20世纪90年代末, 大批量定制化生产模式的出现满足了被工业化标准生产所忽视的个性化需求, 同时人们试图利用数字建造技术使批量定制生产能够像标准化预制一样经济^[1]。但是受限于建筑工业化水平的不足, 大批量定制经过三十年之后在建筑领域始终未能得到充分发展。随着近年来我国对装配式建筑的大力推广, 现代木结构建筑以其可预制装配的特征受到普遍关注^[2]。定制化生产始终是现代木结构建筑建造的主要模式, 但是受到生产技术和劳动力成本等因素的限制, 现代木结构建筑的应用和推广表现出一定程度的局限性。随着建筑机器人等新兴建造技术对木结构建筑产业的更新升级, 木结构建筑的个性化定制生产有望突破经济和效率的局限, 成为当前木结构建筑建造的有效模式。

　　 我国木结构建筑的发展还处于快速发展的初级阶段, 在未来具有广阔的应用前景:一方面, 木结构建筑本身具有绿色生态的优良特性, 随着我国生态文明建设落实, 木结构建筑将在绿色建筑产业中占据突出的地位^[3];另一方面, 随着我国对建筑工业化要求的不断提高, 预制装配式木结构建筑、多高层木结构建筑在各地受到广泛关注。更重要的是, 木结构建筑应用集中在追求个性化的建筑类型中, 包括乡镇民居建筑、旅游地产类建筑、多功能场馆等综合建筑、教学楼等文体建筑以及大跨度空间建筑等。上述建筑往往没有大批量定制建造的需求, 但正是这些小批量定制建造项目, 在当前以及未来很长一段时间内都将是木结构建筑的主要发展方向。由于木结构建筑在体现地域文化、与地域环境融合等方面具有显著优势, 面向美丽乡村、特色小镇建设的乡镇民居、旅游地产等建筑类型将成为小批量定制化建造的木结构建筑的主要市场。

　　 进口原材料的价格是影响木结构建筑经济性的重要原因, 但与此同时, 随着劳动力成本的不断增长, 劳动密集型的木结构建筑的生产建造方式也成为木结构建筑价格居高不下的主要原因之一。当前, 木结构建筑建造一般采用主要构件工厂标准化生产、现场快速拼装的集成生产模式。木结构建筑的工业化生产采用成套、专用的现代化加工设备, 以效率为导向, 能够快速生产标准化木结构建筑及产品^[4]。但对于非常规的定制化建造项目, 工业化生产的经济性和效率都会受到极大挑战。虽然数字化、信息化的工具在工业化流水线上已经相当普遍, 但是由于技术人员或者机器本身的局限性, 其加工过程仍然属于劳动密集型。

　　 小批量定制化建造模式充分利用数字化设计工具与建筑机器人木结构建造技术, 其主要特征包括结构体系设计与建筑机器人建造两方面。经历了工业化标准生产的洗礼, 框架、桁架结构系统成为当下木结构建筑的主导结构形式。现代框架、桁架结构系统具有很高的工业化程度。但是不可否认的是, 对生产效率的片面追求掩盖了木材作为结构材料的巨大潜力^[5]。数字化结构性能设计方法开启了丰富多样的结构设计方式和结构类型, 使现代木结构建筑不再局限于梁架、框架结构体系^[6]。采用数字化结构找形、尺寸优化、节点优化技术, 木结构建筑的结构设计可以呈现出参数化和非标准化的特征, 成为个性化定制建筑特征的必要基础。数字建造技术尤其是建筑机器人技术的发展为木构构件的定制化生产提供了技术支持。在个性化定制中, 个性化需求与数字化设计的结合带来了异质性、多样性等几何属性^[7], 成为连接数字设计与数字建造的重要环节。建筑机器人无限执行非重复性任务的能力使非标准构件的定制化生产成为可能。建筑机器人木构工艺采用建筑机器人进行木结构建筑生产, 不仅能够拓展量划、制材、穿剔等传统木工加工工艺, 同时建筑机器人自身突出的精确定位和安装能力也为木结构建造开启了新的工艺范畴。

