Wi-FAB：面向创造性机器人技术的平面关节装配离散构件原型制作应用教育流程

《Buildings》：Wi-FAB: An Applied Educational Workflow for Prototyping Discrete Components with Planar-Joint Assemblies Through Creative Robotics Gon?alo Castro Henriques, Pedro Engel, Victor Sardenberg, Davide Angeletti and Roberto Naboni

　　

匮乏的全球资源以及对不可再生材料的依赖，要求生态化与技术整合的解决方案。在巴西，丰富的木材资源在建筑教育与实践中的利用仍然不足。将相关技能引入课程体系对于推动变革与未来应用至关重要。本研究开发了一种计算与数字制造方法论以重新思考木材的应用，探索协作机器人装配以构建对施工约束的具身认知。巴西建筑木材创新项目（Wood Innovation for Architecture in Brazil, WI-FAB）联合了里约热内卢联邦大学LAMO实验室与南丹麦大学SDU CREATE的机器人技术专长，并将可持续木结构设计定位为一项教学实验。该学期课程检验了设计框架能否将计算、材料行为与装配约束作为教学工具进行关联；强化工作坊则探究了机器人装配如何增强物理-数字工作流并为未来整合提供参考。本研究采用"通过研究进行教学"（research-through-teaching）方法论，包含三个阶段：前期研究、课程测试以及机器人装配工作流测试。前期研究构建了一个包含零件套件、连接类型与字符串语法（string grammars）的教学框架，并在学期课程中进行测试，以支持参数化规则与装配序列化。参与者组装了用作"字母"的构件，其组合形成"词语"进而构成"短语"，在发展计算与建造认知的过程中，将参数化规则通过迭代的设计-建造-测试循环转化为可触知原型。关键成果包括：课程中通过字符串语法验证参数化装配规则；机器人工作坊应用四项标准（装配运动、构件几何与尺寸、构件数量与槽口数量、复杂性与装配时间）评估装配性能与工作流整合。机器人技术激发了物理-数字循环，加速了设计到装配的学习过程，并为全尺度开发提供了参考。WI-FAB倡导可逆装配、材料再利用与循环经济（circular-economy）原则，并为即将开发的Sabiá参数化木连接设计插件做出了贡献。

## 研究背景与问题提出

全球气候变化、资源稀缺以及建筑业环境影响的加剧，推动了建筑实践中对低影响、可再生替代方案的探索。木材作为生物基（biogenic）、可再生且结构可靠的材料，具有显著的生态潜力；然而在巴西，尽管木材资源丰富，其在建筑教育中却长期代表性不足，并在当代建造文化中被边缘化。这一悖论使木材同时成为被错失的机会与潜在资源。弥补这一缺口不仅需要技术准入，更需要在建筑课程中实现文化与方法论的转变，将设计意图与材料逻辑重新连接。因此，本研究的核心问题在于：整合计算设计与数字制造如何能够构建面向木构设计的方法论认知，使学生能够同时将概念设计思维与物理装配原则加以表达。研究假设建筑Python计算（Computation for Architecture in Python, CAP）与平板构造学（Flat Panel Tectonics, FPT）的结合可建立坚实的教学与方法论基础，适用于在六个月教育框架内进行实验性测试。基于这一背景，研究人员建立了里约热内卢联邦大学（UFRJ）LAMO实验室与联合南丹麦大学（SDU）CREATE的国际合作，旨在探究计算设计与数字制造如何支持木构在建筑教育中的整合，并发展木构所需的设计与建造自动化能力。

## 研究开展与核心结论

本研究采用"通过研究进行教学"方法论，分为三个阶段：为期六个月的预备研究与工具开发阶段，产生了零件套件、木连接家族at族及基于字符串语法的编程工具；学期课程实施测试阶段，学生团队使用上述工具形式化聚合规则、快速原型、手工测试装配；以及为期五天的强化机器人工作坊作为调查模块，测试机器人插接与装配干预。该研究包含巴a乃至南美建筑领域最早开展的协作机器人实验之一。

课程阶段发展出基于字符串语法的组合化设计方法，将离散平面构件抽象为"字母"，连接序列抽象为"词语"，完整装配体抽象为"短语"。五个课程小组（CG1-CG5）分别选用共面边对边、倾斜边对边、面对边或相交等不同平面连接类型，采用1:20比例的套件开展设计。CG1"横向"小组使用50片海洋级胶合板套件开发可重构模块化系统；CG2"模块化蛇形"小组以蛇的运动为灵感，沿连续自适应路径放置构件；CG3"新造型格栅"小组受新造型主义（neoplasticism）启发，探索面与虚空的关系；CG4"三角生长"小组基于三角网格定义支持水平扩展与垂直生长的系统；CG5"莫比乌斯环"小组则创造了沿立方体网格缠绕的三维连续结构。

机器人工作坊阶段则通过五项并行案例研究（WG1-WG5）检验装配性能。WG1"木垛"小组开发了支持增量垂直生长和部分拆卸的线性木构件系统；WG2"毛虫"小组探索通过紧密排列浅槽口增加摩擦握持的水平聚合；WG3"十二面体"小组通过混合人机工作流构建正交与斜向聚合的多面体结构；WG4"蝙蝠塔"小组采用梯形几何体研究垂直聚合与方向分化；WG5"剪刀墙"小组则基于中心枢轴连接探究曲线墙体系统。

研究的关键意义在于：WI-FAB建立了计算思维、数字制造与创造性机器人技术相结合的研究-教学框架，通过迭代反馈循环将代码与材料相连接，重新定位木材为数字化原生、精确且可复用的材料。机器人工作坊的快速可重复性与学期课程的概念深度及字符串语法相结合，共同开发了连接制造、装配代码与叙事的统一模块化语言。该研究推动了可逆装配、材料再利用与循环经济原则，并为即将面世的Sabiá参数化木连接设计插件提供了支持。

