时间：2022-04-14 10:12:19 所属分类：建筑科学 浏览量:
在当前平滑褶皱游牧等哲学概念以及非线性科学的影响下，一场热烈的建筑活动正在发生，大量具有复杂曲面的建筑形态也随之涌现。计算机的程序脚本(Scripting)、曲面建模技术(Nurbs、Subdivision 等)以及各类分析软件(有限元、CFD 等)成为了这些实践的坚实技术基础[ 1 ]
在当前“平滑”“褶皱”“游牧”等哲学概念以及非线性科学的影响下，一场热烈的建筑活动正在发生，大量具有复杂曲面的建筑形态也随之涌现。计算机的程序脚本(Scripting)、曲面建模技术(Nurbs、Subdivision 等)以及各类分析软件(有限元、CFD 等)成为了这些实践的坚实技术基础[ 1 ] 。各方建筑师从不同的理论与实践角度都对其进行了大量探索，如几何、生物领域的算法生形;动感流动的造型出发;物理环境等的性能导向等，无论源于怎样的设计概念和方法，这些虚拟图景都要面临可建造的问题。建筑几何学作为参数化技术以及数字建构理论下最基本的学科基础，为建造实现提供可行路径。
机械臂作为工业制造中的成熟设备，已在多个行业取得成绩，结合参数化设计的机械臂技术能够以全新的实践手段复兴传统的学科，并能够与智慧科学合作，激发新的发现，开启新的科学边境[ 3 ] 。自瑞士 ETH 开创性的机械臂砖墙砌筑研究以来，越来越多的学者开展关于机械臂建造新方式的探索活动。传统的人工异形模板加工制作往往在曲面形态拟合上存在较大误差，无法精准制造，且即使忽略误差，多个非重复性形态曲面模板的人工制作造价也十分高昂。利用机械臂数控建造可编程的精确性与操作轴的空间灵活性可完成大量重复性、高精度性与高危险性的工作，在提升传统建造模式的效率和优化劳动人员作业环境等方面具有明显的优越性。在这一交互过程中，既有工业迎来新生机，实现数字化升级;机械臂充分发挥其优势，建立新型建造系统。
1 概念界定
1.1 RHWC 工艺机械臂热线切割工艺，简称 RHWC 工艺(Robot Hot Wire Cutting)，是工业环境中线切割工艺的最新发展[ 4 ] ，可用于大量材料的快速雕刻，如粘土、木材、石头以及 EPS 泡沫。在目前的 RHWC 工艺中，直径小于 2mm 的加热导线在末端效应器中拉伸，连接到一个数字控制多轴机械臂上，用于切割固体 EPS 块，生产混凝土浇铸模具。该工艺与传统数控铣削相比整体加工速度快，热丝穿过 EPS 材料的工作原理，导致对直纹曲面描述的固有限制，因此 RHWC 主要适用于直纹曲面的生产，或更一般的双曲线设计的近似生产。在建筑研究领域，RHWC 在过去的十年中发展迅速，在多项领域展现巨大的潜力和研究价值，例如潜望镜塔、Opticut 结构原型等试验作品的成功建造如图 1 所示。
1.2 直纹曲面生成逻辑直纹曲面是指当母线为直线时，其绕着直线或曲线形式的导线运动所形成的面。直纹曲面造型千变万化，但其内部潜藏有统一逻辑，即母线的平行与非平行移动。母线作平行移动(柱面);当母线沿着形式为曲线的导线做平行运动所形成的面即为柱状面，当导线为圆即为柱状面的一种特殊形式—圆柱面，如图 2 所示。
母线做非平行移动时产生的曲面形式更加丰富，此时的母线受到来自两端的两条导线的约束, 两端导线的形式可以是自由曲线、直线甚至是一个定点。文中将两条导线定义为导线与次导线，以便表达。
2 基于 RHWC 工艺的直纹曲面建造流程
