3D打印建筑背后的“机器匠人”

　　9名工人都嫌多，马义和决定把工人减少到5人。

　　7月19日，在上海青浦区满是近半人高野草的园区里，石子路被太阳晒得滚烫，上海盈创建筑科技有限公司董事长马义和戴着安全帽走在前面。他皮肤黝黑，这是时常守在工地的结果。他计划要在这里建4幢小高层楼房，其中一幢已初具规模。

　　与普通工地不一样的是，这里没有堆放的建材，工人们也不需要在现场砌筑。工地旁边，是一个被白色巨幕围挡起来的大型厂棚，里面才是真正干活的家伙——一台有半个篮球场大小的3D打印机器。

　　“28日，我们就在建好的这幢楼里举行发布会，给大家身临其境地感受3D打印房子！”马义和语气坚定。

　　100多公里外的乌镇西栅景区，另一个工地上，也有两台机器人。它们在为建造新一届世界互联网大会的场馆助力。承建者是同济大学建筑与城市规划学院教授袁烽的团队。他设计的机器人并不仅仅做3D打印，还展开了机器人木构、砖构等多种实验性建造实践。

　　两个工地本没有交集，但在国家对智能建筑的引导下以及工业4.0来临之际，却有着相近的意义。两者都是上海企业及科研团队介入建筑业转型升级的尝试——机器替换工人，成为“机器匠人”。

　　为了突破劳动力短缺以及传统建筑行业工作环境差等瓶颈，全球建筑界把目光投向智能建造领域。袁烽认为，中国建筑业机器换人的拐点正在到来。

　　拐点

　　7月28日，远离城区的青浦区新金路，平时难见一辆车的小路两旁停满了车。长龙绵延数百米，其中不乏豪车身影。

　　进入会场，找座位很难；几百人的会场还设置了同声传译的工作间，现场有来自非洲、欧洲、中东、南亚等的出席者。

　　这场面与5年前那场发布会的情形，不相上下。

　　2014年就在这个园区内，盈创在24小时内打印出了10幢灰色矮房，宣称是全球第一次用3D打印技术造出供人居住的建筑。

　　“以前都是我到国外去（学习），后来是一车一车的外国人到我这里参观。”马义和说，公司在苏州工业园区接待了数以千计的参观者。因为需求过于旺盛，他按人头收费，一人300元，参观费就收了几十万元，“全部用于科研”。

　　即使如今，坐在人群当中，依然可以感受到人们对3D打印技术的追逐。到场者里有产业上下游的厂家，有结构工程师，还有高校负责人。一所上海高校计划开设建筑专业，希望把3D打印作为亮点。

　　但记者同时也能感受到不少人依然对此概念模糊。一位出席者戏谑地形容：“知道它好，又不知道它好在哪里。”

　　在过去的5年，3D打印建筑始终进入不了主流。马义和想不通。

　　他做建筑材料起家，1993年在老家湖北襄阳创业。据他介绍，原先建造房屋需要先制作模板再浇灌水泥，而现在的3D打印技术模板用量及钢筋绑扎的工作量大大减少，缩短一半以上工期，降低50%-80%人工；此外，油墨（即混凝土材料）原料是改造后的建筑垃圾、工业垃圾、矿山尾矿，还能省下30%至60%的建材。

　　2015年1月，盈创宣布打印出了全球最高的3D打印建筑“6层楼居住房”和全球首个带内装、外装一体化的1100平方米精装别墅。通过与海外设计公司Gensler合作打印迪拜办公楼项目，盈创还成为全国第一家在海外运用3D打印建筑技术打印办公楼项目的企业。

　　放眼全国，北京、广东等地近年来也正在进行类似探索——将人工智能等创新成果运用于建筑领域，让机器真正渗透进工地各生产环节，让人成为管理者，进而将中国制造推向智能化。

　　袁烽提供了一组数据：业内有个共识，当一个地区的建筑工程中劳动力成本占建筑成本总额比例超过35%时，会出现“机器换人”。在发达地区，比如中国香港，这个数字已超50%；在内地，这个数字多在30%以下，而上海略为特殊，这个数字刚过33%。

　　多数劳动力成本高的地区，主要采用预制建筑构件、推广装配式建筑发展的方式。上海此前也紧跟步伐，市里规定2016年起外环线以内新建民用建筑应全部采用装配式建筑；外环线以外不少于50%，并逐年增加。

　　弯道超车？中国并非没有可能。

　　机器

　　与马义和认为3D打印“全是优点，找不出一个缺点”的情感有着极大不同，袁烽很少使用3D打印的标签来描述自己的工作。3D打印技术，更专业的说法应为“增材制造”，指通过逐层增加材料的方式将数字模型制造成三维实体物件的过程。“但机器智能建造也可以做减材，比如机器人可以铣削加工木材。”

　　袁烽的看法是，3D打印建筑最重要的意义是机器换人，但3D打印并非机器换人的唯一方式。他更倾向于解释自己的领域是数字化设计与智能建造，即通过算法实现机器比人更为精准和节能的建造。

