机器人木构工艺*

袁 烽 柴 华

设计结合建造

机器人木构工艺*

袁 烽 柴 华

木材作为一种天然可再生的绿色建材，在未来建筑产业化发展中具有极大潜力。随着胶合木等生产技术的迅速提升，木材已成为一种大尺度、低质强比的高性能材料。随着数字化设计与建造技术的快速发展以及新兴数字木构工艺的创新与提升，现代木结构产业升级已经找到了重要的支撑。数字木构以数字化结构性能找形技术为基础，充分利用机器人精确高效的加工能力，使复杂木构件的大批量定制生产成为可能。江苏省园艺博览会现代木结构主题馆项目将结构找形与机器人建造技术相结合，同时通过结构性能优化以及参数化几何优化技术，实现了从设计、预制到现场监测、快速营造的全新的一体化数字建筑工艺。苏州木结构主题馆是机器人木构产业化的一次成功尝试。

机器人建造；木构工艺；结构性能

0 引 言

木材是最古老的建筑材料之一，“建构”（tectonics）一词源于古希腊文tecton，意为木匠（carpenter）或建造者。建构作为一种对建造过程的诗意表达，从根源上与木构息息相关。20世纪以来的100多年时间里，木材的生产技术、技工技术和建筑设计方法发生了剧烈变化，尤其在最近10年间，数字化设计技术和建造方法为木材打开了一种新的数字建构的可能[1]。近年来，建筑教育与研究领域纷纷将目光投向新兴机器人建造技术与传统木材的结合，建筑联盟学院（AA School of Architecture）、苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）、德国斯图加特大学计算设计研究所（ICD，University of Stuttgart）等机构已经在该领域取得了令人瞩目的研究成果。本文以苏州木结构主题馆为例，旨在探讨一种整合了现代木材、数字设计技术和机器人建造工艺的机器人木构新工艺的可能性。

1 机器人木构工艺

随着全球木材资源的可持续供给和现代木结构技术的发展，木结构建筑在世界范围内日益普及。现代木结构在绿色环保、保温节能、结构抗震等方面表现出卓越的性能。在发达国家，70%的住房为木结构建筑。随着现代木结构对产业化升级的迫切需求，传统机械化加工技术难以实现现代木构建造所需的生产力水平。建立在数字化设计与建造技术基础上的新兴数字木构工艺成为现代木结构产业升级的重要支撑[2]。一个世纪以来，木材材料性能、木材加工工具和设计方法的快速演进为机器人木构工艺的出现提供了强大动力。

1.1 木材材料性能

与大多数人工建材相比，木材作为一种天然可再生的绿色建材，在生态节能方面具有重大优势。就材料本身而言，现代化木材生产技术解决了天然木材的多种缺陷（节疤、非均质、尺度受限、易腐蚀等），使木材成为一种大尺度、高强度、低质强比、均质属性的材料。就施工而言，木材在加工、改造、运输和建造方面具有明显优势，木结构不仅适用于建造低层、多层住宅，同时可以与混凝土和钢结构组成钢木混合结构。近年来，现代胶合木材的发展使木材的材料尺度不断增大，胶合木等工程木产品开始被广泛应用于大跨度建筑中。木构在建筑领域具有广阔的应用前景。

1.2 木材加工工艺

木材加工工艺决定了木结构的独特建构方式。木材加工工具的发展经历了从传统手工工具、机械化工具到数字工具（信息化工具）的演化。在手工工具时代，传统木工通过手工划线，用斧锯刨凿等工具完成整个建造过程，设计、加工和材料通过传统匠人的手和工具成为一个统一的整体。木结构是中国传统建筑的主要形式，中国传统木构技术的精美与技艺的高超曾远远领先于其他文明。进入工业时代以后，机械化的木材加工要求木构件以标准化方式进行生产。生产的标准化也对木材的均质性提出了要求，促成了胶合木材生产技术的出现。标准化的弊端在于其要求建造的便利性，因此传统木工加工的节点方式被螺栓、钉子的连接方式取代，木材成为一种标准化建造材料。与机械时代的标准化相比，数字时代的特征在于定制化和个性化，信息的数字化是数字加工工具优于其他时期工具的重要突破。在手工时代，信息掌握在匠人手中；在机械化时代，虽然工具转为机器，但仍是人在操控机器，信息仍然掌握在技术工人手中。在数字时代，信息能够直接通过设计和代码传输给加工工具（CNC，机器人），非标准化的序列生产和建造能够被经济地完成，这为数字木构的实现提供了支持。

