“機器人建造”是當今建筑學的熱門話題。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”在全球范圍內以令人難以置信的速度發展著。隨著這幾年機器人裝置的數量幾乎呈指數增長，如今的“機器人建造”已經在創意產業中達到了井噴式發展。

20世紀初的預言：未來的人類將由機器人服務

建筑師對機器人勞動的幻想在上個世紀就已開始呈現，最早可溯源到法國藝術家Villemard在1910年發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，現在的機器人更傾向于多功能、靈活性和適應性。現代數字建造先鋒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應涵蓋工藝和理論，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，傳統的建筑生產模式對建筑師的期待乃是非常精通建造工藝的人，而這個角色在當今的建筑師身上已很難找到蹤跡。

建筑是基于物質材料的實踐學科，其最終實現缺少不了真材實料，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計過程的本質。因而傳統模式的建筑師無法脫離建造的角色。

而在工業革命后，由于時代對批量生產的期待，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計“物化/變現”的過程。這種建筑大師們無法理解的工作模式，在工業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，兩個新生的職業開始盛行：一是只負責設計、但對建造沒有真正了解的建筑師，二是只負責建造、而對設計沒有真正了解的施工承包商。當設計師不具備建造技能時，設計往往容易變成不現實的、昂貴的、超出預算的“漂亮圖片”，對人民生活的真正需要也容易缺乏關注。

無論“流水線”模式如何被人詬病，在大規模建設時代，不可能接受建筑大師模式的生產效率。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。

而數字建造把建筑師重新帶回了建造的角色中。數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行力，建筑師又重新掌握了建造的全局。在數字建造的輔助下，建筑師再次有機會扮演一個建筑大師的角色。然而，現代的建筑大師無論是在構思方式上還是設計流程上，都和傳統的建筑大師大有不同。

新的設計構思法

數字建造于20世紀上半葉就已開始在歐洲出現。數字建造之下的工作流程，簡單地描述就是：人負責設計，計算機將設計抽象化為數字，機器人將數字物化成實體。人的設計轉化成命令，而機器人則根據命令去建造。

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計意圖傳達給負責執行的機器人，實現了建筑師和建造過程的直接溝通。而在這種工作模式下，建筑師的設計實際上也集中于設計生產過程，多于設計圖像或模型。

早期的數字建造采用的是傳統的“自上而下”的做法，目標是使用電腦來實現建筑師的設計。建筑的形態依然是在一開始就設計，而計算機則是用于幫助實現和堅持設計的意圖。

新倡導的數字設計方式則是“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：模具的選材會導致加工環境的變化，而不同的切削工具也會在模具上產生不同的效果…所有這些參數都為數字物質化提供了廣泛的潛能。

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

機器人加工的建設能力界定了設計的可能性，其優勢所在的數字化生產模式啟發了一種基于算法的設計策略。和傳統的側重表達形態的計算機輔助設計不同，運用機器人技術進行設計所得的模型，不僅包含了設計邏輯，還包含數字建造加工的過程。除了體現形態，還可以生成指揮機器人為其執行生產所需的控制數據。

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

設計與建造在建筑大師的時代，本是一個不斷反饋、不斷改進的動態化互動過程：建筑大師們一邊現場指導施工，一邊隨時調整策略。工業革命后，這種互動丟失：設計師完成設計后，建造過程才可以開始。設計師需要在不知道建造過程的情況下完成設計，而建造方也不能參與設計。“流水線”模式的建筑生產使設計與建造互相脫節。而數字建造所擁有的反饋機制，則將設計與建造互動的可能性重新帶到生產過程中。

反饋機制

數字建造對復雜的建筑元件可實現實地加工，相比于承包給加工商可節省不少開支，更免去了運輸的麻煩。然而，數字建造的門檻也很高：設計師需要懂建造，懂編程，還要懂操作復雜的機器。

2010年，兩個奧地利藝術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會。

建筑機器人協會的工作人員說：“考慮到藝術家們的預算情況，我們最終決定，與其將這單制作外包給協會，不如將機械臂的操作知識傳授給他們。在四天之內，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。”

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

這樣的工作流程，實現了設計與建造的互動。設計影響建造，同時建造又返回來影響設計。在兩者的互動中，方案得以不斷推進和調整。

在藝術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測，相關應對策略也可以在設計階段就制定完善。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

數字建造設計是對生產過程的設計，相對于傳統設計手段留下來的圖紙、模型，數字建造設計留下來還有整個建造實現過程。

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世界文化遺產的建筑。截至今日，它已完成了70%。這個融合了高迪個人風格的羅馬哥特式教堂極其復雜，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展到數字建造時代。

高迪去世以后，圣家堂的建設首先由其助理接手，1936年西班牙內戰之后，開始由其他建筑師負責。數字建造于1989年開始被引入圣家堂工程。在圣家堂當下的建設中，擅長數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地石材和進口石材的承重強度，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，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字加工流程中，讓機器人按照古人的智慧進行加工。

數字建造對設計原稿的還原度之高，無愧于高迪的天才設計。而隨著加工工藝的不斷改進，建設效率也會越來越高，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。許多寶貴的建設工藝沒能趕上數字建設時代就已經失傳。比如佛羅倫薩圣母百花大教堂（于1296-1436年建設）的穹頂，是有史以來最大的磚造穹頂，在當時被視為不可能完成的任務。而對于現代人來說，即使建筑師流傳下來的手稿解釋了部分原理，其具體的架構過程也是個謎。

所幸的是，在數字建造時代，設計師們不再受傳統加工水平的限制，設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。

（本文經授權轉載自微信公眾號“全球知識雷鋒”ID：gkleifeng2000。“全球知識雷鋒”是一個純原創的建筑平臺，由清華大學建筑學院周榕老師發起，全球五大洲57所名校200余知識雷鋒整理提煉，每周提供當代建筑最in新知，10分鐘洞悉世界建筑最前沿講座精華。）