　　7月26日，乌镇的工地上，最高气温直逼40摄氏度。工人们每天下午不得不等到3时多才能开工。

　　但两台会砌砖的机器人不受影响：每天工作16个小时，工期紧张时，24小时也不成问题。

　　相比普通工人，这两名“工人”无疑拥有整个工地最好的工作环境——独立工棚、地面干净，还有电风扇散热。

　　只见机器人用手臂抓砖、抹浆、砌墙，动作一气呵成，砌到边缘部分，还会聪明地只抹半边砂浆。机器人砌出的墙面也不一般，每块砖的角度不一，最终形成波浪般的视觉效果。

　　“机器适合做渐变的非线性梯度变化。一般人砌砖间隔都是一致的，但是机器砌出来的，单独看一片看不出什么，组合到一起就能看到韵律感。”袁烽指着波浪般的墙面说。

　　十年前，他也运用数字化软件设计过一面拥有绸缎般流动肌理的“绸墙”，但当时没有机器人，全部使用定制模具和人工砌筑完成。他记得那面不算大的墙，砌了两个月之久。而这次，长40多米、高2米多的复杂墙体，两周就可完工。

　　距离验收时间只剩一个多月，施工方有些着急，袁烽则沉着许多：“两台机器相当于以前两个班组，差不多二三十人，但现在（机器之外）只需要四个人，人的劳动强度大大减少。”

　　和记者每说起一个作品，袁烽总会报出建造时间——上海思南书局里的书报亭，从策划到建成用了21天；世界人工智能大会场馆中近9000平方米面积，100天完成施工……

　　2008年，袁烽去麻省理工学院当了一年访问学者，其间选择了数字化设计与建造方向，归来后就专心于此。他初中学过编程，拿过全市竞赛一等奖，但上大学后没再继续，直到去了麻省理工，才发现“人家是学科之间互相打通”，于是将编程重新捡起。

　　从2011年研发出第一代建筑业机器人开始，袁烽团队已研究8年之久，其中移动现场式机器人已经更新到第5代，可以完成3D打印、砌砖、铣削、弯折金属、切割石块等12项工艺。

　　在上海徐汇西岸一个项目中砌再生砖墙时，他们甚至给机器装上“眼睛”，让机器判断砖的大小以及放置的位置。

　　乌镇工地上来自上海的项目经理姜滨，在这行干了10来年，但机器人做出来的造型，他从未见过。

　　据国际机器人联盟（IFR）的统计，2017年中国机器人需求增长速度达到58%之高，全球有三分之一的机器人销往中国。中国正逐渐成为世界最大工业机器人市场。

　　掣肘

　　顾虑并非没有。

　　马义和快被“标准”的问题问腻了。7月28日的发布会现场，依然有人追问相关问题。

　　3D打印建筑目前没有专业规范，在设计建造时只能参考相近的结构和外观建筑标准，并通过实验设计来确保其结构等方面的安全可靠。

　　“创新的东西哪里有标准呢？都按标准的话，还会有创新吗？”马义和大声说。

　　话是不错。但涉及到人住的房子，哪一方都不敢怠慢。

　　发布会上，叶蓓红发言时，起身拍幻灯片的人明显增多。翻页快时，还有人互相叮嘱：“都拍下来了吗？”

　　叶蓓红是上海建筑科学研究院教授级高级工程师，其发言题目为“3D打印材料（油墨）及3D打印产品标准研究”。

　　“所有人都在关注标准的问题。”叶蓓红介绍，国家标准体系分为政府标准、团体标准、企业标准。

　　2017年，住房和城乡建设部发布过一个关于工程建设标准体制改革方案的征求意见稿，明确提到：“经合同约定，团体和企业标准可作为设计、施工、验收依据。”

　　这条方案的提出给盈创这样的企业发展找到了突破口。背后是政府释放的善意——“既要体现政府的监管要求，又要满足设计施工等单位的需求；既要确保管住管好，做到‘兜底线、保基本’，又不能管多管死，限制企业创新。”

　　基于此，叶蓓红团队目前已对盈创的油墨强度，墙体材料抗震、抗冻、放射性、防火等方面做出了企业标准，并在国家质量技术监督局网站上备案。下一步的目标是制定协会标准，这需要更多企业参与。

　　叶蓓红的发言博得了持久掌声。但仍旧有人质疑，“3D打印建筑的安全性因素除了材料、墙体，还有建造结构。结构怎么检测呢？”

　　还有人说，盈创当前打印的更多为基础设施，说明结构还是短板，因为结构需要大量复杂的算法验证。

　　“数字建造的难点并不在现场，而在前期设计。”袁烽说，最难的部分就是生成形式、计算优化、验证。结构设计师的任务就是对结构负责，出了图、签了名字，如果出问题会被吊销执照，这是行业规则。