　　 与标准化预制模式相比, 小批量定制式的建筑生产模式的优势主要体现在其个性化与高效率。建筑机器人木结构产业化有望摆脱批量化生产所需的规模经济模式, 实现早期实践者对批量化定制生产的经济性预言———建造一栋定制化建筑并不比建造一栋标准化建筑更昂贵, 从而为木结构建筑的定制化产业发展提供技术保证。

　　 建筑机器人建造技术与小批量定制化生产的结合开启了木结构建筑实践的新模式:一方面, 小批量定制化建造的灵活性与数字建造的高效率使其能够应对空间木结构等复杂的结构体系;另一方面, 从长远看, 小批量定制模式具有更高的经济性, 使得个性化与定制化的木结构建筑不再是大城市的特权, 可以广泛应用于大范围的乡镇建设中。

　　 笔者在四川崇州道明镇完成的乡村建设项目———竹里^[8] (图1) 是将小批量定制化生产模式应用于乡村民居营造中的典型案例。建筑的形态设计试图通过数字化的设计手段, 有机融入乡村的场地、周围村落以及自然生态资源, 建造过程采用工业化预制与现场装配相结合的方式, 探索整合现代建造技术与乡村营造的模式。

　　 (1) 数字化建筑设计

　　 自设计伊始, 建筑试图最大限度地保留一草一木, 并在自然的空间缝隙中建立一个当代建筑与自然乡村的对话。建筑场地由两块相互邻接方形宅基地组成, 为了最大限度地保留场地周边的竹林和大树, 设计采用两个相接的圆形几何形式将两块宅基地进行连接。通过对圆形几何的拓扑变换, 实现“无限 (∞) 形”的屋顶形态设计。

　　 (2) 参数化木结构体系设计

　　 几何原型的拓扑变换是一种形态操作, 本身并不具有参数化设计逻辑。设计通过寻找几何形式、结构体系与材料之间的逻辑关联建立了将几何形态转化为建造体系的参数化系统。参数化木结构系统以几何原型、材料性能、构件尺度等要素作为必要的输入参数, 利用结构性能分析与优化方法, 生成合理的结构建造系统, 并通过参数化建模得以实现。本项目中, 参数化木结构体系由结构柱、结构梁、斜撑、圈梁、檩条、椽条等构件组成 (图2) 。在参数化模型中, 可以精准调整所有构件的生产物料尺寸以及加工节点的要求, 从而实现对建造体系的定制化调整。

　　 (3) 建筑结构体系设计与优化

　　 在参数化木构体系的基础上, 对竹里项目的结构和建造方式进行了细化设计。建筑采用钢木混合结构, 充分利用钢、木两种材料各自的力学性能。主体结构采用由钢木屋架和木柱组成的排架, 排架之间采用双曲的钢管桁架或钢管梁连接。屋架上弦因受压采用胶合木, 下弦因受拉采用预应力钢棒, 腹杆根据建筑造型需要采用胶合木或工字钢。因构件之间的连接节点均为多杆件空间斜交节点, 节点连接异常复杂, 兼顾安全和美观、又易于加工和安装对其进行优化设计。采用MIDAS有限元分析软件分别对竹里项目的整体结构和典型屋架进行了结构计算。计算结果显示, 对整体结构而言, 恒荷载、活荷载共同作用下竖向位移最大值约为38mm, 水平地震作用下的层间位移最大值约6mm, 包络工况下木结构最大应力约为20N/mm²;对典型屋架而言, 恒荷载、活荷载共同作用下竖向位移最大值约20mm, 包络工况下木屋架最大应力约为20N/mm²。

