引言

在科技高度发达的当代，机器人越来越多地参与到全球建筑业中，被认为是建筑业数字化改革最有前途的解决方案之一。与现阶段以人为主的实际施工相比，机器人施工过程的优越性主要体现在其施工的高效率和高精度上，从而提高了自然、经济和社会环境效益，并显著改变了当前的建筑劳动力市场。

研究背景

目前，全球范围内机器人建筑技术的发展和应用正逐步从实验室阶段走进实际建筑项目应用。在本次研究中，我们通过对已建成的木结构建筑的改造，从设计过程和施工过程到施工效率的最终评估，探讨了机器人参与完整木结构建筑建设的方法和步骤，并通过比较，分析了人工施工和机器人施工两种设计和施工方式的优缺点。

机器人建造研究现状

近年来，有开发用于现场砌砖的机器人，其筑墙速度比人类快六倍，这种机器人已经开始普及。同时，还有一个装配式施工项目的案例研究，在项目的建造阶段，通过静态性能优化过程，精确、自动地定位机械臂的最佳拣选位置。另一个案例（园艺博览会木结构企业馆）则展示了建筑师如何利用机器人的自适应几何系统来完成复杂木结构的设计和建造。目前，中国清华大学建筑学院、法国南特大学等研究团队均已学习并进入机器人建造产业化推广阶段。

在材料方面，木材是最可持续和可再生的材料之一，被认为是数字时代最合适的材料。本文从机器人建造木结构建筑的实际实验验证为出发点，重点介绍其参数化建造过程，验证机器人建造木结构建筑的实施能力和优越性。

研究方法及目标建筑分析

木结构建筑机器人建造的参数化过程和施工过程，如图1所示。本文使用建筑机器人对目标建筑（原本是人类设计建造而成的木屋）进行重建。

图 1.木制建筑机器人建造示意图

目标建筑物是一幢木结构两层建筑，建筑面积为32.1㎡，建筑高度为5.9 m，如图3所示。该建筑使用105毫米的雪松木木材，这是日本建筑中最常见的雪松木材尺寸。

图3.该建筑物的两层平面图（a）一楼，（b）二楼

本次的实验分为模拟实验部分和实际实验两部分。仿真实验使用手臂操作半径为3.9 m的KUKA机器人，实际实验使用手臂操作半径为 0.9 m 的 KUKA 机器人。

图2.KUKA机器人，机器人手臂操作半径为 0.9 m （a），配备末端执行器 （b）

机器人建造总览

建造计划分为七个单元。如图4所示，该建筑从北到南分为A、B、C、D、E、F、G七个单元，为了便于施工，每个单元都设置了6 到 9 层。建筑结构则如图5所示，整个结构总共需要 818 个钉点和 405 个胶合点。

图4.单元划分和单元组装示意图

图5.建筑物的结构施工

机器人施工程序

确定机器人的可达范围

目标建筑的整个施工任务的最大单元数为9层，单元高度为0.945 m。这要求机械臂的可操纵范围大于 5.905 × 5.775 × 0.945 m。在开始制造过程之前，应首先确定机器人的构造范围和 Y 轴滑轨组合，并通过点分组的方式从中提取出边长最大的立方体，让目标建筑像元位于该立方体内部，如图6所示。

图6.确定机器人可操作范围的过程

2.机器人构建单元

机器人根据每个单元的施工逻辑，将木材按从下到上的施工顺序放置，在必要的木材上涂上胶水完成胶合，并使用钉子完成构件间的连接，如图7所示。

图7.机器人构建一个单元的过程

3.机器人组合单元

每个单元都以相同的方式构建。所有七个单元的机器人搭建完成后，每个单元装配组合起来形成一个完整的建筑，如图8所示。

图8.由机器人建造的七个单元并组合成整个建筑物的过程

机器人构建步骤及施工控制回路

在建筑领域使用机器人的目的是尽量减少建筑过程中的体力劳动量。主要替换了四个人工步骤：拾取木材、粘合木材、放置木材和加入钉子/连接器，如图 9 所示。

图 9.机器人构建主要的4个步骤

机器人建造的逻辑与人工建造相同，只是与人工施工相比，机器人施工需要将施工指令的每一步转换为通过软件Grasshopper（Grasshopper version 1）接收的信息，这是一个数字化的过程。在这个过程中，机器人在现场操作过程中接收到指令并遇到问题，可以反馈给计算机重新调整施工过程，保证机器人能够在现场完成施工。

