工业4.0进行时:建筑设计与制造的协同进化

2018-09-14  阅读次数:

  工业4.0不只是传统制造业,包括各类型工厂的变革。在建筑业越来越具备工业化生产特征的今天,其进化也已经成为工业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

  在过去数十年中,数字化、机器人和自动化技术显著提升了制造业的产品质量和生产效率。然而,在建筑领域,尽管数字化已经成功地实现了自动化设计,但建筑设计与制造之间仍然脱节。

  现在一些制造商已经使用创新技术从大规模生产转向大规模定制,而建筑行业仍然只是采用DFMA(Design for Manufacturing and Assembly,设计制造和装配)来重复大规模生产标准化的建筑部件。

  英国建筑工程公司Newtecnic将数字化和自动化技术融入最新的建筑项目,为我们思考如何推动建筑设计与制造的协同进化,提供了一种范例。

  在沙特阿拉伯利雅得的King Abdullah金融区地铁枢纽项目中,该公司通过无人机、机器人、3D打印、数字孪生等创新技术,实现从概念设计到制造、模块化构件、外墙和内部设施的工程设计与创新,从而使设计与制造环节无缝衔接,充分保证建筑项目的绿色、经济和可持续性发展。

  本地化建材和人员

  Newtecnic公司没有采用设计——远程工厂制造——交付——现场组装的方式,而是通过建筑实验室,在施工当地建立临时工厂并部署生产设备,采用当地人员和材料,从而实现建筑材料本地化生产。

  这些小型、高效的制造单元专门用于生产大规模定制组件,机器人与建筑实验室进行互动、生成、交付和安装新的或需更换的建筑部件。

  在公司为沙特利雅得King Abdullah金融区(KAFD)设计的地铁枢纽项目中,使用机器人和自动化设备进行现场部件生产和维护。

  工业4.0进行时:建筑设计与制造的协同进化

  上图显示了到2038年,建筑工人和无人机共同维护沙特利雅得KAFD地铁枢纽的外观。

  公司目前正在监督建筑围护结构的施工,在此过程中,公司审查并批准了几个承包商的工程,以确保工程项目高效准确地完成。

  公司职责范围还确保所有建筑构件和制造物在到达现场之前都能得到质量保证,公司通过设计工程为机器人、无人机、3D打印和增材制造等不同类型设计进行维护。

  现场工作站

  KAFD地铁枢纽位于人口密集的城区,是包括六条新地铁线路、85个车站和100多英里轨道在内的全市交通系统的核心,因此,中断地铁服务以进行结构维护和改善是非常不可取的。

  由于建筑物的围护结构宽而低,完工后,起重机进入非常不方便,且易造成破坏,成本很高。此外,由于该建筑是城市的中心部分,其设计寿命至少为60年,因此,项目启动后,自动清洁、维护和更新建筑等问题则是必须要考虑的因素。

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  地铁枢纽的封套包括一个模块化的盒式系统,使用可调节的钢“蜘蛛”固定装置,以支撑防水膜上的高性能混凝土面板。

  该系统经过精心设计,适用于未来的机器人接入、移动和操作。这意味着机器人引用建筑物的3D数字孪生模型,结合GPS,可以计算建筑立面上的路线和位置。

  通过使用机器人负责起重、更换和搬走损坏的部件,使用无人机进行检查和清洁工作。这种自动化技术提供了更好和更安全的近距离访问,允许施工人员远程遥控,从而避开施工现场的危险环境。

  KAFD地铁枢纽的设计旨在利用配备激光雷达和摄像机的小型无人机和机器人来执行检查工作,从而对建筑物内部隐藏区域进行检测、监控和精准测量。

  通过这种方式收集高分辨率的建筑数据,并配备3D打印机的现场施工实验室共享数据,从而打印出完全符合结构的建筑部件。

  在全球其他正在建设的项目中,这家公司计划从建筑初期就部署建筑实验室。通过这种方式,20世纪中期工业时代的大规模生产方法和设备正在被新兴的自动化、高度灵活、可控和强适应性的工具设备所取代,并在一线施工现场进行有效操作。

