袁 烽 柴 華

設(shè)計(jì)結(jié)合建造

機(jī)器人木構(gòu)工藝*

袁 烽 柴 華

木材作為一種天然可再生的綠色建材，在未來建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中具有極大潛力。隨著膠合木等生產(chǎn)技術(shù)的迅速提升，木材已成為一種大尺度、低質(zhì)強(qiáng)比的高性能材料。隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的快速發(fā)展以及新興數(shù)字木構(gòu)工藝的創(chuàng)新與提升，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)升級(jí)已經(jīng)找到了重要的支撐。數(shù)字木構(gòu)以數(shù)字化結(jié)構(gòu)性能找形技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用機(jī)器人精確高效的加工能力，使復(fù)雜木構(gòu)件的大批量定制生產(chǎn)成為可能。江蘇省園藝博覽會(huì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)主題館項(xiàng)目將結(jié)構(gòu)找形與機(jī)器人建造技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)通過結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化以及參數(shù)化幾何優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)、預(yù)制到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、快速營造的全新的一體化數(shù)字建筑工藝。蘇州木結(jié)構(gòu)主題館是機(jī)器人木構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的一次成功嘗試。

機(jī)器人建造；木構(gòu)工藝；結(jié)構(gòu)性能

0 引 言

木材是最古老的建筑材料之一，“建構(gòu)”（tectonics）一詞源于古希臘文tecton，意為木匠（carpenter）或建造者。建構(gòu)作為一種對(duì)建造過程的詩意表達(dá)，從根源上與木構(gòu)息息相關(guān)。20世紀(jì)以來的100多年時(shí)間里，木材的生產(chǎn)技術(shù)、技工技術(shù)和建筑設(shè)計(jì)方法發(fā)生了劇烈變化，尤其在最近10年間，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和建造方法為木材打開了一種新的數(shù)字建構(gòu)的可能[1]。近年來，建筑教育與研究領(lǐng)域紛紛將目光投向新興機(jī)器人建造技術(shù)與傳統(tǒng)木材的結(jié)合，建筑聯(lián)盟學(xué)院（AA School of Architecture）、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）、德國斯圖加特大學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)研究所（ICD，University of Stuttgart）等機(jī)構(gòu)已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了令人矚目的研究成果。本文以蘇州木結(jié)構(gòu)主題館為例，旨在探討一種整合了現(xiàn)代木材、數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)和機(jī)器人建造工藝的機(jī)器人木構(gòu)新工藝的可能性。

1 機(jī)器人木構(gòu)工藝

隨著全球木材資源的可持續(xù)供給和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，木結(jié)構(gòu)建筑在世界范圍內(nèi)日益普及?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在綠色環(huán)保、保溫節(jié)能、結(jié)構(gòu)抗震等方面表現(xiàn)出卓越的性能。在發(fā)達(dá)國家，70%的住房為木結(jié)構(gòu)建筑。隨著現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)業(yè)化升級(jí)的迫切需求，傳統(tǒng)機(jī)械化加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代木構(gòu)建造所需的生產(chǎn)力水平。建立在數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)基礎(chǔ)上的新興數(shù)字木構(gòu)工藝成為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要支撐[2]。一個(gè)世紀(jì)以來，木材材料性能、木材加工工具和設(shè)計(jì)方法的快速演進(jìn)為機(jī)器人木構(gòu)工藝的出現(xiàn)提供了強(qiáng)大動(dòng)力。

1.1 木材材料性能

與大多數(shù)人工建材相比，木材作為一種天然可再生的綠色建材，在生態(tài)節(jié)能方面具有重大優(yōu)勢(shì)。就材料本身而言，現(xiàn)代化木材生產(chǎn)技術(shù)解決了天然木材的多種缺陷（節(jié)疤、非均質(zhì)、尺度受限、易腐蝕等），使木材成為一種大尺度、高強(qiáng)度、低質(zhì)強(qiáng)比、均質(zhì)屬性的材料。就施工而言，木材在加工、改造、運(yùn)輸和建造方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，木結(jié)構(gòu)不僅適用于建造低層、多層住宅，同時(shí)可以與混凝土和鋼結(jié)構(gòu)組成鋼木混合結(jié)構(gòu)。近年來，現(xiàn)代膠合木材的發(fā)展使木材的材料尺度不斷增大，膠合木等工程木產(chǎn)品開始被廣泛應(yīng)用于大跨度建筑中。木構(gòu)在建筑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 木材加工工藝

