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工業(yè)4.0進(jìn)行時(shí)：建筑設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同進(jìn)化

工業(yè)4.0不只是傳統(tǒng)制造業(yè)，包括各類(lèi)型工廠的變革。在建筑業(yè)越來(lái)越具備工業(yè)化生產(chǎn)特征的今天，其進(jìn)化也已經(jīng)成為工業(yè)4.0不可或缺的一部分。

在過(guò)去數(shù)十年中，數(shù)字化、機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)顯著提升了制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。然而，在建筑領(lǐng)域，盡管數(shù)字化已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化設(shè)計(jì)，但建筑設(shè)計(jì)與制造之間仍然脫節(jié)。

現(xiàn)在一些制造商已經(jīng)使用創(chuàng)新技術(shù)從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向大規(guī)模定制，而建筑行業(yè)仍然只是采用DFMA(Design for Manufacturing and Assembly，設(shè)計(jì)制造和裝配)來(lái)重復(fù)大規(guī)模生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的建筑部件。

英國(guó)建筑工程公司Newtecnic將數(shù)字化和自動(dòng)化技術(shù)融入最新的建筑項(xiàng)目，為我們思考如何推動(dòng)建筑設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同進(jìn)化，提供了一種范例。

在沙特阿拉伯利雅得的King Abdullah金融區(qū)地鐵樞紐項(xiàng)目中，該公司通過(guò)無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、3D打印、數(shù)字孿生等創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到制造、模塊化構(gòu)件、外墻和內(nèi)部設(shè)施的工程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，從而使設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)無(wú)縫銜接，充分保證建筑項(xiàng)目的綠色、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)性發(fā)展。

本地化建材和人員

Newtecnic公司沒(méi)有采用設(shè)計(jì)——遠(yuǎn)程工廠制造——交付——現(xiàn)場(chǎng)組裝的方式，而是通過(guò)建筑實(shí)驗(yàn)室，在施工當(dāng)?shù)亟⑴R時(shí)工廠并部署生產(chǎn)設(shè)備，采用當(dāng)?shù)厝藛T和材料，從而實(shí)現(xiàn)建筑材料本地化生產(chǎn)。

這些小型、高效的制造單元專(zhuān)門(mén)用于生產(chǎn)大規(guī)模定制組件，機(jī)器人與建筑實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行互動(dòng)、生成、交付和安裝新的或需更換的建筑部件。

在公司為沙特利雅得King Abdullah金融區(qū)(KAFD)設(shè)計(jì)的地鐵樞紐項(xiàng)目中，使用機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)部件生產(chǎn)和維護(hù)。

上圖顯示了到2038年，建筑工人和無(wú)人機(jī)共同維護(hù)沙特利雅得KAFD地鐵樞紐的外觀。

公司目前正在監(jiān)督建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，在此過(guò)程中，公司審查并批準(zhǔn)了幾個(gè)承包商的工程，以確保工程項(xiàng)目高效準(zhǔn)確地完成。

公司職責(zé)范圍還確保所有建筑構(gòu)件和制造物在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之前都能得到質(zhì)量保證，公司通過(guò)設(shè)計(jì)工程為機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、3D打印和增材制造等不同類(lèi)型設(shè)計(jì)進(jìn)行維護(hù)。

現(xiàn)場(chǎng)工作站

KAFD地鐵樞紐位于人口密集的城區(qū)，是包括六條新地鐵線路、85個(gè)車(chē)站和100多英里軌道在內(nèi)的全市交通系統(tǒng)的核心，因此，中斷地鐵服務(wù)以進(jìn)行結(jié)構(gòu)維護(hù)和改善是非常不可取的。

由于建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)寬而低，完工后，起重機(jī)進(jìn)入非常不方便，且易造成破壞，成本很高。此外，由于該建筑是城市的中心部分，其設(shè)計(jì)壽命至少為60年，因此，項(xiàng)目啟動(dòng)后，自動(dòng)清潔、維護(hù)和更新建筑等問(wèn)題則是必須要考慮的因素。

