工業4.0不只是傳統制造業，包括各類型工廠的變革。在建筑業越來越具備工業化生產特征的今天，其進化也已經成為工業4．0不可或缺的一部分。

在過去數十年中，數字化、機器人和自動化技術顯著提升了制造業的產品質量和生產效率。然而，在建筑領域，盡管數字化已經成功地實現了自動化設計，但建筑設計與制造之間仍然脫節。

現在一些制造商已經使用創新技術從大規模生產轉向大規模定制，而建筑行業仍然只是采用DFMA（Design for Manufacturing and Assembly，設計制造和裝配）來重復大規模生產標準化的建筑部件。

英國建筑工程公司Newtecnic將數字化和自動化技術融入最新的建筑項目，為我們思考如何推動建筑設計與制造的協同進化，提供了一種范例。

在沙特阿拉伯利雅得的King Abdullah金融區地鐵樞紐項目中，該公司通過無人機、機器人、3D打印、數字孿生等創新技術，實現從概念設計到制造、模塊化構件、外墻和內部設施的工程設計與創新，從而使設計與制造環節無縫銜接，充分保證建筑項目的綠色、經濟和可持續性發展。

本地化建材和人員

Newtecnic公司沒有采用設計——遠程工廠制造——交付——現場組裝的方式，而是通過建筑實驗室，在施工當地建立臨時工廠并部署生產設備，采用當地人員和材料，從而實現建筑材料本地化生產。

這些小型、高效的制造單元專門用于生產大規模定制組件，機器人與建筑實驗室進行互動、生成、交付和安裝新的或需更換的建筑部件。

在公司為沙特利雅得King Abdullah金融區（KAFD）設計的地鐵樞紐項目中，使用機器人和自動化設備進行現場部件生產和維護。

上圖顯示了到2038年，建筑工人和無人機共同維護沙特利雅得KAFD地鐵樞紐的外觀。

公司目前正在監督建筑圍護結構的施工，在此過程中，公司審查并批準了幾個承包商的工程，以確保工程項目高效準確地完成。

公司職責范圍還確保所有建筑構件和制造物在到達現場之前都能得到質量保證，公司通過設計工程為機器人、無人機、3D打印和增材制造等不同類型設計進行維護。

現場工作站

KAFD地鐵樞紐位于人口密集的城區，是包括六條新地鐵線路、85個車站和100多英里軌道在內的全市交通系統的核心，因此，中斷地鐵服務以進行結構維護和改善是非常不可取的。

由于建筑物的圍護結構寬而低，完工后，起重機進入非常不方便，且易造成破壞，成本很高。此外，由于該建筑是城市的中心部分，其設計壽命至少為60年，因此，項目啟動后，自動清潔、維護和更新建筑等問題則是必須要考慮的因素。

地鐵樞紐的封套包括一個模塊化的盒式系統，使用可調節的鋼“蜘蛛”固定裝置，以支撐防水膜上的高性能混凝土面板。

該系統經過精心設計，適用于未來的機器人接入、移動和操作。這意味著機器人引用建筑物的3D數字孿生模型，結合GPS，可以計算建筑立面上的路線和位置。

通過使用機器人負責起重、更換和搬走損壞的部件，使用無人機進行檢查和清潔工作。這種自動化技術提供了更好和更安全的近距離訪問，允許施工人員遠程遙控，從而避開施工現場的危險環境。

KAFD地鐵樞紐的設計旨在利用配備激光雷達和攝像機的小型無人機和機器人來執行檢查工作，從而對建筑物內部隱藏區域進行檢測、監控和精準測量。

通過這種方式收集高分辨率的建筑數據，并配備3D打印機的現場施工實驗室共享數據，從而打印出完全符合結構的建筑部件。

在全球其他正在建設的項目中，這家公司計劃從建筑初期就部署建筑實驗室。通過這種方式，20世紀中期工業時代的大規模生產方法和設備正在被新興的自動化、高度靈活、可控和強適應性的工具設備所取代，并在一線施工現場進行有效操作。