图 10.施工控制回路的流程图

施工评估及对比分析

施工评价是本次对比实验的重点。通过人工和机器人施工两种施工方法，比较了同一木结构建筑的两种施工方法的优缺点。其次，主要从时间效率评价和人力效率评价及施工质量评价等方面对双方效率进行评价。

时间效率评估

时间效率是项目效率的重要反映，在所有其他条件相同的情况下，时间效率的提高意味着项目的整体效率提高，从而缩短了整体项目工期，从而节省了劳动力、场地和设备等一系列成本，这对任何建筑项目都十分重要。

人工施工

人工施工存在许多不确定性，如图11所示，建筑施工中最短的施工时间是B单元的第六层，约为8 min。此外，E单元第二层的最长施工时间为53 min。图 12 则显示了构建每个单元的总时间乘以该单元中的参与施工人员数量，如图所示，单元 A 效率最低，单元 E 效率最高。可以得出结论，不仅施工人员的数量会影响施工时间，施工人员的效率和熟练程度也会影响整体施工效率。

图 11.人工施工各单元层施工时间

图 12.该层施工时间×每个单元的人工施工人员数量

2.机器人施工

机器人施工整个施工过程只需要三名操作员：两名操作员在取货点将施工订单中的木材放入，一名操作员操作机器人。机器人在其静态工作范围内按设定的顺序执行施工步骤，不需要人工干预，使得机器人的施工时间可以直接从程序中计算出来，并且稳定，如图13所示。

图13.通过机器人建造每个单元层的建造时间

对比表明，机器人的施工时间比人工施工时间短，效率更高，更稳定，机器人在正常施工状态下的效率不受施工工人数量的影响，如图14所示。

图14.通过机器人建造每个单元层的建造时间与人工建造时间对比

施工质量评估

施工质量评价对于建设工程同样重要。除了施工效率高外，施工精度也是衡量一个项目优劣的关键。

1.人工施工

在人工建造中，从木材切割到木结构件连接的每个步骤都可能存在误差。例如，用于切割木材的链锯齿轮非常厚且是手动操作的，因此切割结果会偏离所需的尺寸，如图15（a）所示。同时，木结构的搭建和连接过程中也存在偏差，如图15（b）所示。这些原因都会导致建筑施工精度的降低。

图 15.人工施工现场照片

（a）设计尺寸为 2900 毫米的木材实际切割尺寸为 2896 毫米

（b）立面在安装过程中发生移位，使墙面不够平整

2.机器人施工

机器人的使用可以使建筑物的设计和高精度施工真正成为一套连续的、完整的模型，因此机器人施工过程误差更小，精度更高。此外，机器人能够对施工错误进行实时调整和纠正，根据实际情况修改施工程序，使其能够以更高的精度完成施工，提高整体的施工质量，如图16所示。

图16.机器人施工现场照片

验证与结论

本次的模拟实验部分和实际实验部分，实际施工都使用了相同的参数化施工任务，机器人接收并执行了相同的施工任务，旨在验证仿真实验的施工逻辑和程序的合理性。如表1所示，两种施工尺度下各单元建筑的施工时间差始终在2.54–2.62的范围内。这表明机器人在相同的参数化施工任务下，施工时间也相对稳定。

本次研究将机器人建造的装配逻辑引入木结构建筑行业，并通过实验方式提出并尝试了一种面向全屋建筑的数字化建造策略。通过本次研究，我们可以看到，机器人技术改变了木结构建筑的设计建造过程，将引领木结构产业走向更数字化、智能化的未来。目前，全球已经有大量通过机器人设计并施工建造的木结构建筑实际案例，相信在不久的将来，木结构机器人技术将逐步普及，让木结构更加适应当下逐渐增加的城市建筑需求，为“双碳”目标的早日实现注入源动力。

机器人设计施工木结构元件的瑞士斯沃琪与欧米茄园区

研究报告来源：

《机器人在木结构建筑中的施工性能评价研究》作者：王璐、内藤高雄、冷毅、Hiroatsu Fukuda、张涛

发表于：《建筑物》第12卷，本文属于“建筑管理”和“计算机与数字化”部分

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