同济大学/第4章数字建筑学的建造技术方法/4.2 建筑机器人/4.2.2 建筑机器人工艺

聚焦于建筑机器人在不同材料系统中的工艺应用，详细介绍了木工艺、砖砌工艺、混凝土工艺、塑料工艺、金属工艺和纤维工艺等六大核心建造工艺的数字化探索与前沿实践。

机器人建造研究已逐渐从理论和工具性探索转向实实践与应用，重点在于通过机器人技术发掘传统非工业化材料的在场潜力，并与创新材料深度融合以展示不同的结构性能。

木材作为天然可再生的绿色建材，在工业化建造中具有极高潜力，机器人主要在非标准木构件加工、复杂节点定制和辅助搭建方面发挥作用：

机器人锯切工艺：将传统锯切与机器人的运动控制结合。通过直纹曲面拟合实现线切割，是极具潜力的加工方式。例如同济大学在2019年深港建筑双年展中展出的“油目”项目，利用机器人带锯进行线性加工，在单板木技术上实现了双曲交和木结构。
机器人木构铣削工艺：以主轴电机作为工具端，配以木工铣刀，完成二维轮廓切铣以及三维成型节点加工，可达到与传统数控机床（CNC）相仿的加工精度。
机器人辅助搭建工艺：利用机器人的精确控制与定位能力，无需依赖精确的测量技术或特意性的集合形态，通过非重复性的族群搭建和组装，将标准化的建筑构件拼接成非常复杂的整体木结构系统。

数字设计与机器人技术能够大幅改善传统砌筑过程，实现智能赋能的机器砖砌体结构：

预制化柔性立面：瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）的 Gramazio 与 Kohler 教授自2005年起开展此项研究。例如在甘层拜音酒场（Gantenbein Winery）的砖墙立面中，机器人砌筑了超过2万块标准砖，形成了具有参数化效果的柔性立面。
生产流水线上的批量定制：2013年哈佛大学设计学院（GSD）将机器人线切割工具整合到传统的土砖生产流水线上，在不颠覆现有流水线的前提下，批量定制出形态各异的直纹曲面非标准砖，实现了极高装饰效果与成本收益。
无模具三维打印砌块：“Building Bytes”项目通过三维打印技术直接生产砖块，摆脱了砖块生产对模具的依赖，能够批量制造用于复杂建筑形式的异形气块。

混凝土机器人工艺主要分为3D打印和模板模具成型两大类：

混凝土3D打印：
- ETH团队采用横架机器人，在2.5小时内打印了2.7米高的三维混凝土结构，大幅提升了复杂混凝土的建造效率。
- 同济大学与皇家墨尔本理工大学（RMIT）联合开展的力学硬项（力学响应）项目（在上海意创科技的支持下），通过不均匀和不平行的沉积方式进行混凝土的3D打印，并结合预应力钢筋的拉接拼装来构筑整体空间结构。
模板与模具成型工艺：
- “M-Provin”（mars prevalent）项目：探索机器人控制的柔性织物模板作为经济有效的混凝土浇筑模具。该结构由三叉分支单元组成，没有任何两个构件完全相同，但通过机器人操纵的可调节织物模具实现了所有构件的形态变化。
- Optical Formw Robotics：利用热线切割技术对发泡聚苯乙烯（EPS）进行切割成型，用于生产异形混凝土浇筑模板。
智能动态浇注（Smart Dynamic Casting / art dynamic casting）：ETH研究团队将滑模建造工艺与机器人技术结合，引入液压千金顶和六轴机器人，通过机器人控制的滑模移动轨迹来实现混凝土的动态成型。

塑料具备成本低、延展性强的特征。主要工艺分支包括：

层级/沉积打印工艺：原理接近普通3D打印机，由机器人带融熔高分子塑料挤出头按路勾勒打印路径。该技术通常用于大尺寸构件。同济大学于2017年展出的全球首座改性塑料（modified plastic）3D打印景观桥即采用此工艺。
空间打印工艺：不依赖传统的截面切片，而是通过三维空间网格系统，在材料凝固时间与打印时间之间寻找平衡进行自支撑，可实现更强的结构灵活性与打印效率。
- 英国伦敦大学学院（UCL）的计算设计实验室（DCL，音频音译为“cell”）于2017年运用空间打印技术，以三维空间像素化（voxel，WSO）的方式打印出了一把极其复杂的空间曲线椅子。
- 同济大学团队与意创科技合作的“云庭”项目，利用基于结构性能化分析的拓扑优化算法将应力分布转化为密度网格，首次运用改性塑料空间打印实现了整体3D结构物理 pavilion（空间展亭）。

金属弯折与协同变形：利用机器人的塑性变形能力实现构件加工。2015年上海数字未来活动中，RMIT的 Roland Snook 教授采用多机器人协同，完成了金属杆件的空间弯折并拼合成大型艺术装置。此外，Robofold 利用双机器人协同技术，探索了以金属板材曲线弯折为基础的建筑表皮创新工艺，该研究曾于2012年威尼斯双年展展出。
金属三维打印（快速成型）：最大的优势在于机器人空间运动能力带来大尺度、高复杂度金属结构的建造。同济大学团队在2018年上海数字未来活动中，利用机器人金属焊接方式实现了跨度为11米的桥梁（音频音译为“不清桥”）。
金属渐进成型工艺（压点成型）：在复杂金属薄板表皮局部加工中极具优势。丹麦皇家艺术学院（CITA，音频音译为“set”）利用该工艺建造了一座由51个各不相同面板组成的非对称桥。该项目将基于机器学习的板材回弹在线预测与基于传感器的在校适应计算技术融入加工，极大提升了金属渐进成型的加工精度。

碳纤维、玻璃纤维、纤维水泥等复合增强材料极具革命性，但目前缺乏足够的建造工艺：

机器人碳纤维编织工艺：将纤维材料按预设顺序缠绕在特定模板上。2012年斯图加特大学 ICD 与 ITKE 合作的展亭，首次采用碳纤维编织方法完成了大尺度结构建筑。此后，研究团队陆续针对模块化编织、双机器人协同编织、现场自适应编织等展开了深入应用。
集群建造（Swarm Construction）编织生态：斯图加特大学将集群建造理念引入编织项目中，开发了移动机器人建造生态系统（Mobile Robotic Fabrication Ecosystem）。该系统由集成控制软件、运动系统和不同工具的小型机器人族群组成。小型机器人之间可通过纤维传递编织，展现了集群机器人在复杂现场自适应协同执行任务的巨大潜力。