木材加工工藝決定了木結(jié)構(gòu)的獨(dú)特建構(gòu)方式。木材加工工具的發(fā)展經(jīng)歷了從傳統(tǒng)手工工具、機(jī)械化工具到數(shù)字工具（信息化工具）的演化。在手工工具時(shí)代，傳統(tǒng)木工通過手工劃線，用斧鋸刨鑿等工具完成整個(gè)建造過程，設(shè)計(jì)、加工和材料通過傳統(tǒng)匠人的手和工具成為一個(gè)統(tǒng)一的整體。木結(jié)構(gòu)是中國傳統(tǒng)建筑的主要形式，中國傳統(tǒng)木構(gòu)技術(shù)的精美與技藝的高超曾遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他文明。進(jìn)入工業(yè)時(shí)代以后，機(jī)械化的木材加工要求木構(gòu)件以標(biāo)準(zhǔn)化方式進(jìn)行生產(chǎn)。生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化也對(duì)木材的均質(zhì)性提出了要求，促成了膠合木材生產(chǎn)技術(shù)的出現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)化的弊端在于其要求建造的便利性，因此傳統(tǒng)木工加工的節(jié)點(diǎn)方式被螺栓、釘子的連接方式取代，木材成為一種標(biāo)準(zhǔn)化建造材料。與機(jī)械時(shí)代的標(biāo)準(zhǔn)化相比，數(shù)字時(shí)代的特征在于定制化和個(gè)性化，信息的數(shù)字化是數(shù)字加工工具優(yōu)于其他時(shí)期工具的重要突破。在手工時(shí)代，信息掌握在匠人手中；在機(jī)械化時(shí)代，雖然工具轉(zhuǎn)為機(jī)器，但仍是人在操控機(jī)器，信息仍然掌握在技術(shù)工人手中。在數(shù)字時(shí)代，信息能夠直接通過設(shè)計(jì)和代碼傳輸給加工工具（CNC，機(jī)器人），非標(biāo)準(zhǔn)化的序列生產(chǎn)和建造能夠被經(jīng)濟(jì)地完成，這為數(shù)字木構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了支持。

1.3 性能化生形設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期以來，材料性能在建筑設(shè)計(jì)的形式生成中一直是被忽略的一環(huán)。手工工具時(shí)期，材料的性能經(jīng)由匠人千百年薪火相傳的建造經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到建筑形式中?，F(xiàn)代木材的結(jié)構(gòu)性能、加工局限和建造方式為木構(gòu)的性能化設(shè)計(jì)帶來了全新可能。新興的性能化生形設(shè)計(jì)方法能夠通過算法整合建造材料、結(jié)構(gòu)和形式，在這一過程中，材料屬性和性能分析不僅僅是后合理化的工具，亦可以在設(shè)計(jì)初期驅(qū)動(dòng)建筑設(shè)計(jì)[3]。同時(shí)，數(shù)字化設(shè)計(jì)方式和數(shù)字加工工具擺脫了機(jī)械化標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的局限，數(shù)字建造工具能夠以定制生產(chǎn)模式經(jīng)濟(jì)地完成傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的加工，性能模擬工具允許對(duì)節(jié)點(diǎn)連接的傳力機(jī)制和性能進(jìn)行模擬。在這一層面上，性能化設(shè)計(jì)方法將材料、傳統(tǒng)工藝、性能模擬、數(shù)字設(shè)計(jì)、數(shù)字建造整合為一體[4]。

2 基于結(jié)構(gòu)性能的機(jī)器人木構(gòu)工藝——現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)主題館的實(shí)踐