　　但在新兴领域，确实有一些容易被忽视的因素。

　　前年8月，一座外表黝黑、以全新改性塑料打印的实验作品步行桥成为同济大学校园一景。42天之后，桥却塌了。

　　“我们最初只关注到它可以承载多少人，却忽视了温度带来的改变。”袁烽说，“当时有位材料学教授提醒我注意它在极端温度下的表现。”果不其然，持续多日高温后，变形导致压力产生，最终桥塌了。袁烽据此写了一篇报告在国际会议上发表。

　　此次乌镇项目难度最大的是智慧亭，智慧亭的最终效果是一个非线性壳状结构，这个形状在学术上叫作“自由重力拱结构”，力不是垂直传递，而是完全轴向传递。袁烽团队曾做过一个六分之一大小的壳体，这次虽然只是变了尺寸，但结构逻辑全都要变。

　　负责智慧亭项目的博士后王祥介绍，智慧亭的现场建造过程和搭积木很像。塑料模板先在工厂用3D打印技术预制好，运到现场后，工人拼装、用螺栓固定。然后，在模板上铺设三层薄砖，最后撤掉现有钢架支撑。

　　但问题接踵而来。比如，机器3D打印出来的构件存在误差，尽管在工厂经过预拼装，但到了现场，还是有部位无法契合。工人们必须先用钢构脚手架把结构架高，等表面砖结构成型再撤走。

　　异形建筑，工程验收也是难题。袁烽打算邀请上海和浙江两地的专家到乌镇现场开会论证，尽管这方面的专家很少。

　　到时候，现场会采用堆载的方法，用沙袋把壳体堆满。“均布式它是不怕的，所以我们会让它一半负荷，以及最不利点集中堆载，验证最不利的条件，还会做材料检验等。”袁烽很有信心。

　　机器与人

　　智能建造以后，需要什么样的人？

　　应是两种人：一类是操作机器的人，一类是设计机器工具的人。

　　记者曾在青浦观摩了一次打印过程：90后杨庆（化名）当天16时30分就完成了那天所有建筑构件的打印工作。机械专业大专毕业的他到盈创工作至今，一开始还感到新奇，现在已经习惯。他甚至可以在空闲时打手机游戏，“打印太快的话，工人来不及装”。

　　人们可以将打印过程想象成做蛋糕，喷头就像裱花袋，调配的混凝土“油墨”就像奶油，根据设定路径，一层层堆叠。

　　“工作环境完全不是一个概念了。”一位工人说，工作强度也低了很多，只需要把搬来的构件“扶一下，往那一搁就结束了”。

　　袁烽说起去贵州参与扶贫时的感受：“现在的工地，40岁以下的工人很少。新一代年轻人，即使家里条件不好，下工地也是不肯的。”

　　在乌镇工地上，22岁的操作工张运（化名）大专毕业，学的是机电一体化，从未砌过墙，只用两个星期就学会了操作这台机器人。

　　包括建筑机器人在内的现今大多数工业机器人，都是一种可编程机器，通常只能被编程为执行重复的一系列运动。但要真正代替一线工人，建筑机器人遇到的复杂挑战，并非仅仅实现“速度”或者“效率”就大功告成。

　　对于设计机器人的人，袁烽还是感觉缺人，“一般学设计的做不来”。

　　今年7月，袁烽在上海做了一个关于数字建造算法的汇报，听众几乎都是建筑行业专家，最后不少人的反馈是“听不懂”。

　　机器人建造早已开始跨界：建筑学、结构学、机械学、材料学、人工智能……以前，同济建筑系学生是基本不需要编程的。而今，袁烽带的硕士生周轶凡，每天最主要的工作就是写程序、调试机器人。

　　“建筑学是偏美学与人文的教育，要会画画、做手工、做模型、做设计。而编程是代码，是纯理性的。我们把两者混合，就引出一个全新的建筑数字未来。”袁烽说。

　　比如砌砖机器人，除了运用建筑设计知识，还涉及到自动化、机械、电气等专业知识。其核心功能都是袁烽和学生们琢磨出来的。直到原型机做出后，袁烽才找了机械和自动化专业的朋友帮忙进行专业提升。

　　“用机器代替人工，不单单是把人减掉，而是把新的人工用在计算赋能上。智能化时代，生产的所有东西都可以有微差。比如我们3D打印的构件，每个都不一样，砌的墙面、每个砖头的位置都不一样，这是自动化程序做不了的。”袁烽说，机器人加入建筑业的意义，还在于提升建筑的性能和美感。

　　有多少智能建造，就意味着背后有多少“人”的参与。

　　尽管发布会开得红火，但值得注意的是，发布会所在的楼房并没有实现马义和9天前期待的“完工”。

　　马义和解释：包工头对3D打印技术认知不统一，停工3天，等他回来拍板时，已经无论如何赶不上了。

　　最终他们只完成了一楼的布置，3D打印了进门一小块的水磨石地面，供参观者“感受一下”。

　　或许这也意味着，机器再如何智能，没有“人”的参与，也终究不过是机器。（记者 王潇 殷梦昊）