数控圆锯切割机(面向批量定制的装配建筑数字建造技术体系—)

Posted 2023-05-27

篇首语：事常与人违，事总在人为。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了数控圆锯切割机(面向批量定制的装配建筑数字建造技术体系—)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

数控圆锯切割机(面向批量定制的装配建筑数字建造技术体系—)

面对高质量城市建设和乡村振兴需求，建筑的智能建造与工业化日益成为装配式建筑产业升级的重要抓手。建筑机器人智能建造装备的批量定制生产能力能够有效应对装配式建筑大批量、柔性的生产需求。定制开发的机器人工具端为灵活高效的建造工艺体系奠定了基础；机器人智能感知与反馈技术提高了生产系统对多样化的复杂建造任务的适应能力；基于计算设计平台的机器人控制软件直接将几何逻辑转译为建造逻辑，推动装配式建筑设计与建造一体化发展。文章以木构建筑的机器人装配式建造为例，诠释面向批量定制的装配式建筑数字建造技术体系的内涵。

袁烽、柴华 / 同济大学建筑与城市规划学院

1 机器人智能建造驱动建筑产业高质量发展

我国“十四五”规划的主题是高质量发展，强调经济发展从高速增长向绿色低碳循环发展的转型。在高质量发展思想的指引下，推进城市和乡村建设的绿色化、智能化发展是我国建筑业转型升级的必然选择。建造行业的工业化、信息化程度远远落后于制造业等其他行业。面对高质量城市建设和乡村振兴需求，住建部将建筑智能建造与工业化的协同发展作为产业升级的重要抓手。2020年7月，住建部等13个部门联合发布了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，提出“以建筑业高质量发展为总体目标，以大力发展建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，创新突破相关核心技术，加大智能建造在工程建设各环节应用”。当前，制造业领域在自动化技术、机器人技术的基础上发展起来的新一轮技术变革，致力于以高度灵活的生产模式满足个性化产品和服务的需求。新一轮技术革命为建筑工业化发展提供了重要机遇：通过创新技术的引入，寻求生产模式、工艺或过程的创造性改革。在信息技术突飞猛进的当下，基于信息物理系统的智能化、柔性化预制装配建造模式正在成为建筑建造技术的重要发展方向。

2　建筑机器人与批量定制化建造

在汽车等制造业领域，20世纪70年代提出的批量定制化生产模式旨在以类似于大规模标准化生产的成本和效率，为客户提供多样化的产品和服务。广义而言，建筑业是一种特殊的制造业，它的特殊性在于其产品（即建筑）强调设计与建造系统的高度灵活性。两次世界大战后，城镇住房短缺问题促使建筑业开始向制造业借鉴工业化生产方式——像制造汽车一样生产住房，从而催生了大量模块化、标准化的装配式建筑体系。大规模快速生产极大地提高了建筑生产效率并降低了成本，但也因其同质化、空置率高等问题而受到广泛批评。20世纪60年代后，随着基本住房需求逐渐得到满足，大规模预制建造的装配式建筑也开始走向下坡路。

与大规模工业化住宅生产相比，建筑的批量定制建造具有构件品类多、复杂度高等特点。长期受限于建筑业落后的生产与建造技术等因素，大批量定制建筑始终未能得到充分发展。20世纪末，随着参数化设计与数字建造技术的发展，建筑与家具的批量定制化设计及生产逐渐受到广泛关注。90年代，建筑师伯纳德·科西（Bernard Cache）开发了一个交互式网页，可以在线定制设计“objectiles”——一种参数化控制的非标准物体族群。同期，格雷格·林恩（Greg Lynn）在胚胎住宅（Embryological House）项目中对批量定制化的住宅设计进行了初步探索。2002年，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的格马奇奥-科勒研究所（Gramazio Kohler Research）开发了一种用于桌子定制的手机应用，允许人们从手机端调整桌子尺寸、材料、颜色等属性，并提交订单进行数控加工。

