“機(jī)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(huì)議以來，僅僅五年的時(shí)間，“機(jī)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(jī)器人裝置的數(shù)量幾乎呈指數(shù)增長(zhǎng)，如今的“機(jī)器人建造”已經(jīng)在創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)中達(dá)到了井噴式發(fā)展。

20世紀(jì)初的預(yù)言：未來的人類將由機(jī)器人服務(wù)

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

機(jī)器人在建造中的使用，最早可追溯到1980年代。相對(duì)于Villemard明信片中顯示的高度分化、各司其職的機(jī)器人，以及日本使用的單功能高度定制機(jī)器人，現(xiàn)在的機(jī)器人更傾向于多功能、靈活性和適應(yīng)性。現(xiàn)代數(shù)字建造先鋒F. Gramazio和M.Kohler對(duì)機(jī)械臂的實(shí)踐研究進(jìn)一步證明了，機(jī)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(jī)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(duì)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(rèn)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(shí)際。由此可見，傳統(tǒng)的建筑生產(chǎn)模式對(duì)建筑師的期待乃是非常精通建造工藝的人，而這個(gè)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(shí)踐學(xué)科，其最終實(shí)現(xiàn)缺少不了真材實(shí)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(jì)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(shí)代對(duì)批量生產(chǎn)的期待，更有效率的流水線工作模式需要對(duì)分工進(jìn)行細(xì)化和專門化，從而設(shè)計(jì)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(jì)“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(shí)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(shí)上，建筑大師角色的瓦解一度給社會(huì)帶來強(qiáng)烈的不適。建筑大師消失后，兩個(gè)新生的職業(yè)開始盛行：一是只負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、但對(duì)建造沒有真正了解的建筑師，二是只負(fù)責(zé)建造、而對(duì)設(shè)計(jì)沒有真正了解的施工承包商。當(dāng)設(shè)計(jì)師不具備建造技能時(shí)，設(shè)計(jì)往往容易變成不現(xiàn)實(shí)的、昂貴的、超出預(yù)算的“漂亮圖片”，對(duì)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(shí)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(gè)作品是如何建成的，甚至在設(shè)計(jì)的最初階段就開始考慮建造。通過機(jī)器人對(duì)建筑師命令精確的傳達(dá)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(jī)會(huì)扮演一個(gè)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(jì)流程上，都和傳統(tǒng)的建筑大師大有不同。

新的設(shè)計(jì)構(gòu)思法

數(shù)字建造于20世紀(jì)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(jiǎn)單地描述就是：人負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)將設(shè)計(jì)抽象化為數(shù)字，機(jī)器人將數(shù)字物化成實(shí)體。人的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成命令，而機(jī)器人則根據(jù)命令去建造。

這個(gè)流程的樞紐在于“命令”，命令是一個(gè)橋梁，可以精準(zhǔn)地將人類的設(shè)計(jì)意圖傳達(dá)給負(fù)責(zé)執(zhí)行的機(jī)器人，實(shí)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(jì)實(shí)際上也集中于設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程，多于設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)建筑師的設(shè)計(jì)。建筑的形態(tài)依然是在一開始就設(shè)計(jì)，而計(jì)算機(jī)則是用于幫助實(shí)現(xiàn)和堅(jiān)持設(shè)計(jì)的意圖。

新倡導(dǎo)的數(shù)字設(shè)計(jì)方式則是“自下而上”：建造過程所涉及的每個(gè)成分（表面，材料，機(jī)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(huì)導(dǎo)致加工環(huán)境的變化，而不同的切削工具也會(huì)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(jì)方式使得建造成為設(shè)計(jì)的源頭。它不僅僅意味著設(shè)計(jì)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(jì)中是很難想象得到，并加以利用的。

機(jī)器人加工的建設(shè)能力界定了設(shè)計(jì)的可能性，其優(yōu)勢(shì)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(jì)策略。和傳統(tǒng)的側(cè)重表達(dá)形態(tài)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不同，運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)所得的模型，不僅包含了設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)方法，要求建筑師對(duì)建造工藝非常了解。如果設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中能夠即時(shí)知曉建造的情況，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)將會(huì)非常有利。