江蘇省園藝博覽會(huì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)主題館的設(shè)計(jì)與建造是對(duì)機(jī)器人木構(gòu)工藝的一次嘗試。項(xiàng)目以自由網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的找形為基礎(chǔ)，基于木材的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了多維度的模擬和優(yōu)化，并通過節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)對(duì)構(gòu)件的連接方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。項(xiàng)目以工廠預(yù)制與機(jī)器人建造相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的數(shù)字化加工。在設(shè)計(jì)過程中，項(xiàng)目以一種基于參數(shù)的幾何系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)與建造信息進(jìn)行了整合。

2.1 結(jié)構(gòu)性能找形與優(yōu)化

在工程領(lǐng)域，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一直是一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[5]。不同于混凝土或鋼結(jié)構(gòu)可以采用預(yù)制的模版塑形，木材的加工牽涉到復(fù)雜的銑削和開孔等減材操作，為木節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)帶來了一系列困難[6]。在木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，宏觀的高性能網(wǎng)殼形式和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化與加工往往是兩個(gè)相互矛盾的目標(biāo)。幾何優(yōu)化所追求的統(tǒng)一的應(yīng)力分布往往會(huì)形成一個(gè)自由雙曲面的殼體形，這種曲面和構(gòu)件的雙曲形式無疑為機(jī)械化標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)帶來了極大挑戰(zhàn)。同時(shí)建筑實(shí)踐不同于小尺度裝置建造，木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)和建造都要求更加成熟。建筑不僅需要均勻的重力分配，同時(shí)還需要足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來抵御風(fēng)和地震等活荷載[7]。因此現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)主題館的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)采用了一種多目標(biāo)參數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

圖1 結(jié)構(gòu)性能化找形過程Fig.1 structure performance-based form-finding process

依據(jù)基地的邊界條件，本項(xiàng)目運(yùn)用結(jié)構(gòu)性能找形工具Rhinovault[8]得到一個(gè)由6個(gè)不同標(biāo)高點(diǎn)邊界支點(diǎn)和一個(gè)內(nèi)部支點(diǎn)共同支撐的自由曲面殼體結(jié)構(gòu)（圖1）。之后，設(shè)計(jì)以交叉網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)形式對(duì)初始曲面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)譯，自由曲面被兩個(gè)方向軸線組成的斜交網(wǎng)格重新擬合（圖2）。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)邊緣被一根連續(xù)邊拱限定。之后項(xiàng)目采用空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，對(duì)網(wǎng)格密度、方向和形態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于邊拱抗傾覆能力較差，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格被分為主次兩個(gè)方向。主梁方向的構(gòu)件采用通長(zhǎng)連續(xù)曲梁，次梁方向的構(gòu)件采用短直梁連接相鄰兩榀主梁。這種做法一方面增加了整體穩(wěn)定性，同時(shí)也簡(jiǎn)化了構(gòu)件數(shù)量和節(jié)點(diǎn)復(fù)雜度。主梁和次梁均為矩形截面，主梁垂直于地面布置，次梁隨屋頂形態(tài)法線變化。

圖2 以網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)重新擬合自由曲面Fig.2 latticed shell structure rematched free-form surface

如果說壓力決定了殼體結(jié)構(gòu)的形式，那么其他各種受力環(huán)境的綜合將決定殼體結(jié)構(gòu)的材料厚度[9]。結(jié)構(gòu)采用層板膠合木為主要材料。層板膠合木（簡(jiǎn)稱膠合木）運(yùn)用指接和膠接技術(shù)，將小截面的木層板膠合制作成大截面的構(gòu)件。Rhinovault作為一種純壓力結(jié)構(gòu)找形工具，僅考慮壓力作用下的靜態(tài)平衡，而不考慮結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、屈曲、剪切等受力狀況[10]。后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程通過材料性能的非線性結(jié)構(gòu)模擬確定了構(gòu)件的截面尺寸。主梁最終采用500 mm×250 mm的截面，次梁則采用450 mm×250 mm的截面。

