資本實驗室·今日創新觀察

聚焦前沿科技創新與傳統產業升級

王進

工業4.0不只是傳統製造業，包括各類型工廠的變革。在建築業越來越具備工業化生產特徵的今天，其進化也已經成爲工業4.0不可或缺的一部分。

在過去數十年中，數字化、機器人和自動化技術顯著提升了製造業的產品質量和生產效率。然而，在建築領域，儘管數字化已經成功的實現了自動化設計，但建築設計與製造之間仍然脫節。

現在一些製造商已經使用創新技術從大規模生產轉向大規模定製，而建築行業仍然只是採用DFMA（Design for Manufacturing and Assembly，設計製造和裝配）來重複大規模生產標準化的建築部件。

英國建築工程公司Newtecnic將數字化和自動化技術融入最新的建築項目，爲我們思考如何推動建築設計與製造的協同進化，提供了一種範例。

在沙特阿拉伯利雅得的King Abdullah金融區地鐵樞紐項目中，該公司通過無人機、機器人、3D打印、數字孿生等創新技術，實現從概念設計到製造、模塊化構件、外牆和內部設施的工程設計與創新，從而使設計與製造環節無縫銜接，充分保證建築項目的綠色、經濟和可持續性發展。

本地化建材和人員

Newtecnic公司沒有采用設計——遠程工廠製造——交付——現場組裝的方式，而是通過建築實驗室，在施工當地建立臨時工廠並部署生產設備，採用當地人員和材料，從而實現建築材料本地化生產。

這些小型、高效的製造單元專門用於生產大規模定製組件，機器人與建築實驗室進行互動、生成、交付和安裝新的或需更換的建築部件。

在公司爲沙特利雅得King Abdullah金融區（KAFD）設計的地鐵樞紐項目中，使用機器人和自動化設備進行現場部件生產和維護。

上圖顯示了到2038年，建築工人和無人機共同維護沙特利雅得KAFD地鐵樞紐的外觀。

公司目前正在監督建築圍護結構的施工，在此過程中，公司審查並批准了幾個承包商的工程，以確保工程項目高效準確地完成。

公司職責範圍還確保所有建築構件和製造物在到達現場之前都能得到質量保證，公司通過設計工程爲機器人、無人機、3D打印和增材製造等不同類型設計進行維護。

現場工作站

KAFD地鐵樞紐位於人口密集的城區，是包括六條新地鐵線路、85個車站和100多英里軌道在內的全市交通系統的核心，因此，中斷地鐵服務以進行結構維護和改善是非常不可取的。

由於建築物的圍護結構寬而低，完工後，起重機進入非常不方便，且易造成破壞，成本很高。此外，由於該建築是城市的中心部分，其設計壽命至少爲60年，因此，項目啓動後，自動清潔、維護和更新建築等問題則是必須要考慮的因素。

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

該系統經過精心設計，適用於未來的機器人接入、移動和操作。這意味着機器人引用建築物的3D數字孿生模型，結合GPS，可以計算建築立面上的路線和位置。

通過使用機器人負責起重、更換和搬走損壞的部件，使用無人機進行檢查和清潔工作。這種自動化技術提供了更好和更安全的近距離訪問，允許施工人員遠程遙控，從而避開施工現場的危險環境。

KAFD地鐵樞紐的設計旨在利用配備激光雷達和攝像機的小型無人機和機器人來執行檢查工作，從而對建築物內部隱藏區域進行檢測、監控和精準測量。

通過這種方式收集高分辨率的建築數據，並配備3D打印機的現場施工實驗室共享數據，從而打印出完全符合結構的建築部件。

在全球其他正在建設的項目中，這家公司計劃從建築初期就部署建築實驗室。通過這種方式，20世紀中期工業時代的大規模生產方法和設備正在被新興的自動化、高度靈活、可控和強適應性的工具設備所取代，並在一線施工現場進行有效操作。

