机器人建造助高迪的圣家堂加速建设

“机器人建造”是当今建筑学的热门话题。自2012年在维也纳举办的第一次Rob|Arch会议以来，仅仅五年的时间，“机器人建造”在全球范围内以令人难以置信的速度发展着。随着这几年机器人装置的数量几乎呈指数增长，如今的“机器人建造”已经在创意产业中达到了井喷式发展。

20世纪初的预言：未来的人类将由机器人服务

建筑师对机器人劳动的幻想在上个世纪就已开始呈现，最早可溯源到法国艺术家Villemard在1910年发行的明信片中表达的乌托邦式愿景。后来英国建筑师Ron Herron在1964年提出“行走城市”的概念。20世纪80、90年代，日本建筑行业开始使用高度定制的机器人进行高层建筑。

机器人在建造中的使用，最早可追溯到1980年代。相对于Villemard明信片中显示的高度分化、各司其职的机器人，以及日本使用的单功能高度定制机器人，现在的机器人更倾向于多功能、灵活性和适应性。现代数字建造先锋F. Gramazio和M.Kohler对机械臂的实践研究进一步证明了，机械臂不仅仅可以类比人类手臂，还可以执行超出人力范围的建造过程。而飞行机器人更是突破了人类不能飞的局限，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，建筑大师（Master Builder）是人们对建筑师的称呼。罗马建筑师维特鲁威在《建筑十书》里提到，建筑大师的工作范畴应涵盖工艺和理论，他认为完全依靠理论而忽视建造工艺的建筑师，所追求的是幻影而不是实际。由此可见，传统的建筑生产模式对建筑师的期待乃是非常精通建造工艺的人，而这个角色在当今的建筑师身上已很难找到踪迹。

建筑是基于物质材料的实践学科，其最终实现缺少不了真材实料，也不能抛开将材料加工组合的技巧。这决定了选材和制造是设计过程的本质。因而传统模式的建筑师无法脱离建造的角色。

而在工业革命后，由于时代对批量生产的期待，更有效率的流水线工作模式需要对分工进行细化和专门化，从而设计师与建造师的角色也渐渐被分离，建筑师逐渐脱离了把设计“物化/变现”的过程。这种建筑大师们无法理解的工作模式，在工业革命的时代大背景下却是大受追捧。Joan Soane爵士就是力捧建筑师角色纯粹化的第一人。

事实上，建筑大师角色的瓦解一度给社会带来强烈的不适。建筑大师消失后，两个新生的职业开始盛行：一是只负责设计、但对建造没有真正了解的建筑师，二是只负责建造、而对设计没有真正了解的施工承包商。当设计师不具备建造技能时，设计往往容易变成不现实的、昂贵的、超出预算的“漂亮图片”，对人民生活的真正需要也容易缺乏关注。

无论“流水线”模式如何被人诟病，在大规模建设时代，不可能接受建筑大师模式的生产效率。这就意味着，人类必须在建筑大师和效率之间找到一条出路。

而数字建造把建筑师重新带回了建造的角色中。数字化加工要求建筑师详知整个作品是如何建成的，甚至在设计的最初阶段就开始考虑建造。通过机器人对建筑师命令精确的传达执行力，建筑师又重新掌握了建造的全局。在数字建造的辅助下，建筑师再次有机会扮演一个建筑大师的角色。然而，现代的建筑大师无论是在构思方式上还是设计流程上，都和传统的建筑大师大有不同。

新的设计构思法

数字建造于20世纪上半叶就已开始在欧洲出现。数字建造之下的工作流程，简单地描述就是：人负责设计，计算机将设计抽象化为数字，机器人将数字物化成实体。人的设计转化成命令，而机器人则根据命令去建造。

这个流程的枢纽在于“命令”，命令是一个桥梁，可以精准地将人类的设计意图传达给负责执行的机器人，实现了建筑师和建造过程的直接沟通。而在这种工作模式下，建筑师的设计实际上也集中于设计生产过程，多于设计图像或模型。

早期的数字建造采用的是传统的“自上而下”的做法，目标是使用电脑来实现建筑师的设计。建筑的形态依然是在一开始就设计，而计算机则是用于帮助实现和坚持设计的意图。

新倡导的数字设计方式则是“自下而上”：建造过程所涉及的每个成分（表面，材料，机器和模具等）都提供了一系列约束和潜能，例如：模具的选材会导致加工环境的变化，而不同的切削工具也会在模具上产生不同的效果…所有这些参数都为数字物质化提供了广泛的潜能。

这种设计方式使得建造成为设计的源头。它不仅仅意味着设计的最初应当充分考虑到建造的局限，更意味着建造过程有很多未被发掘的潜能将被发现。而这些潜能，在“自上而下”的设计中是很难想象得到，并加以利用的。

机器人加工的建设能力界定了设计的可能性，其优势所在的数字化生产模式启发了一种基于算法的设计策略。和传统的侧重表达形态的计算机辅助设计不同，运用机器人技术进行设计所得的模型，不仅包含了设计逻辑，还包含数字建造加工的过程。除了体现形态，还可以生成指挥机器人为其执行生产所需的控制数据。

