“機器人建造”是當(dāng)今建筑學(xué)的熱門話題。自2012年在維也納舉辦的第一次Rob|Arch會議以來，僅僅五年的時間，“機器人建造”在全球范圍內(nèi)以令人難以置信的速度發(fā)展著。隨著這幾年機器人裝置的數(shù)量幾乎呈指數(shù)增長，如今的“機器人建造”已經(jīng)在創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)中達到了井噴式發(fā)展。

20世紀初的預(yù)言：未來的人類將由機器人服務(wù)

建筑師對機器人勞動的幻想在上個世紀就已開始呈現(xiàn)，最早可溯源到法國藝術(shù)家Villemard在1910年發(fā)行的明信片中表達的烏托邦式愿景。后來英國建筑師Ron Herron在1964年提出“行走城市”的概念。20世紀80、90年代，日本建筑行業(yè)開始使用高度定制的機器人進行高層建筑。

機器人在建造中的使用，最早可追溯到1980年代。相對于Villemard明信片中顯示的高度分化、各司其職的機器人，以及日本使用的單功能高度定制機器人，現(xiàn)在的機器人更傾向于多功能、靈活性和適應(yīng)性?，F(xiàn)代數(shù)字建造先鋒F. Gramazio和M.Kohler對機械臂的實踐研究進一步證明了，機械臂不僅僅可以類比人類手臂，還可以執(zhí)行超出人力范圍的建造過程。而飛行機器人更是突破了人類不能飛的局限，尤其是在空中自由操作的能力。

今天如何理解建筑和建造

在古代，建筑大師（Master Builder）是人們對建筑師的稱呼。羅馬建筑師維特魯威在《建筑十書》里提到，建筑大師的工作范疇?wèi)?yīng)涵蓋工藝和理論，他認為完全依靠理論而忽視建造工藝的建筑師，所追求的是幻影而不是實際。由此可見，傳統(tǒng)的建筑生產(chǎn)模式對建筑師的期待乃是非常精通建造工藝的人，而這個角色在當(dāng)今的建筑師身上已很難找到蹤跡。

建筑是基于物質(zhì)材料的實踐學(xué)科，其最終實現(xiàn)缺少不了真材實料，也不能拋開將材料加工組合的技巧。這決定了選材和制造是設(shè)計過程的本質(zhì)。因而傳統(tǒng)模式的建筑師無法脫離建造的角色。

而在工業(yè)革命后，由于時代對批量生產(chǎn)的期待，更有效率的流水線工作模式需要對分工進行細化和專門化，從而設(shè)計師與建造師的角色也漸漸被分離，建筑師逐漸脫離了把設(shè)計“物化/變現(xiàn)”的過程。這種建筑大師們無法理解的工作模式，在工業(yè)革命的時代大背景下卻是大受追捧。Joan Soane爵士就是力捧建筑師角色純粹化的第一人。

事實上，建筑大師角色的瓦解一度給社會帶來強烈的不適。建筑大師消失后，兩個新生的職業(yè)開始盛行：一是只負責(zé)設(shè)計、但對建造沒有真正了解的建筑師，二是只負責(zé)建造、而對設(shè)計沒有真正了解的施工承包商。當(dāng)設(shè)計師不具備建造技能時，設(shè)計往往容易變成不現(xiàn)實的、昂貴的、超出預(yù)算的“漂亮圖片”，對人民生活的真正需要也容易缺乏關(guān)注。

無論“流水線”模式如何被人詬病，在大規(guī)模建設(shè)時代，不可能接受建筑大師模式的生產(chǎn)效率。這就意味著，人類必須在建筑大師和效率之間找到一條出路。

而數(shù)字建造把建筑師重新帶回了建造的角色中。數(shù)字化加工要求建筑師詳知整個作品是如何建成的，甚至在設(shè)計的最初階段就開始考慮建造。通過機器人對建筑師命令精確的傳達執(zhí)行力，建筑師又重新掌握了建造的全局。在數(shù)字建造的輔助下，建筑師再次有機會扮演一個建筑大師的角色。然而，現(xiàn)代的建筑大師無論是在構(gòu)思方式上還是設(shè)計流程上，都和傳統(tǒng)的建筑大師大有不同。

新的設(shè)計構(gòu)思法

數(shù)字建造于20世紀上半葉就已開始在歐洲出現(xiàn)。數(shù)字建造之下的工作流程，簡單地描述就是：人負責(zé)設(shè)計，計算機將設(shè)計抽象化為數(shù)字，機器人將數(shù)字物化成實體。人的設(shè)計轉(zhuǎn)化成命令，而機器人則根據(jù)命令去建造。