1.3 性能化生形设计

长期以来，材料性能在建筑设计的形式生成中一直是被忽略的一环。手工工具时期，材料的性能经由匠人千百年薪火相传的建造经验转移到建筑形式中。现代木材的结构性能、加工局限和建造方式为木构的性能化设计带来了全新可能。新兴的性能化生形设计方法能够通过算法整合建造材料、结构和形式，在这一过程中，材料属性和性能分析不仅仅是后合理化的工具，亦可以在设计初期驱动建筑设计[3]。同时，数字化设计方式和数字加工工具摆脱了机械化标准生产的局限，数字建造工具能够以定制生产模式经济地完成传统节点的加工，性能模拟工具允许对节点连接的传力机制和性能进行模拟。在这一层面上，性能化设计方法将材料、传统工艺、性能模拟、数字设计、数字建造整合为一体[4]。

2 基于结构性能的机器人木构工艺——现代木结构主题馆的实践

江苏省园艺博览会现代木结构主题馆的设计与建造是对机器人木构工艺的一次尝试。项目以自由网壳结构的找形为基础，基于木材的结构性能，对结构形式进行了多维度的模拟和优化，并通过节点试验对构件的连接方式进行了设计和优化。项目以工厂预制与机器人建造相结合的方式实现了构件的数字化加工。在设计过程中，项目以一种基于参数的几何系统对设计与建造信息进行了整合。

2.1 结构性能找形与优化

在工程领域，网壳结构一直是一种复杂的结构系统[5]。不同于混凝土或钢结构可以采用预制的模版塑形，木材的加工牵涉到复杂的铣削和开孔等减材操作，为木节点的实现带来了一系列困难[6]。在木网壳结构中，宏观的高性能网壳形式和内部节点系统的简化与加工往往是两个相互矛盾的目标。几何优化所追求的统一的应力分布往往会形成一个自由双曲面的壳体形，这种曲面和构件的双曲形式无疑为机械化标准生产带来了极大挑战。同时建筑实践不同于小尺度装置建造，木网壳结构的建筑设计和建造都要求更加成熟。建筑不仅需要均匀的重力分配，同时还需要足够的结构强度来抵御风和地震等活荷载[7]。因此现代木结构主题馆的结构性能设计采用了一种多目标参数的结构设计方法。

图1 结构性能化找形过程Fig.1 structure performance-based form-finding process

依据基地的边界条件，本项目运用结构性能找形工具Rhinovault[8]得到一个由6个不同标高点边界支点和一个内部支点共同支撑的自由曲面壳体结构（图1）。之后，设计以交叉网壳的结构形式对初始曲面进行了结构转译，自由曲面被两个方向轴线组成的斜交网格重新拟合（图2）。网壳结构边缘被一根连续边拱限定。之后项目采用空间结构优化软件，对网格密度、方向和形态进行了优化设计。由于边拱抗倾覆能力较差，网壳结构的网格被分为主次两个方向。主梁方向的构件采用通长连续曲梁，次梁方向的构件采用短直梁连接相邻两榀主梁。这种做法一方面增加了整体稳定性，同时也简化了构件数量和节点复杂度。主梁和次梁均为矩形截面，主梁垂直于地面布置，次梁随屋顶形态法线变化。

图2 以网壳结构重新拟合自由曲面Fig.2 latticed shell structure rematched free-form surface

如果说压力决定了壳体结构的形式，那么其他各种受力环境的综合将决定壳体结构的材料厚度[9]。结构采用层板胶合木为主要材料。层板胶合木（简称胶合木）运用指接和胶接技术，将小截面的木层板胶合制作成大截面的构件。Rhinovault作为一种纯压力结构找形工具，仅考虑压力作用下的静态平衡，而不考虑结构的失稳、屈曲、剪切等受力状况[10]。后续的结构优化过程通过材料性能的非线性结构模拟确定了构件的截面尺寸。主梁最终采用500 mm×250 mm的截面，次梁则采用450 mm×250 mm的截面。