“自下而上”的设计方法，要求建筑师对建造工艺非常了解。如果设计师在设计过程中能够即时知晓建造的情况，对改进设计将会非常有利。

设计与建造在建筑大师的时代，本是一个不断反馈、不断改进的动态化互动过程：建筑大师们一边现场指导施工，一边随时调整策略。工业革命后，这种互动丢失：设计师完成设计后，建造过程才可以开始。设计师需要在不知道建造过程的情况下完成设计，而建造方也不能参与设计。“流水线”模式的建筑生产使设计与建造互相脱节。而数字建造所拥有的反馈机制，则将设计与建造互动的可能性重新带到生产过程中。

反馈机制

数字建造对复杂的建筑元件可实现实地加工，相比于承包给加工商可节省不少开支，更免去了运输的麻烦。然而，数字建造的门槛也很高：设计师需要懂建造，懂编程，还要懂操作复杂的机器。

2010年，两个奥地利艺术家为了制造出红牛拱的铝拱，他们购买了一台KUKA|prc机械臂，然而却不会使用。他们找到了建筑机器人协会。

建筑机器人协会的工作人员说：“考虑到艺术家们的预算情况，我们最终决定，与其将这单制作外包给协会，不如将机械臂的操作知识传授给他们。在四天之内，我们的工作人员教会他们机械臂的基本操作、Rhino和Grasshopper。尽管他们之前连CAD都不会，却很快对这些软件上手了。四天之后，他们已经可以用机械臂进行泡沫切割。他们甚至自己尝试去改进加工。”

这个拱总共包含了84块零件，每件零件的形状都不一样。在学会相关操作技能之后，两位艺术家可以轻松对形态设计进行调整。无论他们更改了拱的高度、宽度或是别的什么参数，都能实时地看到这改变对建造过程产生的影响，而后评估自己的设计是否可行，再返回去继续调整设计。

这样的工作流程，实现了设计与建造的互动。设计影响建造，同时建造又返回来影响设计。在两者的互动中，方案得以不断推进和调整。

在艺术家完成泡沫模块切割后，所有的铝元件在德国铸造完成，2012年夏天，红牛拱在奥地利史皮尔堡完成了它的最后集装。可以看出，有了实时反馈机制，实际建造过程变得可预测，相关应对策略也可以在设计阶段就制定完善。这让新一代建筑大师们即使不亲临施工现场，也对建造过程全面掌控。

高迪的圣家堂：古老切石法与机械臂的融合

数字建造设计是对生产过程的设计，相对于传统设计手段留下来的图纸、模型，数字建造设计留下来还有整个建造实现过程。

位于巴塞罗那的圣家堂（Sagrada Familia）是高迪最有野心的作品。在高迪去世的时候，这个教堂只完成了20%，它是唯一一个未完成就被评为UNESCO世界文化遗产的建筑。截至今日，它已完成了70%。这个融合了高迪个人风格的罗马哥特式教堂极其复杂，工程量浩大，它的跨时代意义在于，见证了人类工艺水平从人力建造时代发展到数字建造时代。

高迪去世以后，圣家堂的建设首先由其助理接手，1936年西班牙内战之后，开始由其他建筑师负责。数字建造于1989年开始被引入圣家堂工程。在圣家堂当下的建设中，擅长数字建造的新一任总建筑师Mark Burry试图去追溯高迪对材料的实践成果，从古老的切石法研究到七个自由维度的机械臂切割。

圣家堂最让人惊叹的是它的石头工艺。石头是人类所熟知的最古老的材料之一，然而也是非常消耗人力的工艺。高迪曾亲自测试过不少当地石材和进口石材的承重强度，教堂中心最高的四根柱子将达到172.5米的高度，只有极少石材能胜任这几根柱子的承重使命。

圣家堂所有的柱子都有1：10的宽高比，因而越高的柱子就越粗，一根14米高的柱子就由112块花岗岩组成。每块花岗岩需要进行36小时的加工，由此推算，14米的柱子需要168天完成。然而，在这段漫长的加工时间内，机械臂所操持的锯轮只有1/3的时间和岩石接触，其他时间都用于调整自己的位置以寻找合适的切入角度。为了提高加工效率，建筑师们决定将古代工匠的切石工艺编入数字加工流程中，让机器人按照古人的智慧进行加工。

数字建造对设计原稿的还原度之高，无愧于高迪的天才设计。而随着加工工艺的不断改进，建设效率也会越来越高，圣家堂有望在2026年竣工。没想到，高迪对石头加工工艺的研究成果，通过机械臂的实践传承了下来。

然而更早的建筑大师们没有这么幸运。许多宝贵的建设工艺没能赶上数字建设时代就已经失传。比如佛罗伦萨圣母百花大教堂（于1296-1436年建设）的穹顶，是有史以来最大的砖造穹顶，在当时被视为不可能完成的任务。而对于现代人来说，即使建筑师流传下来的手稿解释了部分原理，其具体的架构过程也是个谜。

所幸的是，在数字建造时代，设计师们不再受传统加工水平的限制，设计获得了更多的可能性。而接踵而来的各式各样的建造工艺，都可以被记载入人类建造的大档案库。

（本文经授权转载自微信公众号“全球知识雷锋”ID：gkleifeng2000。“全球知识雷锋”是一个纯原创的建筑平台，由清华大学建筑学院周榕老师发起，全球五大洲57所名校200余知识雷锋整理提炼，每周提供当代建筑最in新知，10分钟洞悉世界建筑最前沿讲座精华。）