机器人技术在建筑学领域的重新引入对建筑批量定制建造具有重要意义。工业机器人受到建筑学的青睐很大程度上缘于工业机器人具有与单工种机器人、计算机数控设备（CNC）非常不同的开发思路方法，其优势体现在：首先，机器人（6～7轴）的运动能力明显优于数控加工设备（3～5轴），通过履带平台、桁架等外部移动装置，机器人能够实现传统数控加工设备难以企及的加工范围，机器人无限执行非重复性任务的能力从技术层面为建筑批量定制生产提供了保障；其次，不同于如CNC、激光切割等数控工具，建筑机器人的特点在于其多功能性（versatility）或者说“通用的”（generic），通过更换工业机器人末端效应器（抓手、焊枪等）便可执行类型迥异的作业任务；更重要的是，FURobot、Kuka|Prc等建筑机器人编程工具允许建筑师从设计平台进行机器人编程与控制，使机器控制与设计过程无缝衔接，大大优化了数据传输效率的问题。建筑定制化设计与建造过程的一体化整合正在源源不断地为个性化定制建造提供创新性解决方案。不可否认，建筑机器人的定制化建造过程也必然会降低机器人配置与校准效率，并对机器人感知、路径规划过程提出更高的要求。随着建筑机器人智能建造研究的快速发展，相关技术研究也逐渐受到关注，持续的技术开发正在不断推动建筑机器人定制化建造的发展与成熟。

3　建筑机器人批量定制建造装备平台

近年来，随着相关研究的深入开展，建筑机器人建造研究逐渐从实验室向产业领域渗透。在早期机器人建造的成就之上，一系列面向建筑预制装配的研究通过整合（多）机器人、建造工具及其他辅助系统，打造建筑机器人预制建造平台，以应对建筑产业对大尺度、灵活性生产装备的需求。典型机器人建造平台可以划分为两种类型。第一种是固定式的轨道式机器人，采用不同类型的机器人导轨来扩展机器人本体的移动范围，从而提高机器人平台的加工能力。例如德国布伦瑞克工业大学结构设计研究所（Institut für Tragwerksentwurf，TU Braunschweig）的数字建筑建造实验室（Digital Building Fabrication Laboratory，DBFL）的核心设施是一个大尺度桁架机器人，该桁架系统搭载了增材与减材两个加工模块，通过增材与减材建造过程的整合实现复杂的工艺链。第二种是可运输式机器人平台，平台本身不具备移动能力，但可以通过其他移动设施运输到不同的建造场地进行预制加工。例如，2018年11月Autodesk公司推出了机器人增材建造平台“toolbox”，该平台在一个集装箱内配置了两台松下机器人，可以通过卡车运输到建筑施工现场，进行金属构件的3D打印生产。

▲ 典型建筑机器人预制建造平台

▲ 左：固定式（桁架式）机器人建造平台

▲ 中：固定式（地面轨道式）机器人建造平台

▲ 右：可运输式机器人建造平台

基于对当前机器人建造平台研发的综合分析，典型建筑机器人建造平台的系统构成可以被总结为四个方面内容：机器人建造装备平台、材料加工工具系统、感知系统、控制系统。机器人建造装备平台具备执行非重复任务的超强能力，能够有效解决传统装配式建筑生产线柔性低、定制化能力不足等问题；作为一个开放的工具平台，机器人智能建造平台支持建造工具端定制化开发，根据产业需求形成具有灵活适应性的建造工艺体系，满足大批量定制化建造需求；机器人感知系统利用传感器检测自身状态和外部作业环境，从而提高系统对复杂建造需求的应对能力；基于计算设计平台的智能建造软件系统能够直接将复杂的参数化模型转化为智能建造装备的建造逻辑，打破装配式建筑设计对标准化、模数化的依赖，提高设计自由度和灵活性。通过装备、工具、感知与控制技术的系统整合，机器人预制建造平台能够适应不断变化的设计与建造系统需求，实现高度灵活的建筑预制生产与装配建造。

4　装配式木构建筑的机器人批量定制建造

作为一种天然可再生的绿色建筑材料，木材日益被认为是未来最有潜力和价值的建筑材料。树木在生长过程中通过光合作用吸收大气中的CO₂，并将其贮存在木材中，延缓碳的释放。因此，木构建筑具备“碳池”的功能，在建筑中使用更大比例的木制品、延长木制品和木构建筑的使用寿命、提高木制品回收率等方式，都可以将木材的固碳作用有效放大。现代木构建筑为城市建设与乡村振兴提供了绿色、高效的解决方案。