　　 (4) 建筑预制化生产与建造

　　 在竹里项目中, 参数化定义的结构体系中每一排屋架中梁柱结构的尺寸都不同, 同时钢木结构的连接节点也随着屋面扭转而角度各异, 为预制化生产带来了巨大难度。对此项目, 采用数控加工设备进行非标准构件的定制化加工, 实现了极高的预制化率, 从结构体一直到节点连接件都实现了工厂预制生产、现场干法施工。主体建筑+室内+景观总的施工周期仅仅用了52d (图3) 。当前, 我国乡村建筑产业化进程还未有实质性启动。走向工厂化预制的乡村建筑实践将有效促进建筑生产流程的产业化升级。竹里项目 (图4, 5) 在一个月的时间内实现了木构构件的预制生产, 现场安装建造在52d内完成, 实现了乡村木结构建筑产业化的试验性探索。

　　 作为一期项目, 竹里是村庄改造工程的试验项目, 同样的设计手法与建造思路将在二期建造中以小批量定制化的建造模式进行推广。竹里项目的探索意义在于, 项目试图采用先进设计与建造手段探索乡镇建设过程的新模式, 这种模式将在充分考虑乡村劳动力状况、经济水平的基础上开辟一条更有实践意义的乡村建筑产业化道路。

　　 江苏省园艺博览会现代木结构主题馆 (图6) 是对建筑机器人木构工艺和定制化生产模式的初步探索^[9]。江苏省园艺博览会现代木结构主题馆采用大跨度木拱壳结构体系, 自由形态的木拱壳由形态各异的木构件及节点系统共同组成。大批量非标准木构件的定制化生产是本项目的主要难点所在, 也是本项目所要探索的核心技术问题。在本项目中将工厂预制生产与建筑机器人定制加工相结合———胶合木梁的胶合生产过程在木结构工厂中进行快速生产, 而木构件的节点系统采用建筑机器人建造技术进行精细化加工, 从而实现了胶合木梁及其节点的高精度生产。

　　 (1) 建筑结构找形与优化

　　 江苏省园艺博览会现代木结构主题馆的形态设计采用结构性能化设计工具, 完成了一个满足场地边界条件的纯压力结构体系设计。设计的初始形态随后被转译为斜交的四边形网格结构, 网格的两个方向分别被赋予不同的结构作用:主梁方向采用连续的曲线木构件, 以维持结构整体性;次梁方向采用离散的短构件连接相邻的两跨主梁 (图7) 。主次梁系统的划分有效提高了结构整体稳定性, 同时降低了构件数量与节点难度。随后, 采用OASYS GAS软件对网壳体系进行了非线性结构模拟, 在此基础上完成构件截面尺寸优化设计。在综合考虑消防等因素的基础上, 主梁和次梁构件的截面尺寸分别被设定为500mm×250mm与450mm×250mm。主次梁之间的节点采用螺栓板节点螺栓板植筋混合节点, 通过大量结构计算及物理试验 (图8) 优化了两种节点的分布范围。

　　 (2) 木构件预制化生产

　　 27根通长曲梁构件首先在工厂中进行胶合生产, CNC数控模板在构件胶合过程中起到了重要辅助作用 (图9) 。数控雕刻的胶合模板能够将构件形态、开孔位置等设计信息传递给胶合阶段, 用于指导人工加压和定位。胶合阶段以大尺度钢基座为平台, 首先利用数控模板确定钢支架的定位, 然后通过人工加压的方式进行胶合, 根据模板位置灵活调整加压强度和位置, 从而实现构件的粗略成形。构件胶合完成后, 工人利用模板上的设计信息对构件进行打孔、开槽等精细化加工。CNC模板的引入有效地将数字模型中的设计信息转化为加工信息, 实现了复杂形态构件的“计算机辅助”建造。先进数控加工技术与传统工厂手工生产方式的结合一定程度上完成了传统工艺的数字升级。

