不同的構(gòu)件部分，形成了由外圍圈梁、雙向交叉構(gòu)件、三向交叉構(gòu)件、拉索組成的結(jié)構(gòu)體系。整個體系主次分明、邏輯清晰，展現(xiàn)了明確的空間層次。針對這一復(fù)雜的鋼木復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，建筑師在設(shè)計過程中根據(jù)木構(gòu)件加工要求在三維模型中實時調(diào)整，并結(jié)合結(jié)構(gòu)運算插件校核，從而保證所有異形木梁均能由機器人切割成形（圖3，4）。

2 生產(chǎn)前置化

裝配式建筑的一大典型特征是構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制化生產(chǎn)[3]。不同于傳統(tǒng)建筑業(yè)中在施工現(xiàn)場直接建造，裝配式建筑的構(gòu)件往往來自預(yù)制化工廠的批量化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，其生產(chǎn)過程出現(xiàn)了前移，由此大大減小了現(xiàn)場建造的工作量，提升了構(gòu)件的加工精度。為了盡可能節(jié)約時間，西岸人工智能峰會B館的三個主空間采用了瑞德爾裝配式展覽建筑篷房體系。工廠預(yù)制的鋁合金單榀排架，經(jīng)過施工現(xiàn)場數(shù)日的整體機械吊裝，完成了跨度30～40m、邊高7.2～8.4m的三個坡頂帳篷的主體施工。此外，十字鋼龍骨與聚碳酸酯板結(jié)合的半隱框幕墻等外圍護體系同樣也實現(xiàn)了快速預(yù)制建造（圖5）。

數(shù)字裝配運用了大量計算性設(shè)計工具和建筑機器人，使得裝配式建筑生產(chǎn)過程前置的趨勢更加顯著。事實上，建造過程可以和設(shè)計過程同時展開，設(shè)計即數(shù)字虛擬空間中的建造模擬。建筑師設(shè)計得到的所有構(gòu)件均可以導(dǎo)出為建筑機器人的加工文件，并利用Grasshopper與Kukaprc、FURobot等機器人插件模擬加工，進行實際的測試生產(chǎn)。建造過程在設(shè)計之初就能夠得到精確的規(guī)劃和預(yù)測，一方面，西岸人工智能峰會B館中所有木梁的銑削開孔、鋼桁架、鋼梁和鋼柱的切割，其對應(yīng)的機器人加工指令都能夠由設(shè)計成果直接產(chǎn)生，建筑師在數(shù)字模型中的設(shè)計對應(yīng)了建筑機器人的預(yù)制生產(chǎn)流程，協(xié)助設(shè)計團隊理順方案的建造邏輯；另一方面，設(shè)計模型最終被用于指導(dǎo)鋼木網(wǎng)殼的現(xiàn)場裝配工作，施工團隊搭設(shè)了滿堂腳手架作為操作平臺和定位基準(zhǔn)網(wǎng)格，使用全站儀將模型中的控制點在現(xiàn)場放樣，有效保證了安裝精度和施工效率。

生產(chǎn)過程的前置化推動了裝配式建筑的定制化。裝配式建筑使用的往往是可進行批量化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，大大限制了設(shè)計對差異性的需求。特別是對于性能化設(shè)計而言，其中通常存在大量的非線性、非標(biāo)化構(gòu)件，傳統(tǒng)加工方式難以制造，亦與裝配式建筑批量化、工業(yè)化要求相悖。而基于建筑機器人的智能建造技術(shù)解決了這一難題，拓寬了設(shè)計的可能性。西岸人工智能峰會B館雙曲面屋面存在大量的異形木梁、木墊片、鋼梁及節(jié)點，但編寫的Grasshopper程序仍然可以高效地將各類構(gòu)件的信息同步。562個非標(biāo)木梁的梁頭尺寸和相應(yīng)的開孔信息能夠隨設(shè)計迭代快速實時更新，建筑機器人數(shù)字工廠也能根據(jù)自動生成的加工文件快速預(yù)制差異化構(gòu)件，既滿足了工業(yè)生產(chǎn)的批量化需求，又應(yīng)對了結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)的定制化要求（圖6，7）。

3 人機孿生化

3 鋼木復(fù)合曲面網(wǎng)殼

4 曲面網(wǎng)殼與排架篷房結(jié)構(gòu)設(shè)計

5 篷房單榀排架單元吊裝

數(shù)字裝配的生產(chǎn)范式使建筑師得以在建造領(lǐng)域重新占據(jù)主導(dǎo)地位。自從阿爾伯蒂在《建筑十書》中將建筑師（Draftsman）與工匠（Craftsman）區(qū)分開以后[4]，設(shè)計與生產(chǎn)已經(jīng)分離了數(shù)百年。而當(dāng)代的數(shù)字工具與建筑機器人又再次賦予了建筑師自行建造的能力，重塑了產(chǎn)業(yè)的分工體系。機器不僅僅是工具，而是作為與建筑師孿生的創(chuàng)作主體，其數(shù)據(jù)采集能力延伸了建筑師的感知，其分析計算能力增強了建筑師的智慧，其精準(zhǔn)加工能力強化了建筑師的技藝。