2.1 基于曲面生成逻辑的参数逻辑建构提取直纹曲面的生成逻辑可知，母线按着导线的路径方向进行运动形成的轨迹即为曲面，导线形式可分为、直线、曲线，其中点是线的端点无限逼近状态。因此在进行参数化生成曲面时只需保证母线沿导线运动这一主要逻辑，不同的导线和母线状态作为可变量，由设计师人工操作控制，通过改变线的状态改变曲面形态，进而改变非线性形体形态，实现非线性建造的半自动化操作。三维曲面建模包括以下步骤：(1) 手动设计非线性边界，即主、次导线。(2) 利用计算机辅助软件在非线性边界之间创建连续曲面。(3) 将非线性边界经偏移、旋转、扭曲、变形等变换创建无交叉线的三维物体。(4) 适当结构分析增强模型强度。(5) 调整曲面纹理形式与大小，达到形式、结构、功能的统一。确定最终形态，利用可视化编程软件将模型输入至 KUKA|PRC 插件实现设计与建造语言的转换。
2.2 虚拟仿真控制软件模拟建造截至目前为止，机械臂的发展已有将近七十年的历史，国内外从事机械臂生产制造的企业有：Fanuc、 ABB、KUKA、安川、沈阳新松机器人、安徽埃伏特等。国内用于衔接真实机械臂与数字建造模型之间的虚拟仿真软件以 KUKA|PRC、FURobot、Firefly 使用量较多。虚拟仿真控制软件作为机械臂实际建造与数字模型之间的过渡平台，方便使用者可视觉化地编程机械臂运动轨迹，将数字模型的虚拟建造转换为机械臂可识别的程序运行语言, 从而实现虚拟模拟到现实建造的转化。操作流程为：
(1) 数字模型对接虚拟仿真控制软件，通过前期设计与后期判断，在软件中选择或自行制作适配的机械臂类型与末端效应器。(2) 利用软件识别数字模型的运动轨迹，将全部运动过程以可视化方式呈现。(3) 模拟物理世界中的运动状态并对过程中出现的问题加以修改，如此反复。(4) 将最终的优化结果输出为机械臂可识别的编程语言。通过上述系列操作，实时调节建造过程中的机械臂姿态、路径及碰撞问题，实现多数现实问题的云解决，减少实际加工过程中人力、物力、财力等资源的浪费。
2.3 机械臂建造从造型设计、虚拟建造直至实际建造，机械臂作为整个生产链的末端，通过对造型的形态及性能分析，选用与之相适应的机械臂工具头与加工材料，调用虚拟建造试验成功后的运行代码，采用 1：1 的标准尺寸进行工厂预制加工。其加工过程中注意事项简要列举如下：(1) 根据虚拟软件推演定位场地实际机械臂初始位置与姿态，精确到毫米单位。(2) 测量初始切割点，调整被切割材料高度，平整表面。对于不同密度与结构的材料，必须根据导线温度选择相应的热导线轨迹速度，导线温度可由输入电压调节，材料切割前，确保导线绷直，不可以像绳子一样可以拉伸;材料切割过程中，导线不可在某一位置停留，防止导线因在固定位置燃烧时间过长，过多熔化曲面表面材料，破坏曲面纹理。(3) 材料切割过程中，确保空气流通，配备空气过滤设施，以符合卫生和安全规定;个人防护建议使用防护眼罩和带有防燃物和烟雾保护因子的呼吸器[ 6 ] 。(4) 材料切割结束后，及时断开导线端电压输入，严防意外发生，机械臂执行归位程序，拆解被切割物体，得到目标形态的非线性物体。往复循环，对于不同的曲面形态只需手动将可视化设计程序一键转换为机械臂可识别代码，无需重复找形，真正实现从设计到加工的半自动化过程。
3 曲面建造实验
建筑尺度下，参数化形态的设计和优化一般采用 Rhino + Grasshopper 或 Revit + Dynamo 的平台配置，两者都对形态具有较好的参数控制与表达，但目前普遍应用于机器人智能建造研究的硬件 KUKA 机器人依托插件 KUKA|PRC 对接 Grasshopper 相对更为顺畅，且 界 面 友 好 具 有 更 灵 活 的 操 作 可 能 性 。 此 外 ， Grasshopper 使用者和二次开发者相对更多，针对虚拟建模与机械臂实际建造之间的衔接有更多研究，具有多种机械臂的新工艺插件及与建构逻辑相对应的形态构建方法。