2.2 胶合木结构连接节点研究

空间木结构的相交杆件数量多，节点连接体系是空间结构最重要的组成部分。项目在结构性能找形与优化的基础上，对不同节点的力学性能进行了数字模拟和物理实验，寻找合适的节点系统。木结构相比于钢结构，由于材料不可焊接，节点只能做成铰接或半刚接，对于网壳结构来说，节点刚度又直接影响了整体的稳定性，因此选择合理的体系及一定的节点刚度来满足整体稳定要求是研究的重点。

2.2.1 连接体系设计

由于结构设计采用了单向连续（主梁方向）的网壳结构体系，因此结构连接是一种单向连续单向半刚接的体系。结构连接体系的设计以完全刚接的双向刚接体系为参照，通过单向连续、单向半刚接的结构体系与完全刚接的结构体系的对比，选取合理的结构连接体系和节点刚度。由于是空间结构，分析采用非线性计算，使结构更加真实地反映实际的效应。分析显示，两种体系的杆件轴力比较接近，说明结构体的壳体效应比较明显，杆件以轴力为主（图3）。两种体系的变形在大部分区域比较接近，但是在部分拱脚区域，由于梁架走向与壳体跨度方向存在20°左右的夹角，而这个方向梁本身相对平坦，拱壳效应相对弱，因此双向刚接体系对于整体变形控制比较有利（图4）。因此对于单向连续体系来说，需要选择合理的节点刚度，把变形控制在设计允许的范围之内。要达到规范要求的稳定性，需要500 kNm/rad以上的节点刚度，设计采用节点刚度为850 kNm/rad的单向连续半刚性节点，模拟结果显示，在850 kNm/rad的节点刚度下，结构的稳定系数大于规范要求值（图5）。

2.2.2 节点原型实验与性能研究

在空间木结构中，节点类型主要有三种：螺栓板节点，主要用于球面网壳结构；叠合节点，与脚手架的节点类似，通过螺栓将相交构件串联起来，或通过卡具将构件夹紧；植筋节点配合螺栓球节点，与空间钢结构螺栓球节点类似，不同之处在于将传统的锥头端板与钢杆件相焊接的方式改为通过植筋方式与木构件相连，主要用于桁架结构体系[11]。

在这三种节点类型中，螺栓板节点刚度较低，但是节点重量也较轻；植筋节点能够增加节点深度；螺栓板节点与植筋节点的结合能够大大增加结构刚度，但是这种混合节点的节点重量会大大增加。因此，在稳定性允许的情况下，需要根据结构分析混合排布两种节点。本项目中的主要节点形式为螺栓板节点与植筋节点的混合节点，主梁上的T形钢板通过高强度螺栓固定在主梁上，次梁上的T形钢板用植筋固定，二者之间采用高强度螺栓连接。在节点刚度较低的位置，低刚度的螺栓板能够有效地满足结构稳定性要求，同时减轻了结构重量（图6）。

原型设计完成后，节点进入结构实验室进行1∶1的刚度试验（图7）。在节点部位放置五个位移计，测定节点在5～50 kN压力下的变形量，根据变形量计算出节点刚度。通过对节点数据的对比分析（表1），设计师对节点设计进行了多项改进，包括植筋深度、螺栓板尺寸等。实验结果显示，优化后的节点刚度在1 500 kNm/rad以上，大于设计值850 kNm/rad，确保了结构有一定的安全冗余度。除节点刚度实验外，项目过程中还对其他各个环节进行了实验，比如胶合层板的检测、含水率的控制、涂料耐久性实验等，保证了材料和结构的安全性和稳定性。

图4 单向连续单向半刚接节点（a）与双向刚接节点（b）变形比较Fig.4 transformation comparison of one-way continuous one-way semirigid joint (a) and two-way rigid joint (b)

图5 a点为单向连续单向铰接节点；b点为实际设计采用的单项连续单向部分半刚性节；c点为双向刚接节点Fig.5 a. one-way continuous one-way hinged joint; b. one-way continuous one-way semi-grid joint adopted in real design; c. two-way rigid joint

2.3 基于节点原型的建筑几何系统

建筑几何系统是一种信息整合与传输的系统，节点原型、建筑信息、建造方式以信息的形式在数字设计过程中被整合，并传输到数字建造过程中。在本项目中，从数字生形到数字建模、数字建造的过程利用数字化工具被整合在同一个数字信息流之中。

