同济大学/第4章数字建筑学的建造技术方法/4.1 数字建造/4.1.3 全息技术建造

阐述了虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）等技术在建筑建造中的历史、概念定义，以及如何通过人机协作推动传统建造工艺与机器人技术的革新。

一、全息建造技术的历史与概念体系

历史奠基：
- 1968年，“增强现实之父”（Ivan Sutherland，音频音译为“苏”）开发了人类第一套虚拟现实系统（别名“达摩克利斯之剑”）。该系统通过吊挂在用户头顶天花板上的显示设备，将简单的线框图转化为三维的图像。
- 1992年，美国空军研究室创建了第一个真正可操作的增强现实 “virtual fixture”系统，用于为飞行员提供远程操纵训练。
核心技术定义：
- 虚拟现实（VR）：利用电脑模拟的三维虚拟世界，通过佩戴式和触戴式设备，向用户呈现全封闭和沉浸式的虚拟环境，并加入听觉及触觉等感官体验。
- 增强现实（AR）：将虚拟的物体、场景和系统信息叠加（体验）到真实的物理环境中，使用户能够同时体验虚拟画面与真实环境。
- 混合现实（MR）：将VR与AR等技术混合在一起，合并现实与虚拟世界，产生三维实时互动的可视化环境。

二、增强现实辅助建造：人机协同的新型工艺

在数字建造领域，AR/MR等技术通过对传统手工建造过程的引导，以及对机器人自动化过程的交互叠加，将人类的反馈灵敏性、机器的精确性与材料本身的特殊性/复合性工艺相结合，在全自动化建造与纯手工建造之间，开辟了全新的人机协同关系。

1. 经典实践案例：

伦敦大学学院（UCL）C9项目：探索AR与建造结合，利用可穿戴AR设备辅助木材、砖石等多种材料的加工与建造工作。
- 2019年项目：采用经济耐用的PVC管作为模板材料，通过HoloLens中的数字模型提供全息图引导，辅助工人进行现场管材的弯折和编织。弯曲成型的PVC管与钢筋编制在一起，作为玻璃纤维增强混凝土（GFRC）的模板，形成了一种极其经济高效的复杂混凝土模板建造技术。
2019年塔林建筑双年展“蒸汽克”（Steampunk）项目：由 Fologram（音频音译为 Photogram）团队参与设计建造。
- 该项目结合了传统的木材蒸汽工艺和交互式全息建造技术。全息影像直接显示木构件的对应目标位置，指导工人对标准长度的硬木进行预热，并在木方形形成的模具上不断调整固定和弯曲度，直至木条的物理形状与全息影像完美重合。该技术还指导了41个独特钢支架的弯折和现场组装，将三维空间精度控制在可接受的公差范围之内。
C2018工作营金属弯折结构：建造了世界上第一个使用 HoloLens 辅助建造的大尺度金属弯折结构。利用 HoloLens 中的全息图像传达二维图纸难以表达的三维空间信息，指导工人手工完成钢筋的切割、三维弯折以及现场的安装控制，保证了手工弯折的精准度。
同济大学数字未来“增强现实建构”项目（2021年）：同济大学团队自主开发了一款增强现实辅助离散化建造设计软件，将数据管理平台作为离散设计与增强设计的接口，在2021年的项目中成功指导了复杂空间钢构的弯折与拼接，使复杂的离散化建造过程变得简单而精确。

2. 专业辅助软件工具：

Fologram（音频音译为“Fog”）：一款典型的建筑增强现实辅助工具。它无需用户具备复杂的引擎开发或编程技能，即可将 Rhino/Grasshopper 中的三维参数化模型直接无线传输到 HoloLens 及大多数移动设备上，实现了数字模型和增强现实辅助建造的直接串联。
Fologram（音频音译为“Photogram”）：允许在混合现实中进行协同设计、分享与创造，用户可在移动设备或 HoloLens 上实时编辑几何图层和 Grasshopper 中的不同参数，从而更快地做出设计决策。

三、混合现实辅助机器人建造（人机协作）

全息技术不仅可以辅助手工建造，还为人类与机器人的协同工作提供了全新的交互媒介：

路径规划与状态同步（德国斯图加特大学）：
- 研究人员开发了针对木材预制生产的人机协同建造系统。
- 建筑工人佩戴增强现实眼镜即可在现场直观地规划机器人的运动路径、调整预制生产和装配的顺序。
- 通过机器人操作系统（ROS）进行数据交互，将实际机器人（ROS系统）的模型姿态与 Unity 中的三维模型进行数据联动和实时同步，再通过 HoloLens 将机器人的虚拟模拟运行状态实时叠加呈现在使用者的视野中。
安全防范与可视化：
- 利用AR技术，将机器人的“安全光环（安全控制区）”与真实的物理工作环境相融合，直观标示出机器人工作路径中的危险区与安全区，显著提高了现场操作人员的安全意识和人机交互的安全性。

四、总结

全息技术建造（VR/AR/MR）通过虚实结合的实时交互，打破了传统二维图纸与三维实体建造之间的鸿沟。它既能为手工艺人提供高精度的“全息三维量尺”，又能为工业机器人提供直观的人机协同控制界面，是数字化性能化建构向人机协同方向发展的重要支撑。

一、 全息建造技术的历史与概念体系

二、 增强现实辅助建造：人机协同的新型工艺