基于以上思考，在对大连理工大学建筑与艺术学院进行选址调查后，选用建馆五楼楼梯间墙面进行实践建造，验证理论的可行性。选用 Rhino + Grasshopper + KUKA|PRC 作为参数化设计建造的虚拟数字平台;安装有 80mm×80mm 热线工具头的 KUKA 机械臂(型号 R120)作为建造工具;700mm×700mm×250mm EPS 泡沫块作为建造材料。
运用 Rhino+ Grasshopper 在母线运动逻辑确定条件下，选用回旋的闭合曲线作为主导线与次导线，由此生成如蝴蝶标形状部件，并通过控制主、次导线的大小及旋转角度的输入生成四种逻辑相同但形态各异的四种部件，根据线性参数化曲线干扰进行排列，经过数次迭代最终生成如下图所示形态, 如图 4 所示。
将最终的形态以单品部件的方式导入 KUKA|PRC 之中，在电脑中准确模拟实际切割状态，在实际切割前进行碰撞的调整与优化，如图 5 所示。
将模拟成功的可视化路径导出为 KUKA 机械臂可以识别的代码文件，进行实体建造。由于不同文件类型之间的传输等造成文件数据的变化与丢失等各种原因，总结实际建造加工过程中存在的问题如图 6 所示如下：
(1) 曲面设计优化。所设计的部件主要形式为相同基础形态的参数化变形与组织，基础单元的曲面形态由双轨扫掠生成。曲面的两根导线由同形式闭合曲线相互旋转缩放得到，母线为扭转的导线相同点 a 与 a' 的连接线，扭转构成曲面形态的相互交叠关系。总体的切割模块形式以及模块内表面设计相对单一。优化调整策略：首先将原本单层的直纹切割曲面向内偏移 35mm，得到形式更加美观轻薄的扭转环形薄片，同时降低了施工安装难度。其次为体现主要使用模块的参数化特性，在内表面拟合设置凹凸纹理，增添灯光设计下光影视觉效果。(2) 机械臂初始姿态优化。适宜的机械臂初始姿态会对加工过程中入刀路径以及切割路径产生极大影响，应在所有实验建造前进行优化调整。优化调整策略：实验前将机械臂底座与法兰头相对撤离被加工物体，以充分发挥六轴机械臂的自由度;考虑到加工后模块拿取拆分的问题进行入刀口优化，将内外圈入刀口分别设置在导线对角上，在拆分时可减小内部作用力同时进出刀口更加隐蔽。其次模拟调整进刀前偏移点的位置进行进刀口防碰撞优化。最后模拟调整各母线上 TCP 点的比率值，使轨迹线向一侧导线靠近进行切割时的防碰撞优化。(3) 加工程序优化。针对装置形态进行程序可视化设计过程中出现的数据重复使用以及程序复合等问题，将程序中的数据结构进行优化重组，减少可视化程序的非必要步骤，方便程序的后期调用。
4 结语
复杂曲面形态的建造是当今参数化设计领域的难题，如大量形态各异的非标准曲面构件的加工制作、建筑尺度的大型曲面构件的施工安装定位等。文中从非线性曲面建造的工业化快速建造出发，探索了计算机技术下的参数化设计到数字建造模拟再到机械臂工业加工这一流程的可行性，但由于时间及成本等原因，文中设计只采用机械臂的热线工具头进行曲面模板建造，对于其他工具头如铣削、3d 打印等未进行探索尝试，拓展数字技术下工业化建造的更多可能性。
参考文献
[1] 黄蔚欣，徐卫国. 机械臂建造—既有工艺与可编程的精确性的结合—2016 年机械臂建造毕业设计专题介绍[C]//2016 全国建筑教育学术研讨会, 2016.
[2] 王风涛，徐卫国. 数字技术下的复杂曲面建筑设计及建造[C]// 全国高等学校建筑学学科专业指导委员会. 模拟·编码·协同—2012 年全国建筑院系建筑数字技术教学研讨会，2012.
《曲面混凝土模板制造的工业化探索》来源：《低温建筑技术》，作者：康梦慧， 王津红， 强晨阳, 李慧莉
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