木构建筑建造普遍采用工厂预制、现场装配的建造模式，是一种天然的预制装配式建筑体系。近年来，国家及地方不仅出台了多项政策明确提出大力发展装配式木结构建筑，《装配式木结构建筑技术规范 GB/T 51223》《多高层木结构建筑技术标准 GB/T 51226》《木结构通用规范 GB 55005》等标准的完善也为我国装配式木构建筑创造了良好的发展环境。

装配式木构建筑的推广应用也伴随着建筑体量、数量和复杂度的增加而显著提高。木构建筑的大规模定制加工需求与相对落后的设计与生产技术之间的冲突日益成为装配式木构建筑面临的主要挑战。在此背景下，蓬勃发展的建筑机器人木构建造技术为装配式木结构建筑的批量定制化转型升级带来了重要机遇。

4.1　建造技术体系

在标准化工业产品的大规模生产中，稳定的工厂配置、单一的应用场景往往是高效率生产的前提。而在装配式建筑的定制化生产中，生产设施需要不断随着应用场景的变化而做出调整——可灵活配置的生产设施成为批量定制生产的关键环节。机器人木构预制建造平台为装配式木构建筑的生产提供了一个高度开放的工艺平台，通过工具端的灵活配置、感知系统的信息采集与反馈，可满足不断更新的建造任务对多样化的机器人建造工艺的需求。同济大学大尺度机器人木构预制建造平台整合了桁架运动轴与双机器人系统，通过集成多功能、即插即用的机器人木构建造工具，为多样化的机器人木构建造研究与实践提供一个基础架构。本文以该平台为例，从装备、工具、感知与控制等四个方面对机器人木构建造平台的技术体系与实现方式进行具体阐述。

4.1.1　建造装备系统

机器人建造装备是建筑智能建造的核心硬件设施，多采用固定的轨道式机器人配置，为预制建造提供大尺度、通用化的（多）机器人系统。同济大学机器人木构预制建造平台采用三轴桁架式构型，桁架的垂直轴末端以倒挂的方式搭载两台KUKA KR120 R1800型号机器人。两台机器人及其外部轴通过KUKA RoboTeam软件进行协同控制，形成具有18个自由度的双臂机器人系统。机器人平台的加工范围最大可达12 m×11 m×6 m，能够满足大尺度木构件、木屋模块，甚至整屋的加工需求。两台机器人可以独立工作，也可以通过协同作业完成复合工艺或复杂建造任务。机器人末端配备了工具快换装置，集成了工具系统所需的电、气和信号等模块，为工具系统的灵活配置和扩展奠定了基础。

▲ 机器人木构预制建造装备原型

4.1.2　工具系统

在机器人木构预制建造平台上，常用的木材增材、减材及塑形工具可以以模块化的方式与机器人装备相集成，根据具体建造任务进行工具组合与工艺研发，形成高度灵活的工具系统。同济大学机器人预制建造平台配备了典型的木构加工工具，形成以主轴、链锯、带锯、抓手/钉枪为核心的工具体系。其中，机器人主轴铣削模块包括一款转速可以达到24 000 rpm的快速换刀电主轴，配备了常用的木工刀具，包括不同规格的直刀、燕尾刀、舍弃式螺旋刀，以及用于切割的圆锯片等，主要用于木构件及其节点的快速减材加工。机器人链锯切割模块主要用于木材快速开槽，开槽深度可达40 cm。机器人带锯切割模块用于曲梁切割，可以切割截面尺寸在35 cm×30 cm内的构件。抓手与钉枪系统主要用于木构件的自动化组装，夹持宽可达20 cm，可以满足常规轻型木结构组装需求。工具集中放置在固定的工具架上，通过快换式工具法兰与机器人进行连接，形成即插即用的工具体系。