設(shè)計(jì)與建造在建筑大師的時(shí)代，本是一個(gè)不斷反饋、不斷改進(jìn)的動(dòng)態(tài)化互動(dòng)過程：建筑大師們一邊現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工，一邊隨時(shí)調(diào)整策略。工業(yè)革命后，這種互動(dòng)丟失：設(shè)計(jì)師完成設(shè)計(jì)后，建造過程才可以開始。設(shè)計(jì)師需要在不知道建造過程的情況下完成設(shè)計(jì)，而建造方也不能參與設(shè)計(jì)。“流水線”模式的建筑生產(chǎn)使設(shè)計(jì)與建造互相脫節(jié)。而數(shù)字建造所擁有的反饋機(jī)制，則將設(shè)計(jì)與建造互動(dòng)的可能性重新帶到生產(chǎn)過程中。

反饋機(jī)制

數(shù)字建造對(duì)復(fù)雜的建筑元件可實(shí)現(xiàn)實(shí)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(yùn)輸?shù)穆闊Ｈ欢瑪?shù)字建造的門檻也很高：設(shè)計(jì)師需要懂建造，懂編程，還要懂操作復(fù)雜的機(jī)器。

2010年，兩個(gè)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(tái)KUKA|prc機(jī)械臂，然而卻不會(huì)使用。他們找到了建筑機(jī)器人協(xié)會(huì)。

建筑機(jī)器人協(xié)會(huì)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(huì)，不如將機(jī)械臂的操作知識(shí)傳授給他們。在四天之內(nèi)，我們的工作人員教會(huì)他們機(jī)械臂的基本操作、Rhino和Grasshopper。盡管他們之前連CAD都不會(huì)，卻很快對(duì)這些軟件上手了。四天之后，他們已經(jīng)可以用機(jī)械臂進(jìn)行泡沫切割。他們甚至自己嘗試去改進(jìn)加工。”

這個(gè)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(huì)相關(guān)操作技能之后，兩位藝術(shù)家可以輕松對(duì)形態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)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(shí)時(shí)地看到這改變對(duì)建造過程產(chǎn)生的影響，而后評(píng)估自己的設(shè)計(jì)是否可行，再返回去繼續(xù)調(diào)整設(shè)計(jì)。

這樣的工作流程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與建造的互動(dòng)。設(shè)計(jì)影響建造，同時(shí)建造又返回來影響設(shè)計(jì)。在兩者的互動(dòng)中，方案得以不斷推進(jìn)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(guó)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(shí)時(shí)反饋機(jī)制，實(shí)際建造過程變得可預(yù)測(cè)，相關(guān)應(yīng)對(duì)策略也可以在設(shè)計(jì)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(chǎng)，也對(duì)建造過程全面掌控。

高迪的圣家堂：古老切石法與機(jī)械臂的融合

數(shù)字建造設(shè)計(jì)是對(duì)生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段留下來的圖紙、模型，數(shù)字建造設(shè)計(jì)留下來還有整個(gè)建造實(shí)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(shí)候，這個(gè)教堂只完成了20%，它是唯一一個(gè)未完成就被評(píng)為UNESCO世界文化遺產(chǎn)的建筑。截至今日，它已完成了70%。這個(gè)融合了高迪個(gè)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(shí)代意義在于，見證了人類工藝水平從人力建造時(shí)代發(fā)展到數(shù)字建造時(shí)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(fù)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(zhǎng)數(shù)字建造的新一任總建筑師Mark Burry試圖去追溯高迪對(duì)材料的實(shí)踐成果，從古老的切石法研究到七個(gè)自由維度的機(jī)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(cè)試過不少當(dāng)?shù)厥暮瓦M(jìn)口石材的承重強(qiáng)度，教堂中心最高的四根柱子將達(dá)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(jìn)行36小時(shí)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(zhǎng)的加工時(shí)間內(nèi)，機(jī)械臂所操持的鋸輪只有1/3的時(shí)間和巖石接觸，其他時(shí)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(jī)器人按照古人的智慧進(jìn)行加工。

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

然而更早的建筑大師們沒有這么幸運(yùn)。許多寶貴的建設(shè)工藝沒能趕上數(shù)字建設(shè)時(shí)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(shí)被視為不可能完成的任務(wù)。而對(duì)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(gè)謎。

所幸的是，在數(shù)字建造時(shí)代，設(shè)計(jì)師們不再受傳統(tǒng)加工水平的限制，設(shè)計(jì)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(hào)“全球知識(shí)雷鋒”ID：gkleifeng2000。“全球知識(shí)雷鋒”是一個(gè)純?cè)瓌?chuàng)的建筑平臺(tái)，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(shí)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。）