經濟增長

這種工作方式可以推動建築項目所在國家或地區的經濟發展，有助於減少進口成本，創造當地就業崗位，培訓當地人員技術，並降低繁複的運輸環節和財務成本。

此外，小規模的靈活製造資產很容易在建築生命週期內擴展，而不是建造一個單用途的DFMA工廠，這需要多年的運營才能盈利。這意味着始終可以使用合適的設備來滿足當前的需求。

隨着建造和維護建築物產生的廢物正在成爲過去，建築方式的變化對工業和社會都具有重要意義。

據歐盟委員會估計，歐洲所有廢物中有25-30％來自建築。全球其它地方也類似。建築廢棄物回收困難，且處理成本高。

數字技術的引入使得施工與其它先進的製造工藝一樣高效，其中精確的零部件數量是按訂單生產的，並保證精準的構建結構和質量規範，確保與建築結構相匹配，並在生命週期內具有可預測的性能。

新技術的附加值還在於通過定製化，實現無浪費生產，如同現代大規模定製汽車工廠，每個零部件都被考慮在內，沒有浪費。

部署模塊化和盒式外觀設計方法意味着可以輕鬆修改建築物，以便當出現新技術時，可以快速應用。未來幾年，高性能混凝土和鋼構件將逐漸發展成爲更堅固、更輕、更耐用的材料。

新型建築材料也將被開發出來，並在現場或非現場快速部署3D打印機，利用新型機器人裝配優化零部件。通過這些方式，建築商和運營商可以在建築物的生命週期內，快速適應、更新、翻新以滿足當代需求。

輕量級建築的未來

20世紀20年代，美國建築師巴克明斯行·富勒在推廣輕型多功能的Dymaxion房屋時，曾向買家詢問：“你房子的重量是多少？”

現代建築設計時，也需要詢問同樣的問題，因爲每增加一公斤重量，就需要更多的能源和資源來製造，同時，運輸和組裝、施工後的供熱製冷、清潔維護等環節都需要消耗更多的成本。

目前，Newtecnic公司對所有建築項目進行精確的重量計算，以便準確覈算出真實和相應的擴展成本。

在重新利用或回收組件時，計算重量非常重要，這意味着當設計人員確切知道這些組件需要提升多少時，可以更精確地優化具有處理組件能力的機器。

就像不斷更新的電子版用戶手冊一樣，建築物與其聯接的機器和系統所需的所有信息都可以存於建築物的3D數字孿生模型中。

從最早的設計階段開始，就可以在雲端進行調查、檢查和測試。機器人和無人機的概念將涉及製造、構造和拆卸說明、方法。

這些先進技術的融合表明，建築業正面臨新一輪的革命，新技術應用將解決傳統建築業面臨的諸如成本、環境、能源、物流和廢棄物等衆多問題。

適當的技術和建築思維不僅僅是一個整體，而是可以隨着時間的推移，能夠進行改變、發展和適應的系統，可以延長建築使用壽命，同時保持與後續設施、服務的緊密聯繫。

當創新的想法、高級技術人員與令人興奮的新技術相結合時，會使建築行業更加靈活、環保和可持續，同時，建造出能夠令人印象深刻的建築物，增強並改善城市和社會的功能。

如何部署數字化和機器人

有效部署數字化和機器人，涉及到從設計到建造，再到後期維護等各個環節：

•使用自動化來彌補設計和製造之間的脫節

•爲創新和更好的建築結構提供大規模定製服務

•爲現場製造部署現場施工實驗室

•面向未來的建築工程的協作機器人

•創建數字孿生建築模型作爲生活用戶手冊

•在施工和維護期間減少起重機的使用，利用機器人在危險條件下進行重物吊裝

•利用無人機檢查建築物更安全、更準確，而無需腳手架

•使用配備激光雷達的無人機與數字孿生模型相配合，進行檢查

•通過現場製造和交付組件來減少浪費

•計算建築物重量可以更好地瞭解建築物造成的環境影響和真實運營成本

（參考信息：bimplus，newtecnic）