這個流程的樞紐在于“命令”，命令是一個橋梁，可以精準地將人類的設(shè)計意圖傳達給負責(zé)執(zhí)行的機器人，實現(xiàn)了建筑師和建造過程的直接溝通。而在這種工作模式下，建筑師的設(shè)計實際上也集中于設(shè)計生產(chǎn)過程，多于設(shè)計圖像或模型。

早期的數(shù)字建造采用的是傳統(tǒng)的“自上而下”的做法，目標(biāo)是使用電腦來實現(xiàn)建筑師的設(shè)計。建筑的形態(tài)依然是在一開始就設(shè)計，而計算機則是用于幫助實現(xiàn)和堅持設(shè)計的意圖。

新倡導(dǎo)的數(shù)字設(shè)計方式則是“自下而上”：建造過程所涉及的每個成分（表面，材料，機器和模具等）都提供了一系列約束和潛能，例如：模具的選材會導(dǎo)致加工環(huán)境的變化，而不同的切削工具也會在模具上產(chǎn)生不同的效果…所有這些參數(shù)都為數(shù)字物質(zhì)化提供了廣泛的潛能。

這種設(shè)計方式使得建造成為設(shè)計的源頭。它不僅僅意味著設(shè)計的最初應(yīng)當(dāng)充分考慮到建造的局限，更意味著建造過程有很多未被發(fā)掘的潛能將被發(fā)現(xiàn)。而這些潛能，在“自上而下”的設(shè)計中是很難想象得到，并加以利用的。

機器人加工的建設(shè)能力界定了設(shè)計的可能性，其優(yōu)勢所在的數(shù)字化生產(chǎn)模式啟發(fā)了一種基于算法的設(shè)計策略。和傳統(tǒng)的側(cè)重表達形態(tài)的計算機輔助設(shè)計不同，運用機器人技術(shù)進行設(shè)計所得的模型，不僅包含了設(shè)計邏輯，還包含數(shù)字建造加工的過程。除了體現(xiàn)形態(tài)，還可以生成指揮機器人為其執(zhí)行生產(chǎn)所需的控制數(shù)據(jù)。

“自下而上”的設(shè)計方法，要求建筑師對建造工藝非常了解。如果設(shè)計師在設(shè)計過程中能夠即時知曉建造的情況，對改進設(shè)計將會非常有利。

設(shè)計與建造在建筑大師的時代，本是一個不斷反饋、不斷改進的動態(tài)化互動過程：建筑大師們一邊現(xiàn)場指導(dǎo)施工，一邊隨時調(diào)整策略。工業(yè)革命后，這種互動丟失：設(shè)計師完成設(shè)計后，建造過程才可以開始。設(shè)計師需要在不知道建造過程的情況下完成設(shè)計，而建造方也不能參與設(shè)計?！傲魉€”模式的建筑生產(chǎn)使設(shè)計與建造互相脫節(jié)。而數(shù)字建造所擁有的反饋機制，則將設(shè)計與建造互動的可能性重新帶到生產(chǎn)過程中。

反饋機制

數(shù)字建造對復(fù)雜的建筑元件可實現(xiàn)實地加工，相比于承包給加工商可節(jié)省不少開支，更免去了運輸?shù)穆闊Ｈ欢?，?shù)字建造的門檻也很高：設(shè)計師需要懂建造，懂編程，還要懂操作復(fù)雜的機器。

2010年，兩個奧地利藝術(shù)家為了制造出紅牛拱的鋁拱，他們購買了一臺KUKA|prc機械臂，然而卻不會使用。他們找到了建筑機器人協(xié)會。

建筑機器人協(xié)會的工作人員說：“考慮到藝術(shù)家們的預(yù)算情況，我們最終決定，與其將這單制作外包給協(xié)會，不如將機械臂的操作知識傳授給他們。在四天之內(nèi)，我們的工作人員教會他們機械臂的基本操作、Rhino和Grasshopper。盡管他們之前連CAD都不會，卻很快對這些軟件上手了。四天之后，他們已經(jīng)可以用機械臂進行泡沫切割。他們甚至自己嘗試去改進加工?！?/p>

這個拱總共包含了84塊零件，每件零件的形狀都不一樣。在學(xué)會相關(guān)操作技能之后，兩位藝術(shù)家可以輕松對形態(tài)設(shè)計進行調(diào)整。無論他們更改了拱的高度、寬度或是別的什么參數(shù)，都能實時地看到這改變對建造過程產(chǎn)生的影響，而后評估自己的設(shè)計是否可行，再返回去繼續(xù)調(diào)整設(shè)計。