▲ 木构加工工具库

▲ 木构加工工具端

▲ 上左：电主轴

▲ 上右：带锯切割工具

▲ 下左：链锯切割工具

▲ 下右：抓手/钉枪系统

4.1.3　感知系统

智能感知系统在机器人建造中的应用使机器人建造平台能够对材料、工具、建造过程进行实时监测，提高机器人系统对复杂建造场景的适应能力。同济大学机器人预制建造平台配备了红外动作捕捉系统作为核心传感器，系统包括12台红外相机，均匀分布在机器人工作空间的四周。相机以200 Hz的频率记录空间中标记小球的位置信息，并将信息汇集到交换机。在计算机端，运动分析软件Nokov Seeker可以从交换机获取数据并执行数据处理、系统标定、刚体定义等任务。利用Seeker软件提供的软件开发工具包（SDK），动作捕捉数据可以通过定制化的数据接口实时导入Grasshopper，在Grasshopper中实时获取标记点或刚体的位置信息并进行可视化。由于空间反射标记的成本低，且可以任意添加、组合，因而动作捕捉系统能够应用于多样化的场景。例如，木构建筑中复杂木构件的空间定位是机器人加工的一大难题，由于定制化的构件形态各异，难以采用统一的基准点或基准面进行定位。利用该感知系统，定位过程首先采集附着在构件边缘、角点等特征位置上的标记点的空间位置信息，并在Grasshopper中与设计模型进行拟合，根据二者的相对位置关系将构件模型映射到机器人模型空间中，实现材料的高精度定位，定位精度可达0.1 mm。

▲ 动作捕捉系统配置

▲ 动作捕捉系统工作原理示意

4.1.4　软件控制系统

机器人软件控制系统以机器人模拟与编程工具为载体，通过开发定制化的机器人路径设计工具，将木构件的几何信息转译为机器人建造工具的路径信息。同济大学的机器人预制建造平台采用机器人仿真软件FURobot进行机器人模拟与工艺编程。机器人装备和工具的虚拟模型以定制化的电池模块内置在FURobot中，形成基本的“数字孪生”系统。在FURobot的基本框架下，木构建造工具对应的加工过程的编程逻辑被整理成软件工具包Tech-wood。Tech-wood的编程逻辑建立在一系列木构加工中的基本加工过程的基础上，主要包括锯切（SawCut）、钻孔（Drilling）、开槽（Slot）、直纹锯切（RuledCut）、挖槽（Pocket）、轮廓铣（Contour）、曲面铣（Surface）。所有复合加工过程都可以由基本加工过程的组合来定义。Tech-wood包括带锯切割、链锯开槽、圆锯切割、钻孔以及2D轮廓铣削、3D表面铣削等多个组件，可以通过多个电池组件的组合直接将设计几何信息转换为机器人路径信息。例如，节点模型是一个典型的钢木混合结构中的木构件，构件节点看似形态复杂、加工难度高，实际上可以拆解为五个基本加工过程的组合。Tech-wood为木构设计与机器人建造过程之间建立了桥梁，是对机器人木构设计与建造一体化的初步尝试。

▲ 基于Tech-wood的机器人木构加工模拟

▲ 典型节点的加工过程拆解

4.2　建造实践——游木（目）

同济大学机器人木构预制建造平台原型先后在多个装配式木构建造项目中得到示范应用，包括深圳Design Socity展览参展项目“机器人木缝纫展亭”装置、2019—2020年深港城市\\建筑双城双年展参展项目“游木（目）”等，展现了机器人预制建造平台对多样化的装配式木构建造系统的高度适应能力。其中，“游木（目）”项目以木构建筑实践领域面临的一大难题——双曲胶合木构件的高效生产——为应用场景，探索机器人木构预制建造平台为双曲胶合木结构生产带来的创新解决方案。

胶合木等现代工程木材的推广应用极大地丰富了木结构建筑的设计自由度。在实践中，胶合木构件可以分为直线构件、单曲构件和双曲构件三种曲线类别。当前工业化的胶合木生产技术能够快速生产直线和单曲构件，但双曲构件的高精度、高效率生产始终是木结构生产系统的一大挑战。游木（目）装置包括9根在空间中交错扭结的双曲胶合木构件，构件平均长度约为18 m，难以利用现有胶合木生产技术进行精确生产。针对“游木（目）”项目所提出的建造难题，研究基于机器人木构预制建造平台的建造能力开发了一套双曲胶合木结构设计与建造的方法与工作流程。

