工業(yè)4.0不只是傳統(tǒng)制造業(yè)，包括各類型工廠的變革。在建筑業(yè)越來越具備工業(yè)化生產(chǎn)特征的今天，其進化也已經(jīng)成為工業(yè)4．0不可或缺的一部分。

在過去數(shù)十年中，數(shù)字化、機器人和自動化技術(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)成功地實現(xiàn)了自動化設(shè)計，但建筑設(shè)計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)計制造和裝配）來重復(fù)大規(guī)模生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的建筑部件。

英國建筑工程公司Newtecnic將數(shù)字化和自動化技術(shù)融入最新的建筑項目，為我們思考如何推動建筑設(shè)計與制造的協(xié)同進化，提供了一種范例。

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

本地化建材和人員

Newtecnic公司沒有采用設(shè)計——遠(yuǎn)程工廠制造——交付——現(xiàn)場組裝的方式，而是通過建筑實驗室，在施工當(dāng)?shù)亟⑴R時工廠并部署生產(chǎn)設(shè)備，采用當(dāng)?shù)厝藛T和材料，從而實現(xiàn)建筑材料本地化生產(chǎn)。

這些小型、高效的制造單元專門用于生產(chǎn)大規(guī)模定制組件，機器人與建筑實驗室進行互動、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)計的地鐵樞紐項目中，使用機器人和自動化設(shè)備進行現(xiàn)場部件生產(chǎn)和維護。

上圖顯示了到2038年，建筑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(jiān)督建筑圍護結(jié)構(gòu)的施工，在此過程中，公司審查并批準(zhǔn)了幾個承包商的工程，以確保工程項目高效準(zhǔn)確地完成。

公司職責(zé)范圍還確保所有建筑構(gòu)件和制造物在到達現(xiàn)場之前都能得到質(zhì)量保證，公司通過設(shè)計工程為機器人、無人機、3D打印和增材制造等不同類型設(shè)計進行維護。

現(xiàn)場工作站

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個車站和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)以進行結(jié)構(gòu)維護和改善是非常不可取的。

由于建筑物的圍護結(jié)構(gòu)寬而低，完工后，起重機進入非常不方便，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)計壽命至少為60年，因此，項目啟動后，自動清潔、維護和更新建筑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(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)過精心設(shè)計，適用于未來的機器人接入、移動和操作。這意味著機器人引用建筑物的3D數(shù)字孿生模型，結(jié)合GPS，可以計算建筑立面上的路線和位置。

通過使用機器人負(fù)責(zé)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(shù)提供了更好和更安全的近距離訪問，允許施工人員遠(yuǎn)程遙控，從而避開施工現(xiàn)場的危險環(huán)境。

KAFD地鐵樞紐的設(shè)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(zhí)行檢查工作，從而對建筑物內(nèi)部隱藏區(qū)域進行檢測、監(jiān)控和精準(zhǔn)測量。

通過這種方式收集高分辨率的建筑數(shù)據(jù)，并配備3D打印機的現(xiàn)場施工實驗室共享數(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)的項目中，這家公司計劃從建筑初期就部署建筑實驗室。通過這種方式，20世紀(jì)中期工業(yè)時代的大規(guī)模生產(chǎn)方法和設(shè)備正在被新興的自動化、高度靈活、可控和強適應(yīng)性的工具設(shè)備所取代，并在一線施工現(xiàn)場進行有效操作。

經(jīng)濟增長

這種工作方式可以推動建筑項目所在國家或地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，有助于減少進口成本，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)的運輸環(huán)節(jié)和財務(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。這意味著始終可以使用合適的設(shè)備來滿足當(dāng)前的需求。

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

據(jù)歐盟委員會估計，歐洲所有廢物中有25－30％來自建筑。全球其它地方也類似。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)測的性能。

新技術(shù)的附加值還在于通過定制化，實現(xiàn)無浪費生產(chǎn)，如同現(xiàn)代大規(guī)模定制汽車工廠，每個零部件都被考慮在內(nèi)，沒有浪費。

部署模塊化和盒式外觀設(shè)計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，可以快速應(yīng)用。未來幾年，高性能混凝土和鋼構(gòu)件將逐漸發(fā)展成為更堅固、更輕、更耐用的材料。

新型建筑材料也將被開發(fā)出來，并在現(xiàn)場或非現(xiàn)場快速部署3D打印機，利用新型機器人裝配優(yōu)化零部件。通過這些方式，建筑商和運營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。

輕量級建筑的未來

20世紀(jì)20年代，美國建筑師巴克明斯行·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(xiàn)代建筑設(shè)計時，也需要詢問同樣的問題，因為每增加一公斤重量，就需要更多的能源和資源來制造，同時，運輸和組裝、施工后的供熱制冷、清潔維護等環(huán)節(jié)都需要消耗更多的成本。

目前，Newtecnic公司對所有建筑項目進行精確的重量計算，以便準(zhǔn)確核算出真實和相應(yīng)的擴展成本。

在重新利用或回收組件時，計算重量非常重要，這意味著當(dāng)設(shè)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(yōu)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，建筑物與其聯(lián)接的機器和系統(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)計階段開始，就可以在云端進行調(diào)查、檢查和測試。機器人和無人機的概念將涉及制造、構(gòu)造和拆卸說明、方法。

這些先進技術(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題。

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

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

如何部署數(shù)字化和機器人

有效部署數(shù)字化和機器人，涉及到從設(shè)計到建造，再到后期維護等各個環(huán)節(jié)：

使用自動化來彌補設(shè)計和制造之間的脫節(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)場制造部署現(xiàn)場施工實驗室

面向未來的建筑工程的協(xié)作機器人

創(chuàng)建數(shù)字孿生建筑模型作為生活用戶手冊

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

利用無人機檢查建筑物更安全、更準(zhǔn)確，而無需腳手架

使用配備激光雷達的無人機與數(shù)字孿生模型相配合，進行檢查

通過現(xiàn)場制造和交付組件來減少浪費

計算建筑物重量可以更好地了解建筑物造成的環(huán)境影響和真實運營成本