地鐵樞紐的封套包括一個(gè)模塊化的盒式系統(tǒng)，使用可調(diào)節(jié)的鋼“蜘蛛”固定裝置，以支撐防水膜上的高性能混凝土面板。

該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，適用于未來(lái)的機(jī)器人接入、移動(dòng)和操作。這意味著機(jī)器人引用建筑物的3D數(shù)字孿生模型，結(jié)合GPS，可以計(jì)算建筑立面上的路線和位置。

通過(guò)使用機(jī)器人負(fù)責(zé)起重、更換和搬走損壞的部件，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行檢查和清潔工作。這種自動(dòng)化技術(shù)提供了更好和更安全的近距離訪問(wèn)，允許施工人員遠(yuǎn)程遙控，從而避開(kāi)施工現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)環(huán)境。

KAFD地鐵樞紐的設(shè)計(jì)旨在利用配備激光雷達(dá)和攝像機(jī)的小型無(wú)人機(jī)和機(jī)器人來(lái)執(zhí)行檢查工作，從而對(duì)建筑物內(nèi)部隱藏區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控和精準(zhǔn)測(cè)量。

通過(guò)這種方式收集高分辨率的建筑數(shù)據(jù)，并配備3D打印機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)驗(yàn)室共享數(shù)據(jù)，從而打印出完全符合結(jié)構(gòu)的建筑部件。

在全球其他正在建設(shè)的項(xiàng)目中，這家公司計(jì)劃從建筑初期就部署建筑實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)這種方式，20世紀(jì)中期工業(yè)時(shí)代的大規(guī)模生產(chǎn)方法和設(shè)備正在被新興的自動(dòng)化、高度靈活、可控和強(qiáng)適應(yīng)性的工具設(shè)備所取代，并在一線施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有效操作。

經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)

這種工作方式可以推動(dòng)建筑項(xiàng)目所在國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有助于減少進(jìn)口成本，創(chuàng)造當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)崗位，培訓(xùn)當(dāng)?shù)厝藛T技術(shù)，并降低繁復(fù)的運(yùn)輸環(huán)節(jié)和財(cái)務(wù)成本。

此外，小規(guī)模的靈活制造資產(chǎn)很容易在建筑生命周期內(nèi)擴(kuò)展，而不是建造一個(gè)單用途的DFMA工廠，這需要多年的運(yùn)營(yíng)才能盈利。這意味著始終可以使用合適的設(shè)備來(lái)滿足當(dāng)前的需求。

隨著建造和維護(hù)建筑物產(chǎn)生的廢物正在成為過(guò)去，建筑方式的變化對(duì)工業(yè)和社會(huì)都具有重要意義。

據(jù)歐盟委員會(huì)估計(jì)，歐洲所有廢物中有25-30%來(lái)自建筑。全球其它地方也類(lèi)似。建筑廢棄物回收困難，且處理成本高。

數(shù)字技術(shù)的引入使得施工與其它先進(jìn)的制造工藝一樣高效，其中精確的零部件數(shù)量是按訂單生產(chǎn)的，并保證精準(zhǔn)的構(gòu)建結(jié)構(gòu)和質(zhì)量規(guī)范，確保與建筑結(jié)構(gòu)相匹配，并在生命周期內(nèi)具有可預(yù)測(cè)的性能。

新技術(shù)的附加值還在于通過(guò)定制化，實(shí)現(xiàn)無(wú)浪費(fèi)生產(chǎn)，如同現(xiàn)代大規(guī)模定制汽車(chē)工廠，每個(gè)零部件都被考慮在內(nèi)，沒(méi)有浪費(fèi)。

部署模塊化和盒式外觀設(shè)計(jì)方法意味著可以輕松修改建筑物，以便當(dāng)出現(xiàn)新技術(shù)時(shí)，可以快速應(yīng)用。未來(lái)幾年，高性能混凝土和鋼構(gòu)件將逐漸發(fā)展成為更堅(jiān)固、更輕、更耐用的材料。

新型建筑材料也將被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并在現(xiàn)場(chǎng)或非現(xiàn)場(chǎng)快速部署3D打印機(jī)，利用新型機(jī)器人裝配優(yōu)化零部件。通過(guò)這些方式，建筑商和運(yùn)營(yíng)商可以在建筑物的生命周期內(nèi)，快速適應(yīng)、更新、翻新以滿足當(dāng)代需求。

輕量級(jí)建筑的未來(lái)

20世紀(jì)20年代，美國(guó)建筑師巴克明斯行·富勒在推廣輕型多功能的Dymaxion房屋時(shí)，曾向買(mǎi)家詢(xún)問(wèn)：“你房子的重量是多少?”

