2018年9月21日 星期五

.工業 4.0 進行式:建築設計與製造的協同進化

Modern Home Construction Technique




來源:资本实验室 作者:王进


工業4.0不只是傳統製造業,包括各類型工廠的變革。在建築業越來越具備工業化生產特徵的今天,其進化也已經成為工業4.0不可或缺的一部分。


工业4.0进行时:建筑设计与制造的协同进化


在過去數十年中,數位化、機器人自動化技術顯著提升了製造業的產品質和生產效率。然而,在建築領域,儘管數位化已經成功地實現了自動化設計,但建築設計與製造之間仍然脫節

現在一些製造商已經使用創新技術,從大規模生產轉向大規模客製化,而建築行業仍然只是採用DFMA(Design for Manufacturing and Assembly,設計製造和裝配)來重複大規模生產標準化的建築部件。

英國建築工程公司Newtecnic,將數位化和自動化技術,融入最新的建築項目,為我們思考如何推動,建築設計與製造的協同進化,提供了一種範例。

在沙烏地阿拉伯利雅得的King Abdullah,金融區地鐵樞紐項目中,該公司透過無人機、機器人、3D列印、數位孿生等創新技術,實現從概念設計到製造、模組化構件、外牆和內部設施的工程設計與創新,從而使設計與製造環節無縫銜接,充分保證建築項目的綠色、經濟和可持續性發展。

本地化建材和人員
Newtecnic公司沒有採用設計遠端工廠製造交付現場組裝的方式,而是過建築實驗室,在施工當地建立臨時工廠,並部署生產設備,採用當地人員和材料,從而實現建築材料本地化生產。

這些小型、高效的製造單元,專門用於生產大規模客製化組件,機器人與建築實驗室進行互動、生成、交付和安裝新的,或需更換的建築部件。

在公司為沙特利雅得King Abdullah金融區(KAFD),設計的地鐵樞紐項目中,使用機器人和自動化設備,進行現場部件生產和維護。


工业4.0进行时:建筑设计与制造的协同进化


上圖顯示了到2038年,建築工人和無人機共同維護沙烏地利雅得KAFD地鐵樞紐的外觀。

公司目前正在監督建築圍護結構的施工,在此過程中,公司審查並批准了幾個承包商的工程,以確保工程項目高效準確地完成。

公司職責範圍,還確保所有建築構件和製造物,在到達現場之前都能得到品質保證,公司透過設計工程,為機器人、無人機、3D列印和增材製造等,不同類型設計進行維護。

現場工作站
KAFD地鐵樞紐位於人口密集的城區,是包括六條新地鐵線路、85個車站和100多英里軌道在內的,全市交通系統的核心,因此,中斷地鐵服務,以進行結構維護和改善,是非常不可取的。

由於建築物的圍護結構寬而低,完工後,起重機進入非常不方便,且易造成破壞,成本很高。此外,由於該建築是城市的中心部分,其設計壽命至少為60年,因此,項目啓動後,自動清潔、維護和更新建築等問題,則是必須要考慮的因素。


工业4.0进行时:建筑设计与制造的协同进化


地鐵樞紐的封套,包括一個模組化的盒式系統,使用可調節的鋼「蜘蛛」固定裝置,以支撐防水膜上的高性能混凝土面板。

該系統經過精心設計,適用於未來的機器人接入、移動和操作。這意味著機器人引用建築物的3D數位孿生模型,結合GPS,可以計算建築立面上的路線和位置。

透過使用機器人負責起重、更換和搬走損壞的部件,使用無人機進行檢查和清潔工作。這種自動化技術,提供了更好和更安全的近距離訪問,允許施工人員遠端遙控,從而避開施工現場的危險環境。

KAFD地鐵樞紐的設計,旨在利用配備雷射雷達和攝影機的小型無人機和機器人,來執行檢查工作,從而對建築物內部隱藏區域,進行檢測、監控和精準測量。

透過這種方式收集高分辨率的建築數據,並配備3D列印機的現場施工實驗室共享數據,從而列印出完全符合結構的建築部件。

在全球其他正在建設的項目中,這家公司計劃從建築初期,就部署建築實驗室。透過這種方式,20世紀中期工業時代的大規模生產方法和設備,正在被新興的自動化、高度靈活、可控和強適應性的工具設備所取代,並在一線施工現場進行有效操作。