项目的建筑几何信息系统主要包括3个方面的信息，首先是原始模型，即结构优化后的建筑基础模型，作为节点设计和加工的基础；其次是建筑几何信息模型，用于存储主要构件的相互关系和连接方式，随后的建造方式、加工路径都在这一模型的基础上完成；最后是构件的加工信息，是建筑几何模型与不同构件加工方式的叠加。在建筑几何信息系统中，构件的尺寸信息被转化为参数化关系信息，例如在节点模型中，节点原型通过Grasshopper编程被数字化为主梁、次梁与五金件之间的相对位置关系，主梁螺栓板始终平行于主梁侧边，螺栓垂直于主梁，次梁植筋始终垂直于次梁截面，植入深度为400 mm。程序以主次梁原始构件为参数输入，依据特定的条件自动生成特定位置的节点模型。

建筑几何系统控制3个方面加工信息的输出，包括主梁、次梁和五金件，构件加工信息的输出方式取决于特定构件的加工方式。例如，节点中五金件的加工采用工厂预制的方式，则几何信息以加工图纸的形式输出到工厂。由于构件的特异性和复杂性，为了适应五金件供应商的机械化加工方式，五金件加工图重新定义了三视图的工作平面，分别以组成T形螺栓板的两个面板为工作平面获取正投影，使工人可以方便地获取两块面板的形式和连接角度。正是这种从几何系统到建筑方法的灵活输出方式使大批量特异五金件的加工得以顺利完成（图8）。

2.4 数字建造过程

图6 节点：螺栓板植筋混合节点（a）；螺栓板节点（b）Fig.6 joint: bolt board and plated bar mixed joint (a); bolt board joint (b)

自由曲面的结构形式对构件的加工提出了非常高的要求。以主梁为例，整个项目所需要的胶合木形式、尺寸、孔位都不相同，但节点的加工精度必须控制在±2 mm以内，因此木梁加工采用数字建造的方式辅助进行，以保证所有构件的精度。根据实际的加工局限，木构件的数字建造方式分为两种，大型构件——主梁在工厂中完成整体成形和节点预制；短梁以机器人建造的方式实现。

图7 节点实验Fig.7 the joint experiment

表1 节点实验数据Tab.1 experimental data of joints

图8 建筑几何信息系统Fig.8 building geometrical information system

2.4.1 大型构件的工业化预制

因胶合设备的尺寸局限，大型曲梁采用CNC辅助定位的方式进行胶合和加工。在此过程中，建筑信息（包括开槽和打孔信息）首先通过代码传输给CNC，加工成曲梁胶合模版，用于指导胶合过程和人工加工过程的定位。在工厂以大型钢板为底座，采用可灵活移动的钢架进行定位，通过人工加压实现大型曲梁构件的整体成形。钢架等胶合设施可重复利用，有效节约了成本。胶合完成后，工人直接根据模版的定位信息开槽或打孔，保证了加工精度。虽然大型曲梁只能在工厂里人工完成，但是数字模型中的加工信息通过模版有效传输给了加工工人，实现了数字信息的间接传输（图9）。

2.4.2 机器人定制化加工

大批量的次梁构件是主要的加工难度所在。项目采用六轴机器人来实现数字模型与建造之间的连接。机器人建造过程的设计与加工工具的工作空间、加工范围直接相关。机器人配备了一台18 000 rmp的主轴电机，通过转换工具头（铣刀）能够完成所有次梁开孔的加工。Grasshopper插件kukaprc①顺利将建筑模型转化为加工代码，同时通过过程模拟保证机器人加工过程的顺利。对同一个节点，机器人需要一系列加工路径，首先需要制定木料粗加工的路径，从一根完整木料中铣削出需要的大体形式；其后，一些细节如螺栓孔、开槽等需要额外的加工路径来实现。加工过程和铣刀圆形刀头实际上对节点的设计形式产生了一定的反馈，主要体现为节点转角位置的圆角化。机器人模拟过程一方面保证建造的顺利进行，同时能够直接生成机器代码，输出给机器人进行实际加工。除了建筑几何信息之外，这一过程无需其他几何信息的辅助。机器人大批量定制的加工方式有效保证了大批量构件的顺利完成，不仅提高了加工精度，同时也有效减少了加工时间和成本（图10-12）。