为了方便生产和运输，首先采用一种基于曲率的构件细分方法将装置分割成8根短构件，每段的长度1.8 m至2.7 m不等。72根短构件加工完成后通过嵌接节点——一种通过互锁的方式将两段木材首尾相连的传统榫卯连接方法，重新组合成连续的长构件。每根短构件的长度、截面、曲率、扭转程度各不相同，对机器人系统的定制化建造能力带来了极大考验。项目主要采用机器人带锯切割技术进行双曲构件的定制化加工——从定制的单曲构件中切割出所需的双曲构件，并利用铣削工艺加工出连接节点。建造过程充分利用预制平台的双机器人配置，一台机器人配备主轴工具端，另一台机器人操作带锯工具端，分别负责带锯切割和节点铣削。构件加工过程中，单曲构件首先被固定在加工台面上，然后利用动捕系统明确构件在机器人空间坐标系的位置。机器人建造路径设计、加工模拟和编程工作基于FURobot及Tech-wood完成。编程完成后，两个机器人按照规划次序依次对构件进行加工，在同一个加工流程中完成机器人形态切割和节点加工，有效提高了整体自动化水平和建造效率。所有构件在机器人预制建造平台上生产完成后，运输至展览现场进行快速拼装。

▲ 游木（目）装置设计过程

▲ 机器人操作带锯工具端过程

▲ 左：带锯切割

▲ 右：节点铣削

游木（目）装置的设计与建造是对机器人预制建造平台的系统应用，展现了机器人建造技术为装配式木构建筑带来的丰富自由度。机器人批量定制建造技术有效简化了双曲木构件的生产流程，是机器人预制建造平台的非线性与批量定制化建造能力的有力证明。

▲ 游木（目）装置外观实景

5　基于机器人批量定制建造的装配建筑产业升级

德国工业4.0提出了三方面策略来实现信息物理系统：水平整合、端对端整合和垂直整合。水平整合解决的是行业的运作模式、可持续性策略等问题；端到端整合解决新的产业模式下的设计与生产流程组织和整合；垂直整合则致力于创建灵活且可重新配置的生产系统。在建筑产业中，计算设计与数字建造的一体化概念整合设计、性能、材料、建构等因素，带来了建筑业运行模式的革新，越来越多地扮演起建筑产业“水平整合”的角色。在设计建造一体化的框架下，参数化的信息模型使建筑生产流程中的不同专业可以进行密切的协同和沟通，为“端到端整合”创造了条件。在此背景下，可灵活配置的建筑机器人建造系统成为“垂直整合”的关键环节。随着建筑机器人在未来建筑产业中的推广应用，机器人智能建造平台不但能够为建筑预制装配提供高度灵活的生产系统，也将持续推动建筑产业的全方位整合，最终形成涵盖设计、生产、施工、装配等全产业链融合一体的建筑产业体系。

从装配式建筑设计角度而言，基于机器人批量定制的装配式建筑产业升级能够为建筑生产带来个性化与多样性的双重解放。面向机器人预制建造的建筑计算性设计过程能够有效融合高效、节能、环保的设计目标，为建筑师的个性化考量提供充足的创造空间，重新唤醒建筑设计与传统文化、地域特性等因素之间的关联性。随着装配式建筑生产的柔性和定制化能力的迅速提升，预制装配建筑将有效突破传统模块化建筑设计与生产模式，实现高度灵活的形态与空间表达。 n

原文请查阅《新建筑》2022年第4期（总第203期）。点击 阅读原文 ，获取全文下载链接。

本文内容版权系 新建筑杂志社 所有，欢迎转发。谢绝任何未经许可的转载形式。

引用本文｜袁烽，柴华. 面向批量定制的装配建筑数字建造技术体系：以装配式木构建筑创新为例[J]. 新建筑，2022（4）：9-14.