如前文所述，在西岸人工智能峰會B館的設(shè)計建造中，Grasshopper的結(jié)構(gòu)運算插件使得建筑師能夠從事結(jié)構(gòu)性能的模擬與優(yōu)化，F(xiàn)URobot等機器人插件也讓建筑師可以管控大部分構(gòu)件的預(yù)制化生產(chǎn)。機器賦予了建筑師前所未有的能力，也悄然地塑造了新的創(chuàng)作與生產(chǎn)模式。在項目的鋼木復(fù)合網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)深化過程中，建筑師采用了以佐林格（Friedrich Zollinger）屋面為原型的互承式構(gòu)件交錯布置方案。在以往的實踐中，佐林格屋面體系往往只適用于球面殼體或柱面殼體，但建筑師通過在Grasshopper中編寫擬合算法程序，計算機能夠快速地將佐林格屋面映射到設(shè)計的自由曲面上。建筑師向機器提供相應(yīng)的算法和目標(biāo)，機器則為建筑師求解可行的結(jié)果，人機孿生協(xié)同，解決了長久以來建筑師面臨的難題——用0.5m高的木梁創(chuàng)造出最大跨度達40m的空間。

西岸人工智能峰會B館中3D打印咖啡亭更全面地展現(xiàn)了人機孿生共造的潛力。在給定的范圍內(nèi)，設(shè)計團隊從行為性能化、結(jié)構(gòu)性能化出發(fā)進行算法生形，并使用拓?fù)鋬?yōu)化工具減輕結(jié)構(gòu)自重、減少材料耗費，得到了極具空間表現(xiàn)力的形式。隨后，團隊開發(fā)的3D打印路徑生成和優(yōu)化程序?qū)⒃O(shè)計的三維模型轉(zhuǎn)化為用于生產(chǎn)的機器人打印路徑文件，并由空間打印機器人在3周的時間內(nèi)完成構(gòu)件的制作。整個過程均由建筑師和機器人負(fù)責(zé)，人機孿生體已然具備建筑業(yè)全生產(chǎn)流程的能力（圖8）。

4 展望數(shù)字裝配

數(shù)字裝配是新型建筑工業(yè)化的核心內(nèi)容之一，它不僅以數(shù)據(jù)為載體連接了產(chǎn)業(yè)的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了一條從設(shè)計到建造的工業(yè)化流水線，更極大地拓展了創(chuàng)作主體的思辨與制造能力，滿足了以性能化設(shè)計為代表的定制化、差異化需求。

上海西岸人工智能峰會B館的實踐集中體現(xiàn)了以數(shù)字裝配為核心的建筑業(yè)生產(chǎn)范式轉(zhuǎn)向。在短短的100多天時間里，創(chuàng)作團隊完成了8 000多平方米建筑的裝配式建造，展示了新型工業(yè)化生產(chǎn)的價值。在本項目中，機器與建筑師耦合孿生的新創(chuàng)作主體開始掌控建筑生產(chǎn)全流程，借助數(shù)據(jù)可視革新工作機制，以優(yōu)化迭代、螺旋上升的三維體系取代設(shè)計—建造的線性結(jié)構(gòu)；依托機器加工轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)模式，以設(shè)計模擬、工廠預(yù)制、現(xiàn)場裝配的集成架構(gòu)取代當(dāng)下粗放松散的建造流程?？梢灶A(yù)見的是，這一趨勢必將隨著建筑師對數(shù)字技術(shù)的不斷學(xué)習(xí)和機器的進一步迭代而日益顯著。

20世紀(jì)60年代，Bernard Rudofsky提出了“沒有建筑師的建筑”這一概念[5]。在今天看來，數(shù)字裝配的發(fā)展將顯著降低設(shè)計與建造的專業(yè)門檻。未來沒有受過專業(yè)訓(xùn)練的大眾甚至也可借此參與建筑的生產(chǎn)體系，勾勒出更為激進的去中心化社會生產(chǎn)的建造范式。

6 木構(gòu)機器人加工異形木梁

7 屋面木梁預(yù)裝配

8 空間打印咖啡亭

圖片來源

圖1，3，8 由田方方拍攝；圖2，5，7 由西岸集團提供；其余圖片由作者自繪或自攝。