2.2 膠合木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)研究

空間木結(jié)構(gòu)的相交桿件數(shù)量多，節(jié)點(diǎn)連接體系是空間結(jié)構(gòu)最重要的組成部分。項(xiàng)目在結(jié)構(gòu)性能找形與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)字模擬和物理實(shí)驗(yàn)，尋找合適的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。木結(jié)構(gòu)相比于鋼結(jié)構(gòu)，由于材料不可焊接，節(jié)點(diǎn)只能做成鉸接或半剛接，對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)來說，節(jié)點(diǎn)剛度又直接影響了整體的穩(wěn)定性，因此選擇合理的體系及一定的節(jié)點(diǎn)剛度來滿足整體穩(wěn)定要求是研究的重點(diǎn)。

2.2.1 連接體系設(shè)計(jì)

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了單向連續(xù)（主梁方向）的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系，因此結(jié)構(gòu)連接是一種單向連續(xù)單向半剛接的體系。結(jié)構(gòu)連接體系的設(shè)計(jì)以完全剛接的雙向剛接體系為參照，通過單向連續(xù)、單向半剛接的結(jié)構(gòu)體系與完全剛接的結(jié)構(gòu)體系的對(duì)比，選取合理的結(jié)構(gòu)連接體系和節(jié)點(diǎn)剛度。由于是空間結(jié)構(gòu)，分析采用非線性計(jì)算，使結(jié)構(gòu)更加真實(shí)地反映實(shí)際的效應(yīng)。分析顯示，兩種體系的桿件軸力比較接近，說明結(jié)構(gòu)體的殼體效應(yīng)比較明顯，桿件以軸力為主（圖3）。兩種體系的變形在大部分區(qū)域比較接近，但是在部分拱腳區(qū)域，由于梁架走向與殼體跨度方向存在20°左右的夾角，而這個(gè)方向梁本身相對(duì)平坦，拱殼效應(yīng)相對(duì)弱，因此雙向剛接體系對(duì)于整體變形控制比較有利（圖4）。因此對(duì)于單向連續(xù)體系來說，需要選擇合理的節(jié)點(diǎn)剛度，把變形控制在設(shè)計(jì)允許的范圍之內(nèi)。要達(dá)到規(guī)范要求的穩(wěn)定性，需要500 kNm/rad以上的節(jié)點(diǎn)剛度，設(shè)計(jì)采用節(jié)點(diǎn)剛度為850 kNm/rad的單向連續(xù)半剛性節(jié)點(diǎn)，模擬結(jié)果顯示，在850 kNm/rad的節(jié)點(diǎn)剛度下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范要求值（圖5）。

2.2.2 節(jié)點(diǎn)原型實(shí)驗(yàn)與性能研究

在空間木結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)類型主要有三種：螺栓板節(jié)點(diǎn)，主要用于球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；疊合節(jié)點(diǎn)，與腳手架的節(jié)點(diǎn)類似，通過螺栓將相交構(gòu)件串聯(lián)起來，或通過卡具將構(gòu)件夾緊；植筋節(jié)點(diǎn)配合螺栓球節(jié)點(diǎn)，與空間鋼結(jié)構(gòu)螺栓球節(jié)點(diǎn)類似，不同之處在于將傳統(tǒng)的錐頭端板與鋼桿件相焊接的方式改為通過植筋方式與木構(gòu)件相連，主要用于桁架結(jié)構(gòu)體系[11]。

在這三種節(jié)點(diǎn)類型中，螺栓板節(jié)點(diǎn)剛度較低，但是節(jié)點(diǎn)重量也較輕；植筋節(jié)點(diǎn)能夠增加節(jié)點(diǎn)深度；螺栓板節(jié)點(diǎn)與植筋節(jié)點(diǎn)的結(jié)合能夠大大增加結(jié)構(gòu)剛度，但是這種混合節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)重量會(huì)大大增加。因此，在穩(wěn)定性允許的情況下，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)分析混合排布兩種節(jié)點(diǎn)。本項(xiàng)目中的主要節(jié)點(diǎn)形式為螺栓板節(jié)點(diǎn)與植筋節(jié)點(diǎn)的混合節(jié)點(diǎn)，主梁上的T形鋼板通過高強(qiáng)度螺栓固定在主梁上，次梁上的T形鋼板用植筋固定，二者之間采用高強(qiáng)度螺栓連接。在節(jié)點(diǎn)剛度較低的位置，低剛度的螺栓板能夠有效地滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，同時(shí)減輕了結(jié)構(gòu)重量（圖6）。