現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)時(shí)，也需要詢(xún)問(wèn)同樣的問(wèn)題，因?yàn)槊吭黾右还镏亓?，就需要更多的能源和資源來(lái)制造，同時(shí)，運(yùn)輸和組裝、施工后的供熱制冷、清潔維護(hù)等環(huán)節(jié)都需要消耗更多的成本。

目前，Newtecnic公司對(duì)所有建筑項(xiàng)目進(jìn)行精確的重量計(jì)算，以便準(zhǔn)確核算出真實(shí)和相應(yīng)的擴(kuò)展成本。

在重新利用或回收組件時(shí)，計(jì)算重量非常重要，這意味著當(dāng)設(shè)計(jì)人員確切知道這些組件需要提升多少時(shí)，可以更精確地優(yōu)化具有處理組件能力的機(jī)器。

就像不斷更新的電子版用戶手冊(cè)一樣，建筑物與其聯(lián)接的機(jī)器和系統(tǒng)所需的所有信息都可以存于建筑物的3D數(shù)字孿生模型中。

從最早的設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，就可以在云端進(jìn)行調(diào)查、檢查和測(cè)試。機(jī)器人和無(wú)人機(jī)的概念將涉及制造、構(gòu)造和拆卸說(shuō)明、方法。

這些先進(jìn)技術(shù)的融合表明，建筑業(yè)正面臨新一輪的革命，新技術(shù)應(yīng)用將解決傳統(tǒng)建筑業(yè)面臨的諸如成本、環(huán)境、能源、物流和廢棄物等眾多問(wèn)題。

適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和建筑思維不僅僅是一個(gè)整體，而是可以隨著時(shí)間的推移，能夠進(jìn)行改變、發(fā)展和適應(yīng)的系統(tǒng)，可以延長(zhǎng)建筑使用壽命，同時(shí)保持與后續(xù)設(shè)施、服務(wù)的緊密聯(lián)系。

當(dāng)創(chuàng)新的想法、高級(jí)技術(shù)人員與令人興奮的新技術(shù)相結(jié)合時(shí)，會(huì)使建筑行業(yè)更加靈活、環(huán)保和可持續(xù)，同時(shí)，建造出能夠令人印象深刻的建筑物，增強(qiáng)并改善城市和社會(huì)的功能。

如何部署數(shù)字化和機(jī)器人

有效部署數(shù)字化和機(jī)器人，涉及到從設(shè)計(jì)到建造，再到后期維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)：

使用自動(dòng)化來(lái)彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和制造之間的脫節(jié)

為創(chuàng)新和更好的建筑結(jié)構(gòu)提供大規(guī)模定制服務(wù)

為現(xiàn)場(chǎng)制造部署現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)驗(yàn)室

面向未來(lái)的建筑工程的協(xié)作機(jī)器人

創(chuàng)建數(shù)字孿生建筑模型作為生活用戶手冊(cè)

在施工和維護(hù)期間減少起重機(jī)的使用，利用機(jī)器人在危險(xiǎn)條件下進(jìn)行重物吊裝

利用無(wú)人機(jī)檢查建筑物更安全、更準(zhǔn)確，而無(wú)需腳手架

使用配備激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)與數(shù)字孿生模型相配合，進(jìn)行檢查

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)制造和交付組件來(lái)減少浪費(fèi)

計(jì)算建筑物重量可以更好地了解建筑物造成的環(huán)境影響和真實(shí)運(yùn)營(yíng)成本

作者：王進(jìn)