与机器人“工友”共建一座木塔！同济人让传统技艺在数字时代发光

2020-6-25 14:48:22

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走进建筑与城市规划学院中庭，一座金灿灿原木色的木塔傲然挺立：它周身由数百根木棱盘桓而上，像篝火升腾。走近看，这座木塔身高9米，底部直径5.4米，塔内空间宽裕，适合四五个人席地而坐。抬头仰望塔顶，光线透过木棱反射过来，人和塔一起沐浴在温暖的色调中。

这是第八届数字未来建造营第11组“机器人木匠”的参赛作品。今年夏天，第八届数字未来建造营开幕，主题为“人机共生”，探讨数字时代下人与机器的交互关系。

从书本到实践的一次飞跃

根据参赛要求，第11组“机器人木匠”要将中国传统木构工艺置于先进设计建造技术的背景之下，探索木构建筑设计与建造的新可能性。组员朱承哲、金青琳是我校建筑与城市规划学院大五学生，他们和其他队员们一起参加了搭建。反复考察搭建场地，队员们发现，C楼中庭场地不大但是空间通透：那就来点大胆的吧！

他们决定，用传统的榫卯结构连接来建造一个木塔。提议得到大家一致赞成。他们遍阅经典，在《〈营造法式〉注释》中，发现了梁思成研究宋代建筑屋面举折留下的宝贵数据：屋面曲线、斗拱曲线的加工存在一种几何逻辑，通过曲线的连续变换拟合出需要的曲线形式，他们将这种连续微差的逻辑通过数学建模重新抽象演绎，并尝试用grasshopper编程对榫卯节点进行参数化处理，这些研究为后面建造打下很好的基础。

什么样的塔型最合适？种种比较之后，队员们参考了传统木构建面的举折逻辑，塔身细分为168个结构单元，840根构件尺寸自下而上逐渐收缩，截面从12×12厘米减少到塔顶的3×3厘米，2592个构件节点、位置、角度、深度都存在细微差别。这种差别传统手工建造很难做到精确，而机器人建造会很好地处理这个难题。

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一根原木料4米长，每根接近60斤，两个人抬到加工台上，机器人铣削程序被制作成grasshopper工具包自动加工。可要在两周内完成840根木料的加工，平均每天要加工50根以上，这对刚开始进行人机对话的队员们来说有点头大：最初的3天里，他们只打磨出1根。“机器人运转速度太慢了，大家闻到了刺鼻烧焦的味道”，“切地太快，木料有些劈裂。”突发状况频出，同学们内心越来越焦虑，照这个进度是无法完成任务的。“建造过程中，我们发现自己的计算机、编程、自动化知识储备远远不够。”队友们拼命恶补，边学边做，此时全程手把手带大家的柴华老师出手了！他指导学员们调整机器人工差、算法，终于打磨出符合要求的木料。他们不知道的是，外表冷静的柴老师面对840根木料的加工量内心也是黑洞——没底。

队员们终于见识到“机器人队友”强悍的加工能力，实验室的木屑很快堆成了小山，多得让人无处插脚，凝重的空气散去，大家开始有说有笑，热火朝天的“滋滋”加工声中，学员们为“出炉”的木料，每一根都编好号，并记下它在塔中的位置。

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两周后，机器人队友出色完工，现场搭建变得异常顺利。底层构件与钢板上的耳板相连，逐层进行构件安装，由于结构采用全榫卯，没有一颗钉子和胶水，整个安装过程只需要用橡皮锤将构件敲进去、咬合紧就成了。全塔组装用了3天时间，最后一根木构搭好已是凌晨1点钟。组员们迫不及待地躺进去，激动的心情难以言表：“那一刻，觉得一切辛苦都值了！”

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传统技艺在数字时代的继承与发扬

据悉，工作营开营前，袁烽教授带领学员们对传统木构工艺进行了细致的研究。中国传统木构建筑在几千年的发展演变中，工艺极为繁富。榫卯结构的形制与工艺，集中体现了中国木构文化的博大精深，这也是工作营关注的核心内容。研究结果为项目提供了诸多选项：线性木构件、榫卯节点连接、连续渐变的构件形式以及用机器人加工技术。朱承哲说，在木塔方案确定之前，他们也曾冥思苦想，决定要设计一个如同袁老师所说的“一个原始的、有力的空间”，最终找到了木塔这一独具中国建筑文化特色的形式。

这个结构的复杂之处在于，构件的每个节点都不一样。在木构加工过程中，构件的节点开槽采用grasshopper自动运算完成，每个构件节点的位置、角度、深度存在细微的差别，即便是最精巧的木匠，也很难做到机器人建造工艺的精准度，更难说批量定制了。“这对机器人木匠来说可不在话下。”朱承哲说。

与传统木工艺不一样的是，机器人木匠更需要跨学科背景知识的支撑。“以前做设计，设计做完就结束了，这次动手才发现，建造才是真正开始。”金青琳说。“在建造过程中，最大的心愿就是有个学自动化的队友。这样就能进行更有效率的人机结合。”让机器臂读懂人类的语言与指令，数学建模能力、计算机编程背景、机械操控能力以及对材料的认识都很重要，影响着建造。此次建造也让金青琳对木材料有更多的认识：“木有弹性，灵活性更好，在有误差的情况下更有可塑性。”透过C楼中庭玻璃幕墙，我发现木塔与国康路上的水杉交相呼应。金青琳说，有阳光照进来的时候特别好看，难怪自古以来中国人对木头这种材料那么情有独钟。

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数字时代，培养面向未来的建筑师

“我们希望引导学生，不要一味追求时髦，首先要了解传统，从传统文化中汲取营养。”本届建造营组织策划者袁烽说。

数字建造营自2011年创办以来已经连续举办了8届，现已成为国际最前沿、最活跃的数字化设计主题工作营。袁烽介绍，数字时代，全行业处在智能化与信息化进程中，数字建造是传统建造拥抱新时代的必然趋势。整个建造的过程中，同学们了解了中国建筑文化特质，学习了数字建造技术，动手能力得到了很好的锻炼。

“建筑师需要学习的东西太多了。”朱承哲说，自己正在筹备申请留学继续深造，这次建造也让他更加明确将来深造的专业方向，坚定了职业理想。

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复又走近木塔，只见硕大的“蛋筒冰激凌”扣在楼梯旁负一层的“院井”中。下去，走近，这些木头编织的塔我中有你、你中有我，你拽着我，我牵着你，缓缓地、整齐地、扭转着，盘旋着，一路绝尘，扶摇而上。仔细看，底部木棱粗大，约1.3米一根的木料切了3个斜斜的口，和其它木棱榫卯扣合，严丝合缝，螺旋而飞；咬合的木头呈“之”字形，如同巧妇所织的毛衣，纹理韵律齐整，众木昂头向上，渐渐围拢；侧身，入门，到塔内，并排而立的“人”，齐整地叠着罗汉，一层层摞着，往上升去，渐渐地渐渐地小、再小，到顶端，并拢而尖。抬眼望，塔身上的木棱仿佛列队点兵的军队，又似划过长空的雁阵，铿锵凛凛，战阵如虹。

出塔，再仰望，光滑细腻的木头们，在阳光里暖黄暖黄的，飘出淡淡的暗香：工匠如斯，数字建造。

作者：李涵

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