原型設(shè)計(jì)完成后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行1∶1的剛度試驗(yàn)（圖7）。在節(jié)點(diǎn)部位放置五個(gè)位移計(jì)，測(cè)定節(jié)點(diǎn)在5～50 kN壓力下的變形量，根據(jù)變形量計(jì)算出節(jié)點(diǎn)剛度。通過對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析（表1），設(shè)計(jì)師對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，包括植筋深度、螺栓板尺寸等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)剛度在1 500 kNm/rad以上，大于設(shè)計(jì)值850 kNm/rad，確保了結(jié)構(gòu)有一定的安全冗余度。除節(jié)點(diǎn)剛度實(shí)驗(yàn)外，項(xiàng)目過程中還對(duì)其他各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，比如膠合層板的檢測(cè)、含水率的控制、涂料耐久性實(shí)驗(yàn)等，保證了材料和結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

圖4 單向連續(xù)單向半剛接節(jié)點(diǎn)（a）與雙向剛接節(jié)點(diǎn)（b）變形比較Fig.4 transformation comparison of one-way continuous one-way semirigid joint (a) and two-way rigid joint (b)

圖5 a點(diǎn)為單向連續(xù)單向鉸接節(jié)點(diǎn)；b點(diǎn)為實(shí)際設(shè)計(jì)采用的單項(xiàng)連續(xù)單向部分半剛性節(jié)；c點(diǎn)為雙向剛接節(jié)點(diǎn)Fig.5 a. one-way continuous one-way hinged joint; b. one-way continuous one-way semi-grid joint adopted in real design; c. two-way rigid joint

2.3 基于節(jié)點(diǎn)原型的建筑幾何系統(tǒng)

建筑幾何系統(tǒng)是一種信息整合與傳輸?shù)南到y(tǒng)，節(jié)點(diǎn)原型、建筑信息、建造方式以信息的形式在數(shù)字設(shè)計(jì)過程中被整合，并傳輸?shù)綌?shù)字建造過程中。在本項(xiàng)目中，從數(shù)字生形到數(shù)字建模、數(shù)字建造的過程利用數(shù)字化工具被整合在同一個(gè)數(shù)字信息流之中。

項(xiàng)目的建筑幾何信息系統(tǒng)主要包括3個(gè)方面的信息，首先是原始模型，即結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的建筑基礎(chǔ)模型，作為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和加工的基礎(chǔ)；其次是建筑幾何信息模型，用于存儲(chǔ)主要構(gòu)件的相互關(guān)系和連接方式，隨后的建造方式、加工路徑都在這一模型的基礎(chǔ)上完成；最后是構(gòu)件的加工信息，是建筑幾何模型與不同構(gòu)件加工方式的疊加。在建筑幾何信息系統(tǒng)中，構(gòu)件的尺寸信息被轉(zhuǎn)化為參數(shù)化關(guān)系信息，例如在節(jié)點(diǎn)模型中，節(jié)點(diǎn)原型通過Grasshopper編程被數(shù)字化為主梁、次梁與五金件之間的相對(duì)位置關(guān)系，主梁螺栓板始終平行于主梁側(cè)邊，螺栓垂直于主梁，次梁植筋始終垂直于次梁截面，植入深度為400 mm。程序以主次梁原始構(gòu)件為參數(shù)輸入，依據(jù)特定的條件自動(dòng)生成特定位置的節(jié)點(diǎn)模型。