這樣的工作流程，實現(xiàn)了設(shè)計與建造的互動。設(shè)計影響建造，同時建造又返回來影響設(shè)計。在兩者的互動中，方案得以不斷推進和調(diào)整。

在藝術(shù)家完成泡沫模塊切割后，所有的鋁元件在德國鑄造完成，2012年夏天，紅牛拱在奧地利史皮爾堡完成了它的最后集裝。可以看出，有了實時反饋機制，實際建造過程變得可預(yù)測，相關(guān)應(yīng)對策略也可以在設(shè)計階段就制定完善。這讓新一代建筑大師們即使不親臨施工現(xiàn)場，也對建造過程全面掌控。

高迪的圣家堂：古老切石法與機械臂的融合

數(shù)字建造設(shè)計是對生產(chǎn)過程的設(shè)計，相對于傳統(tǒng)設(shè)計手段留下來的圖紙、模型，數(shù)字建造設(shè)計留下來還有整個建造實現(xiàn)過程。

位于巴塞羅那的圣家堂（Sagrada Familia）是高迪最有野心的作品。在高迪去世的時候，這個教堂只完成了20%，它是唯一一個未完成就被評為UNESCO世界文化遺產(chǎn)的建筑。截至今日，它已完成了70%。這個融合了高迪個人風(fēng)格的羅馬哥特式教堂極其復(fù)雜，工程量浩大，它的跨時代意義在于，見證了人類工藝水平從人力建造時代發(fā)展到數(shù)字建造時代。

高迪去世以后，圣家堂的建設(shè)首先由其助理接手，1936年西班牙內(nèi)戰(zhàn)之后，開始由其他建筑師負責(zé)。數(shù)字建造于1989年開始被引入圣家堂工程。在圣家堂當(dāng)下的建設(shè)中，擅長數(shù)字建造的新一任總建筑師Mark Burry試圖去追溯高迪對材料的實踐成果，從古老的切石法研究到七個自由維度的機械臂切割。

圣家堂最讓人驚嘆的是它的石頭工藝。石頭是人類所熟知的最古老的材料之一，然而也是非常消耗人力的工藝。高迪曾親自測試過不少當(dāng)?shù)厥暮瓦M口石材的承重強度，教堂中心最高的四根柱子將達到172.5米的高度，只有極少石材能勝任這幾根柱子的承重使命。

圣家堂所有的柱子都有1：10的寬高比，因而越高的柱子就越粗，一根14米高的柱子就由112塊花崗巖組成。每塊花崗巖需要進行36小時的加工，由此推算，14米的柱子需要168天完成。然而，在這段漫長的加工時間內(nèi)，機械臂所操持的鋸輪只有1/3的時間和巖石接觸，其他時間都用于調(diào)整自己的位置以尋找合適的切入角度。為了提高加工效率，建筑師們決定將古代工匠的切石工藝編入數(shù)字加工流程中，讓機器人按照古人的智慧進行加工。

數(shù)字建造對設(shè)計原稿的還原度之高，無愧于高迪的天才設(shè)計。而隨著加工工藝的不斷改進，建設(shè)效率也會越來越高，圣家堂有望在2026年竣工。沒想到，高迪對石頭加工工藝的研究成果，通過機械臂的實踐傳承了下來。

然而更早的建筑大師們沒有這么幸運。許多寶貴的建設(shè)工藝沒能趕上數(shù)字建設(shè)時代就已經(jīng)失傳。比如佛羅倫薩圣母百花大教堂（于1296-1436年建設(shè)）的穹頂，是有史以來最大的磚造穹頂，在當(dāng)時被視為不可能完成的任務(wù)。而對于現(xiàn)代人來說，即使建筑師流傳下來的手稿解釋了部分原理，其具體的架構(gòu)過程也是個謎。

所幸的是，在數(shù)字建造時代，設(shè)計師們不再受傳統(tǒng)加工水平的限制，設(shè)計獲得了更多的可能性。而接踵而來的各式各樣的建造工藝，都可以被記載入人類建造的大檔案庫。

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號“全球知識雷鋒”ID：gkleifeng2000?！叭蛑R雷鋒”是一個純原創(chuàng)的建筑平臺，由清華大學(xué)建筑學(xué)院周榕老師發(fā)起，全球五大洲57所名校200余知識雷鋒整理提煉，每周提供當(dāng)代建筑最in新知，10分鐘洞悉世界建筑最前沿講座精華。）