　　 (3) 机器人节点定制加工

　　 网壳结构中大批量的非标准节点加工对传统木构建造工艺提出了严峻挑战。基于数字工厂的建筑机器人木构建造工艺为该项目的节点加工提供了技术保证。采用转速18 000r/min的铣削主轴对构件节点进行数控铣削, 通过转换铣刀实现开槽、打孔等不同工序的精细化加工 (图10) 。建筑机器人铣削建造逻辑与传统手工建造逻辑类似, 遵循由小及大的顺利逐步去除材料。从几何形态到建造路径之间的转换能够在建筑设计平台上完成, 避免了传统CNC铣削加工前期繁复的数据转换和模型重建工作。在建筑机器人铣削加工过程中, 构件节点不可避免地会出现局部“圆角”, 但是通过在设计-建造的整合模型中对这一限制进行充分考虑, 能够有效避免圆角带来的负面效果。在建筑机器人建造工艺的辅助下, 大批量复杂节点的加工得以顺利完成, 在经济性、效率和加工精度方面展现出显著优势。

　　 (4) 木结构现场装配

　　 除了木构件以外, 螺栓板节点和植筋也在工厂中进行定制生产, 木网壳结构系统实现了极高的工厂预制率。现场施工主要为预制构件的拼装 (图11) , 主体结构在一个月的时间内全部装配完成。为了实现复杂空间结构的精确施工, 现场布设了200余个测量控制点, 全程采用全站仪进行实时位置测定。在前期施工中, 通过将建筑基础施工误差反馈给设计模型, 实时调整模型和构件加工信息, 最大限度地减小前期施工造成的累积误差。在木结构施工过程中, 满堂脚手架系统作为操作平台辅助构件定位安装, 同时在脚手架系统与构件之间设置调节装置, 允许构件在三个方向上进行微调, 有效保证了施工精确度。

　　 江苏省园艺博览会现代木结构主题馆建筑面积约为2 000m², 采用胶合木结构实现了40m的最大跨度^[10]。网壳结构中27根曲线长构件、184根直线短构件以及368个钢结构节点形态各异, 但建筑机器人木构建造技术的引入高效地实现了网壳结构的定制生产。结构主体从定制化加工到组装完成仅花费4个月的时间, 充分展现了建筑机器人定制化生产的潜力。

　　 无论是在农村的小尺寸建筑还是城市的大跨度公共建筑中, 小批量定制化的生产模式都展示出独特的优势。作为未来建筑产业化的技术载体, 建筑机器人建造技术推动了木结构建筑个性化定制的实现过程。以建筑机器人技术为核心的小批量建造模式可以完成个性化非标准形态的高效加工, 从而形成一种具有灵活性和广泛适用性的高品质建造模式。当前建筑机器人木结构建筑技术大部分处于实验室阶段, 产业化应用水平有限, 但是随着该技术的深入推广与应用, 未来的建筑机器人木构工厂有望改变工业化木构生产中存在的劳动密集、定制效率低等现状, 促进传统木结构建筑生产模式的更新升级。未来的小批量定制化的木结构建筑生产将以建筑机器人木构工厂为依托, 将设计过程的个性化定制与建造过程的高效率生产相整合, 为市场提供经济、灵活的木结构建筑定制化服务。建筑机器人木构工厂通过虚拟设计与物质建造的充分整合, 实现设计与生产的一体化整合, 有效提高生产效率, 降低建造成本。小批量定制化的建造模式有望成为大批量定制模式在建筑领域的实现方式。

　　 本文通过两个实践案例对木结构建筑的小批量定制化生产与建筑机器人建造工艺进行了初步探索。建筑数字化设计与建筑机器人建造技术的逐渐成熟为小批量定制模式提供了技术基础。随着建筑机器人等新兴建造技术对木结构建筑产业的更新升级, 木结构建筑的个性化定制生产有望突破经济和效率的局限, 成为当前木结构建筑建造的有效模式。尽管小批量定制建造模式的产业化发展还有很长的路要走, 但基于建筑机器人建造的小批量定制化模式将有效推动木结构建筑产业的更新升级。