  经济增长

  这种工作方式可以推动建筑项目所在国家或地区的经济发展,有助于减少进口成本,创造当地就业岗位,培训当地人员技术,并降低繁复的运输环节和财务成本。

  此外,小规模的灵活制造资产很容易在建筑生命周期内扩展,而不是建造一个单用途的DFMA工厂,这需要多年的运营才能盈利。这意味着始终可以使用合适的设备来满足当前的需求。

  随着建造和维护建筑物产生的废物正在成为过去,建筑方式的变化对工业和社会都具有重要意义。

  据欧盟委员会估计,欧洲所有废物中有25-30%来自建筑。全球其它地方也类似。建筑废弃物回收困难,且处理成本高。

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  数字技术的引入使得施工与其它先进的制造工艺一样高效,其中精确的零部件数量是按订单生产的,并保证精准的构建结构和质量规范,确保与建筑结构相匹配,并在生命周期内具有可预测的性能。

  新技术的附加值还在于通过定制化,实现无浪费生产,如同现代大规模定制汽车工厂,每个零部件都被考虑在内,没有浪费。

  部署模块化和盒式外观设计方法意味着可以轻松修改建筑物,以便当出现新技术时,可以快速应用。未来几年,高性能混凝土和钢构件将逐渐发展成为更坚固、更轻、更耐用的材料。

  新型建筑材料也将被开发出来,并在现场或非现场快速部署3D打印机,利用新型机器人装配优化零部件。通过这些方式,建筑商和运营商可以在建筑物的生命周期内,快速适应、更新、翻新以满足当代需求。

  轻量级建筑的未来

  20世纪20年代,美国建筑师巴克明斯行·富勒在推广轻型多功能的Dymaxion房屋时,曾向买家询问:“你房子的重量是多少?”

  现代建筑设计时,也需要询问同样的问题,因为每增加一公斤重量,就需要更多的能源和资源来制造,同时,运输和组装、施工后的供热制冷、清洁维护等环节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公司对所有建筑项目进行精确的重量计算,以便准确核算出真实和相应的扩展成本。

  在重新利用或回收组件时,计算重量非常重要,这意味着当设计人员确切知道这些组件需要提升多少时,可以更精确地优化具有处理组件能力的机器。

  就像不断更新的电子版用户手册一样,建筑物与其联接的机器和系统所需的所有信息都可以存于建筑物的3D数字孪生模型中。

  从最早的设计阶段开始,就可以在云端进行调查、检查和测试。机器人和无人机的概念将涉及制造、构造和拆卸说明、方法。

  这些先进技术的融合表明,建筑业正面临新一轮的革命,新技术应用将解决传统建筑业面临的诸如成本、环境、能源、物流和废弃物等众多问题。

  适当的技术和建筑思维不仅仅是一个整体,而是可以随着时间的推移,能够进行改变、发展和适应的系统,可以延长建筑使用寿命,同时保持与后续设施、服务的紧密联系。

  当创新的想法、高级技术人员与令人兴奋的新技术相结合时,会使建筑行业更加灵活、环保和可持续,同时,建造出能够令人印象深刻的建筑物,增强并改善城市和社会的功能。

  如何部署数字化和机器人

  有效部署数字化和机器人,涉及到从设计到建造,再到后期维护等各个环节:

  工业4.0进行时:建筑设计与制造的协同进化

  使用自动化来弥补设计和制造之间的脱节

  为创新和更好的建筑结构提供大规模定制服务

  为现场制造部署现场施工实验室

  面向未来的建筑工程的协作机器人

  创建数字孪生建筑模型作为生活用户手册

  在施工和维护期间减少起重机的使用,利用机器人在危险条件下进行重物吊装

  利用无人机检查建筑物更安全、更准确,而无需脚手架

  使用配备激光雷达的无人机与数字孪生模型相配合,进行检查

  通过现场制造和交付组件来减少浪费

  计算建筑物重量可以更好地了解建筑物造成的环境影响和真实运营成本

  作者:王进