建筑幾何系統(tǒng)控制3個(gè)方面加工信息的輸出，包括主梁、次梁和五金件，構(gòu)件加工信息的輸出方式取決于特定構(gòu)件的加工方式。例如，節(jié)點(diǎn)中五金件的加工采用工廠預(yù)制的方式，則幾何信息以加工圖紙的形式輸出到工廠。由于構(gòu)件的特異性和復(fù)雜性，為了適應(yīng)五金件供應(yīng)商的機(jī)械化加工方式，五金件加工圖重新定義了三視圖的工作平面，分別以組成T形螺栓板的兩個(gè)面板為工作平面獲取正投影，使工人可以方便地獲取兩塊面板的形式和連接角度。正是這種從幾何系統(tǒng)到建筑方法的靈活輸出方式使大批量特異五金件的加工得以順利完成（圖8）。

2.4 數(shù)字建造過程

圖6 節(jié)點(diǎn)：螺栓板植筋混合節(jié)點(diǎn)（a）；螺栓板節(jié)點(diǎn)（b）Fig.6 joint: bolt board and plated bar mixed joint (a); bolt board joint (b)

自由曲面的結(jié)構(gòu)形式對(duì)構(gòu)件的加工提出了非常高的要求。以主梁為例，整個(gè)項(xiàng)目所需要的膠合木形式、尺寸、孔位都不相同，但節(jié)點(diǎn)的加工精度必須控制在±2 mm以內(nèi)，因此木梁加工采用數(shù)字建造的方式輔助進(jìn)行，以保證所有構(gòu)件的精度。根據(jù)實(shí)際的加工局限，木構(gòu)件的數(shù)字建造方式分為兩種，大型構(gòu)件——主梁在工廠中完成整體成形和節(jié)點(diǎn)預(yù)制；短梁以機(jī)器人建造的方式實(shí)現(xiàn)。

圖7 節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)Fig.7 the joint experiment

表1 節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 experimental data of joints

圖8 建筑幾何信息系統(tǒng)Fig.8 building geometrical information system

2.4.1 大型構(gòu)件的工業(yè)化預(yù)制

因膠合設(shè)備的尺寸局限，大型曲梁采用CNC輔助定位的方式進(jìn)行膠合和加工。在此過程中，建筑信息（包括開槽和打孔信息）首先通過代碼傳輸給CNC，加工成曲梁膠合模版，用于指導(dǎo)膠合過程和人工加工過程的定位。在工廠以大型鋼板為底座，采用可靈活移動(dòng)的鋼架進(jìn)行定位，通過人工加壓實(shí)現(xiàn)大型曲梁構(gòu)件的整體成形。鋼架等膠合設(shè)施可重復(fù)利用，有效節(jié)約了成本。膠合完成后，工人直接根據(jù)模版的定位信息開槽或打孔，保證了加工精度。雖然大型曲梁只能在工廠里人工完成，但是數(shù)字模型中的加工信息通過模版有效傳輸給了加工工人，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信息的間接傳輸（圖9）。

2.4.2 機(jī)器人定制化加工

大批量的次梁構(gòu)件是主要的加工難度所在。項(xiàng)目采用六軸機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型與建造之間的連接。機(jī)器人建造過程的設(shè)計(jì)與加工工具的工作空間、加工范圍直接相關(guān)。機(jī)器人配備了一臺(tái)18 000 rmp的主軸電機(jī)，通過轉(zhuǎn)換工具頭（銑刀）能夠完成所有次梁開孔的加工。Grasshopper插件kukaprc①順利將建筑模型轉(zhuǎn)化為加工代碼，同時(shí)通過過程模擬保證機(jī)器人加工過程的順利。對(duì)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，機(jī)器人需要一系列加工路徑，首先需要制定木料粗加工的路徑，從一根完整木料中銑削出需要的大體形式；其后，一些細(xì)節(jié)如螺栓孔、開槽等需要額外的加工路徑來實(shí)現(xiàn)。加工過程和銑刀圓形刀頭實(shí)際上對(duì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)形式產(chǎn)生了一定的反饋，主要體現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角位置的圓角化。機(jī)器人模擬過程一方面保證建造的順利進(jìn)行，同時(shí)能夠直接生成機(jī)器代碼，輸出給機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際加工。除了建筑幾何信息之外，這一過程無需其他幾何信息的輔助。機(jī)器人大批量定制的加工方式有效保證了大批量構(gòu)件的順利完成，不僅提高了加工精度，同時(shí)也有效減少了加工時(shí)間和成本（圖10-12）。