經濟增長

這種工作方式可以推動建筑項目所在國家或地區的經濟發展，有助于減少進口成本，創造當地就業崗位，培訓當地人員技術，并降低繁復的運輸環節和財務成本。

此外，小規模的靈活制造資產很容易在建筑生命周期內擴展，而不是建造一個單用途的DFMA工廠，這需要多年的運營才能盈利。這意味著始終可以使用合適的設備來滿足當前的需求。

隨著建造和維護建筑物產生的廢物正在成為過去，建筑方式的變化對工業和社會都具有重要意義。

據歐盟委員會估計，歐洲所有廢物中有25－30％來自建筑。全球其它地方也類似。建筑廢棄物回收困難，且處理成本高。

數字技術的引入使得施工與其它先進的制造工藝一樣高效，其中精確的零部件數量是按訂單生產的，并保證精準的構建結構和質量規范，確保與建筑結構相匹配，并在生命周期內具有可預測的性能。

新技術的附加值還在于通過定制化，實現無浪費生產，如同現代大規模定制汽車工廠，每個零部件都被考慮在內，沒有浪費。

部署模塊化和盒式外觀設計方法意味著可以輕松修改建筑物，以便當出現新技術時，可以快速應用。未來幾年，高性能混凝土和鋼構件將逐漸發展成為更堅固、更輕、更耐用的材料。

新型建筑材料也將被開發出來，并在現場或非現場快速部署3D打印機，利用新型機器人裝配優化零部件。通過這些方式，建筑商和運營商可以在建筑物的生命周期內，快速適應、更新、翻新以滿足當代需求。

輕量級建筑的未來

20世紀20年代，美國建筑師巴克明斯行·富勒在推廣輕型多功能的Dymaxion房屋時，曾向買家詢問：“你房子的重量是多少？”

現代建筑設計時，也需要詢問同樣的問題，因為每增加一公斤重量，就需要更多的能源和資源來制造，同時，運輸和組裝、施工后的供熱制冷、清潔維護等環節都需要消耗更多的成本。

目前，Newtecnic公司對所有建筑項目進行精確的重量計算，以便準確核算出真實和相應的擴展成本。

在重新利用或回收組件時，計算重量非常重要，這意味著當設計人員確切知道這些組件需要提升多少時，可以更精確地優化具有處理組件能力的機器。

就像不斷更新的電子版用戶手冊一樣，建筑物與其聯接的機器和系統所需的所有信息都可以存于建筑物的3D數字孿生模型中。

從最早的設計階段開始，就可以在云端進行調查、檢查和測試。機器人和無人機的概念將涉及制造、構造和拆卸說明、方法。

這些先進技術的融合表明，建筑業正面臨新一輪的革命，新技術應用將解決傳統建筑業面臨的諸如成本、環境、能源、物流和廢棄物等眾多問題。

適當的技術和建筑思維不僅僅是一個整體，而是可以隨著時間的推移，能夠進行改變、發展和適應的系統，可以延長建筑使用壽命，同時保持與后續設施、服務的緊密聯系。

當創新的想法、高級技術人員與令人興奮的新技術相結合時，會使建筑行業更加靈活、環保和可持續，同時，建造出能夠令人印象深刻的建筑物，增強并改善城市和社會的功能。

如何部署數字化和機器人

有效部署數字化和機器人，涉及到從設計到建造，再到后期維護等各個環節：

使用自動化來彌補設計和制造之間的脫節

為創新和更好的建筑結構提供大規模定制服務

為現場制造部署現場施工實驗室

面向未來的建筑工程的協作機器人

創建數字孿生建筑模型作為生活用戶手冊

在施工和維護期間減少起重機的使用，利用機器人在危險條件下進行重物吊裝

利用無人機檢查建筑物更安全、更準確，而無需腳手架

使用配備激光雷達的無人機與數字孿生模型相配合，進行檢查

通過現場制造和交付組件來減少浪費

計算建筑物重量可以更好地了解建筑物造成的環境影響和真實運營成本