图9 工厂预制Fig.9 prefabrication

图10 机器人加工模拟Fig.10 robot processing simulation

2.5 现场装配

木结构构件、五金件在工厂中预制，五金件植筋等工作也在工厂中预先完成，因此现场施工中只需要将木梁安装到位，这大大缩短了木结构的现场装配时间，使木结构的现场施工只花费了一个月的时间。施工过程是一个数字化的过程，复杂的空间形式要求定位非常精确。安装之初，主次梁和五金件根据网壳轴线进行了精确编码。整个施工过程中设置了200多个测量控制点，全程采用全站仪跟踪测量定位。交界面通过全站仪生成数据，返回软件实时更新模型和构件加工图，以此吸收各施工阶段产生的累积误差。根据壳体的结构特点，施工过程中搭设了满堂脚手架体系和操作平台，同时保证主次梁在3个方向上的微调。智能化、数据化的技术应用确保了项目的顺利完成（图13-14）。

园博会现代木结构主题馆最终完成面积约2 000 m2，最大跨度达40 m。木网壳结构体系包含27根长曲梁、184根短梁和368个钢节点，其中没有两个组件是完全相同的。通过几何系统控制的结构主体的加工和组装仅耗时4个月，保证了园博会展览的顺利进行（图15）。

3 结 论

苏州园博会现代木结构主题馆的顺利完成可以看作是机器人木构工艺在建造能力和效率方面的有力证明。项目将数字设计与机器人建造技术应用到大尺度建筑建造中，使建筑的各项规范要求，如抗震性能、耐火性等，能够在同一个系统中平衡和实现。项目设计过程中，结构模拟和实验不再仅仅是一种分析工具，而且成为了建筑形式和节点系统设计的驱动因素。作为新兴建造工艺的一次尝试，木结构主题馆的数字设计与建造过程应该被看作一个形式与功能、结构与建构的权衡过程，这一研究也反映出当下木材的数字设计与建造工艺在大尺度建筑建造中所面临的挑战。

综上所述，机器人木构工艺系统通过一个基于结构性能的几何系统将多目标结构分析、数字化设计以及机器人建造技术整合为了一个整体。在现代木结构产业不断快速发展的大背景下，机器人木构工艺能够作为一种强大的技术支撑，为现代木结构的发展带来源源不断的创新动力。

图11 机器人加工工具路径Fig.11 robot processing instrument route

图12 机器人建造过程Fig.12 robot constructing process

注释：

① kukaprc是建筑机器人协会开发的参数化机器人控制工具，能够在数字建模环境下实现对工业机器人的直接控制。

图13 现场定位系统Fig.13 site positioning system

图14 现场搭建过程Fig.14 site constructing process

图15 室内建造过程Fig.15 indoor construction process

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图表来源：

图1-2，6-15：作者拍摄绘制

图3-5：苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司提供

表1：苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司提供

Robot Wooden Structure Technology

Philip F. YUAN, CHAI Hua

As a natural renewable green building material, wood has great potential in the future architectural industrialization. Along with the enhancement of laminated wood and other production techniques, wood has become a large-scale high performance material. Modern wooden structure industry has found great support owing to the development of digital design and construction technology and the innovation of newly-developed wooden structure technology. Based on digitalized structural performance form-finding techniques, digital wooden structure utilizes the precise and effi cient processing technology of robots to make the mass production of customized complex wooden components possible. The modern wooden structure theme pavilion of Jiangsu Horticultural Exposition combines form-fi nding technique with robot building technique to realize the new integrated digital technology from design, prefabrication to field monitoring and quick construction, through structural performance optimization and parameterized geometry optimization technology. Suzhou wooden structure theme pavilion is a successful attempt in robot wooden structure industrialization.

Robotic Fabrication; Wood Tectonics; Structural Performance

TU237

B

2095-6304（2016）06-0001-07

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160601

2016-10-15

（编辑：郑曦）

* “绿色施工与智慧建造关键技术”国家重点研发计划资助项目（2016YFC0702100）；“国家自然科学基金”资助项目（51578378）；“中德科学基金（国家自然科学基金委NSFC和德国科学基金会DFG）”合作资助项目（GZ1162）；“上海市数字建造工程研究中心”重点研发基金资助项目；“上海市科学技术委员会科研计划”资助项目（16dz1206502）

袁 烽： 同济大学建筑与城市规划学院，教授，博士生导师，philipyuan007@tongji.edu.cn

柴 华： 同济大学建筑与城市规划学院，硕士研究生

袁烽, 柴华. 机器人木构工艺[J]. 西部人居环境学刊, 2016, 31(06): 1-7.