圖9 工廠預(yù)制Fig.9 prefabrication

圖10 機(jī)器人加工模擬Fig.10 robot processing simulation

2.5 現(xiàn)場(chǎng)裝配

木結(jié)構(gòu)構(gòu)件、五金件在工廠中預(yù)制，五金件植筋等工作也在工廠中預(yù)先完成，因此現(xiàn)場(chǎng)施工中只需要將木梁安裝到位，這大大縮短了木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)間，使木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)施工只花費(fèi)了一個(gè)月的時(shí)間。施工過程是一個(gè)數(shù)字化的過程，復(fù)雜的空間形式要求定位非常精確。安裝之初，主次梁和五金件根據(jù)網(wǎng)殼軸線進(jìn)行了精確編碼。整個(gè)施工過程中設(shè)置了200多個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)，全程采用全站儀跟蹤測(cè)量定位。交界面通過全站儀生成數(shù)據(jù)，返回軟件實(shí)時(shí)更新模型和構(gòu)件加工圖，以此吸收各施工階段產(chǎn)生的累積誤差。根據(jù)殼體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，施工過程中搭設(shè)了滿堂腳手架體系和操作平臺(tái)，同時(shí)保證主次梁在3個(gè)方向上的微調(diào)。智能化、數(shù)據(jù)化的技術(shù)應(yīng)用確保了項(xiàng)目的順利完成（圖13-14）。

園博會(huì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)主題館最終完成面積約2 000 m2，最大跨度達(dá)40 m。木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系包含27根長(zhǎng)曲梁、184根短梁和368個(gè)鋼節(jié)點(diǎn)，其中沒有兩個(gè)組件是完全相同的。通過幾何系統(tǒng)控制的結(jié)構(gòu)主體的加工和組裝僅耗時(shí)4個(gè)月，保證了園博會(huì)展覽的順利進(jìn)行（圖15）。

3 結(jié) 論

蘇州園博會(huì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)主題館的順利完成可以看作是機(jī)器人木構(gòu)工藝在建造能力和效率方面的有力證明。項(xiàng)目將數(shù)字設(shè)計(jì)與機(jī)器人建造技術(shù)應(yīng)用到大尺度建筑建造中，使建筑的各項(xiàng)規(guī)范要求，如抗震性能、耐火性等，能夠在同一個(gè)系統(tǒng)中平衡和實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)模擬和實(shí)驗(yàn)不再僅僅是一種分析工具，而且成為了建筑形式和節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)因素。作為新興建造工藝的一次嘗試，木結(jié)構(gòu)主題館的數(shù)字設(shè)計(jì)與建造過程應(yīng)該被看作一個(gè)形式與功能、結(jié)構(gòu)與建構(gòu)的權(quán)衡過程，這一研究也反映出當(dāng)下木材的數(shù)字設(shè)計(jì)與建造工藝在大尺度建筑建造中所面臨的挑戰(zhàn)。

綜上所述，機(jī)器人木構(gòu)工藝系統(tǒng)通過一個(gè)基于結(jié)構(gòu)性能的幾何系統(tǒng)將多目標(biāo)結(jié)構(gòu)分析、數(shù)字化設(shè)計(jì)以及機(jī)器人建造技術(shù)整合為了一個(gè)整體。在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)不斷快速發(fā)展的大背景下，機(jī)器人木構(gòu)工藝能夠作為一種強(qiáng)大的技術(shù)支撐，為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來源源不斷的創(chuàng)新動(dòng)力。

圖11 機(jī)器人加工工具路徑Fig.11 robot processing instrument route

圖12 機(jī)器人建造過程Fig.12 robot constructing process

注釋：

① kukaprc是建筑機(jī)器人協(xié)會(huì)開發(fā)的參數(shù)化機(jī)器人控制工具，能夠在數(shù)字建模環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的直接控制。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)定位系統(tǒng)Fig.13 site positioning system

圖14 現(xiàn)場(chǎng)搭建過程Fig.14 site constructing process

圖15 室內(nèi)建造過程Fig.15 indoor construction process

[1] BURI H U, WEINAND Y. The Tectonics of Timber Architecture in the Digital Age[J]. Mississippi Valley Historical Review, 2011, 39(02): 56-63.