## 关键技术方法

研究整合了四项核心技术方法：**建筑Python计算（CAP）**——面向建筑的对象导向脚本编程方法，支持交互式参数化探索与脚本化制造；**平板构造学（FPT）**——利用数字制造切割平板以民主化三维连接的技术，通过参数化设计创建互锁木模块；**字符串语法**——先前在"建筑计算：超越盲目人工智能的认知发展"研究线中开发的组合化设计方法，将构件映射为符号序列，支撑生成式探索与自动化生产；以及**协作机器人装配**——采用Universal Robots UR5协作机器人配备Robotiq双指电动夹爪，通过Robots插件（版本1.6.6）生成机器人指令，实现构件抓取与插接装配。

课程样本来源包括：7名本科生（MDA FAR615选修课）、5名高级实验室学生（LAFD FAR532）和3名硕士生（PROURB FAU719），共15人，12人完成课程；工作坊另含3名具有数字制造经验的外部建筑师和4名本科生（其中2名为研究组成员）。参与者均无机器人操作经验。

## 研究结果详述

**预备研究与工具开发**：建立了包含零件套件、木连接类型及字符串语法的教学框架，为后续课程和工坊实验提供技术与概念基础。

**课程成果**：CG1"横向"采用边缘对边和面对边连接，利用套件II开发可重构模块化系统，实现X、Y和对角轴的连接；CG2"模块化蛇形"采用面对面对行和相交连接，沿连续自适应路径放置构件，形成自相似图案；CG3"新造型格栅"采用相交连接，将平面 dematerialised 为带切割口的构件，形成动态通透的格栅；CG4"三角生长"采用面对边连接，定义基于三角网格的连贯系统，通过互锁连接锁定运动保证结构完整性；CG5"莫比乌斯环"采用边对边连接，创造沿立方体网格缠绕并升降的三维连续结构。

**工作坊成果**：WG1"木垛"最终采用十二处半深槽口对称分布的构件，二十一构件组成十层结构，验证了不对称荷载下的稳定堆叠；WG2"毛虫"最终采用十四槽口构件，二十七构件六层组装，实现了控制性悬挑和水平连续性；WG3"十二面体"采用人机混合工作流，六组四构件通过八根对角连接件形成稳定十二面体；WG4"蝙蝠塔"将十槽口简化为Y型六槽口配置，通过重复堆叠生成垂直铰接的不对称空间图案；WG5"剪刀墙"将构件缩小至100×30毫米三槽口，五十六构件四级交错组装成曲线结构。

**比较分析**：工作坊通过四项标准开展比较分析。装配运动方面，WG1、WG2、WG4采用垂直堆叠，WG3采用混合定向，WG5采用曲线装配路径。构件几何与尺寸方面，各组均采用单一构件类型，WG5构件数量最多（56件），WG4最少（12件）。构件与槽口数量方面，组件数量直接影响装配序列、零件识别及误放置风险。复杂性与装配时间方面，WG5的高零件数与曲线路径增加序列复杂性，WG4的大构件和正交堆叠则最为有利。

## 讨论与研究结论

**课程与工作坊的比较**：工作坊强调通过校准槽口和离散构件实现快速装配，优化人机协作编舞；课程则优先在每个模块的结构逻辑中嵌入复杂连接件，产生丰富的空间表达。两者源于同一几何-编码基础，但追求不同：工作坊侧重迭代速度，课程侧重表达深度。工作坊模块仅作为机械原语，而课程将其重构为形式化的字符串语法，支持机器可读蓝图与概念驱动建筑叙事的统一。

**生产工作流**：工作坊中，数字模型驱动UR5机器人垂直插入构件，参与者手工完成水平连接，形成无缝混合工作流；课程中，学生手动制作和测试连接件，迭代优化槽口公差和材料厚度。这凸显了机器精度加速可重复装配，而基于工艺的样机制作促进深度探索性优化。

**局限性与挑战**：研究受课程、后勤和资源约束，限制了数据收集的规模和类型。两组均面临结构鲁棒性与系统灵活性之间的固有权衡：工作坊团队调整槽口几何确保机器人辅助插接可靠性；课程团队校准连接件轮廓以平衡承重性能与铰链式运动。

**未来方向**：深化材料和制造工艺应用，探索连接件的全尺度机器人装配，丰富可重构设计的模块化语言；推进课程体系全面整合、更大规模测试及生命周期评估；强化装配可靠性的标准化指标和增加规模的试点测试，评估结构性能和循环经济影响。

**研究结论**：WI-FAB建立了使用计算思维、数字制造和创造性机器人技术重新思考木构的研究-教学框架。通过设计实验、算法推理和动手原型制作，项目通过迭代反馈将代码与材料相连接，重新定位木材为数字化原生、精确且可复用的材料。方法上，项目分三个阶段运行：结合CAP与FPT的预备研究；实施零件套件、连接族和编程语法的学期课程；以及作为调查干预的强化机器人工作坊。关键成果包括：形式化的字符串语法连接构件与组合装配；结合机器人插入与手工连接的混合工作流；以及管理鲁棒性-灵活性权衡的策略。一系列设计验证了模块化装配、可重复性和可逆连接的方法论。机器人过程加速了设计-装配循环并指向更大规模发展的可行路径。未来应优先推进课程体系全面整合、更大规模测试和生命周期评估，强化结合性定性和定量评估成果，采用装配可靠性的标准化指标并在增加规模下进行试点测试，评估结构性能和循环经济影响。WI-FAB倡导可逆装配、循环经济原则内的材料再利用，并支持即将推出的Sabiá参数化木连接设计插件。