經濟成長
這種工作方式,可以推動建築項目所在國家或地區的經濟發展,有助於減少進口成本,創造當地就業崗位,培訓當地人員技術,並降低繁複的運輸環節和財務成本。

此外,小規模的靈活製造資產,很容易在建築生命週期內擴展,而不是建造一個單用途的DFMA工廠,這需要多年的營運才能盈利。這意味著始終可以使用合適的設備,來滿足當前的需求。

隨著建造和維護建築物產生的廢棄物正在成為過去,建築方式的變化對工業和社會都具有重要意義。

據歐盟委員會估計,歐洲所有廢物中有25-30%來自建築。全球其它地方也類似。建築廢棄物回收困難,且處理成本高。


工业4.0进行时:建筑设计与制造的协同进化


數位技術的引入,使得施工與其它先進的製造技術一樣高效,其中精確的零組件數量,是按訂單生產的,並保證精準的建構結構和品質規範,確保與建築結構相匹配,並在生命週期內具有可預測的性能。

新技術的附加價值,還在於透過客製化,實現無浪費生產,如同現代大規模客製化汽車工廠,每個零組件都被考慮在內,沒有浪費。

部署模組化和盒式外觀設計方法,意味著可以輕鬆修改建築物,以便當出現新技術時,可以快速應用。未來幾年,高性能混凝土和鋼構件,將逐漸發展成為更堅固、更輕、更耐用的材料。

新型建築材料也將被開發出來,並在現場或非現場快速部署3D列印機,利用新型機器人裝配優化零組件。透過這些方式,建築商和營運商可以在建築物的生命週期內,快速適應、更新、翻新以滿足當代需求。

輕量級建築的未來
20世紀20年代,美國建築師巴克明斯行·富勒,在推廣輕型多功能的Dymaxion房屋時,曾向買家詢問:「你房子的重量是多少?」

現代建築設計時,也需要詢問同樣的問題,因為每增加一公斤重量,就需要更多的能源和資源來製造,同時,運輸和組裝、施工後的供熱制冷、清潔維護等環節,都需要消耗更多的成本。


工业4.0进行时:建筑设计与制造的协同进化


目前,Newtecnic公司對所有建築項目,進行精確的重量計算,以便準確核算出真實和相應的擴展成本。

在重新利用或回收組件時,計算重量非常重要,這意味著當設計人員,確切知道這些組件需要提升多少時,可以更精確地優化具有處理組件能力的機器。

就像不斷更新的電子版用戶手冊一樣,建築物與其聯接的機器和系統,所需的所有資訊,都可以存於建築物的3D數位孿生模型中。

從最早的設計階段開始,就可以在雲端進行調查、檢查和測試。機器人和無人機的概念將涉及製造、構造和拆卸說明、方法。

這些先進技術的融合表明,建築業正面臨新一輪的革命,新技術應用將解決,傳統建築業面臨的諸如成本、環境、能源、物流和廢棄物等眾多問題。

適當的技術和建築思維,不僅僅是一個整體,而是可以隨著時間的推移,能夠進行改變、發展和適應的系統,可以延長建築使用壽命,同時保持與後續設施、服務的緊密聯繫。

當創新的想法、高級技術人員與令人興奮的新技術相結合時,會使建築行業更加靈活、環保和可持續,同時,建造出能夠令人印象深刻的建築物,增強並改善城市和社會的功能。

如何部署數位化和機器人
有效部署數位化和機器人,涉及到從設計到建造,再到後期維護等各個環節:


工业4.0进行时:建筑设计与制造的协同进化


使用自動化來彌補設計和製造之間的脫節

為創新和更好的建築結構,提供大規模客製化服務

為現場製造部署現場施工實驗室

面向未來的建築工程的協作機器人

創建數位孿生建築模型,作為生活用戶手冊

在施工和維護期間減少起重機的使用,利用機器人在危險條件下,進行重物吊裝

利用無人機檢查建築物更安全、更準確,而無需腳手架

使用配備雷射雷達的無人機與數位孿生模型相配合,進行檢查

通過現場製造和交付組件來減少浪費

計算建築物重量,可以更好地瞭解建築物造成的環境影響,和真實營運成本。

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