[2] W I L L M A N N J, K N AU S S M, APOLINARSKA A, et al. Robotic timber construction-Expanding additive fabrication to new dimensions[C]// Automation in Construction 61, 2015.

[3] ADRIAENSSENS S, BLOCK P, VEENENDAAL D, et al. Shell structures for architecture: form finding and optimization[M]. London: Routledge, 2014.

[4] MENGES A. Integrative Design Computation: Integrating material behaviour and robotic manufacturing processes in computational design for performative wood constructions[C]// Proceedings of the 31st Annual Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture (ACADIA), 2011: 72-81.

[5] VEENENDAAL D, BLOCK P. An overview and comparison of structural form finding methods for general networks[J]. International Journal of Solids and Structures, 2012, 49(26): 41-53.

[6] KOLB J. Systems in Timber Engineering: Load-Bearing Structures and Component Layers[M]. Basel: Birkh?user, 2008.

[7] RIPPMANN M, BLOCK P. Funicular Shell Design Exploration[C]//BEESLEY P, KHAN O, STACEY M. Proceedings of the 33rd Annual Conference of the ACADIA. Toronto: Riverside Architectural Press, 2013: 337-346.

[8] BLOCK P. Thrust Network Analysis: Exploring three-dimensional equilibrium[M]. Massachusetts: The MIT Press, 2009.

[9] RIPPMANN M, LACHAUER L, BLOCK P. Interactive Vault Design[J]. International Journal of Space Structures, 2012, 27(04): 219-230.

[10] LACHAUER L, RIPPMANN M, BLOCK P. Form Finding to Fabrication: A digital design process for masonry vaults[C]//Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium, 2010.

[11] IKEMOTO M, FUJIMOTO M, IMAI K, et al. 2023 Experimental Study of Buckling Behavior of Single Layer Three-way Grid Dome with Round Timber[C]//日本建筑學(xué)會(huì)近畿支部研究報(bào)告集·構(gòu)造系, 2004: 89-92.

圖表來源：

圖1-2，6-15：作者拍攝繪制

圖3-5：蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司提供

表1：蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司提供

Robot Wooden Structure Technology

Philip F. YUAN, CHAI Hua

As a natural renewable green building material, wood has great potential in the future architectural industrialization. Along with the enhancement of laminated wood and other production techniques, wood has become a large-scale high performance material. Modern wooden structure industry has found great support owing to the development of digital design and construction technology and the innovation of newly-developed wooden structure technology. Based on digitalized structural performance form-finding techniques, digital wooden structure utilizes the precise and effi cient processing technology of robots to make the mass production of customized complex wooden components possible. The modern wooden structure theme pavilion of Jiangsu Horticultural Exposition combines form-fi nding technique with robot building technique to realize the new integrated digital technology from design, prefabrication to field monitoring and quick construction, through structural performance optimization and parameterized geometry optimization technology. Suzhou wooden structure theme pavilion is a successful attempt in robot wooden structure industrialization.

Robotic Fabrication; Wood Tectonics; Structural Performance

TU237

B

2095-6304（2016）06-0001-07

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160601

2016-10-15

（編輯：鄭曦）

* “綠色施工與智慧建造關(guān)鍵技術(shù)”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFC0702100）；“國家自然科學(xué)基金”資助項(xiàng)目（51578378）；“中德科學(xué)基金（國家自然科學(xué)基金委NSFC和德國科學(xué)基金會(huì)DFG）”合作資助項(xiàng)目（GZ1162）；“上海市數(shù)字建造工程研究中心”重點(diǎn)研發(fā)基金資助項(xiàng)目；“上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃”資助項(xiàng)目（16dz1206502）

袁 烽： 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師，philipyuan007@#edu.cn

柴 華： 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，碩士研究生

袁烽, 柴華. 機(jī)器人木構(gòu)工藝[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2016, 31(06): 1-7.