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装配式行业|专题丨大界助力智能建造学科发展实例解析

智能建造学科发展

近十年数字技术的快速发展,深刻地改变着传统知识结构和学科体系,也影响着传统建筑设计与土木工程专业。随着人工智能、算法、物联网和机器人等领域科学技术的突飞猛进,技术发展与传统行业融合逐渐深入,推动建筑业朝着数字化、网络化和智能化方向变革。工程建造正在迈进数字建造乃至智能建造的新发展阶段,产业的变革升级需求反向传导至高校以及职业学校,凸显出人才培养的缺口。

在国家十四五政策的引导下,国内目前已有44所高校与职业院校开设智能建造专业及课程,通过融合机械设计制造、电子信息及自动化、人工智能等专业知识,构建跨学科的知识体系,培养综合性专业人才,促进建筑业的积极变革,解决传统建筑业数字化转型困难的问题。然而由于新的学科建设起步较晚,很多学校都面临着师资、软硬件设备以及相关课程准备不足的情况。

欧洲以及德国高校对于智能建造的学科设计是具有前瞻性的,以瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)和德国斯图加特大学(UniversityofStuttgart)为示范的先进学术机构,分别在2005年和2008年将机器人和计算机技术引入建筑和土木工程学院,并通过数年的发展成为拥有强大师资力量和多学科融合课程的顶级数字建造研究所,培养出一大批能够研发先进技术,并将其运用在规划、设计、建造等领域的硕博士人才,打造多项优秀建筑作品,持续引领着全球建筑科技学术和产业的前沿方向。

近年来,智能建造的课程也在麻省理工学院(MIT)、宾夕法尼亚大学(UPenn)、密歇根大学(UMich)、纽约理工学院(NYIT)、加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)、加泰罗尼亚高级建筑学院(IAAC)、卡内基梅隆大学(CMU)、迈阿密大学(UMiami)中逐步从初期探索走向成熟,这一课程广受欢迎的背后原因正如宾夕法尼亚大学机器人与自主系统的课程负责人RobertStuartSmith教授所说:“新的学科是为了让学生更好的应对建筑行业的快速变化。在不久的未来,自动化、机器人技术和软件设计将重新定义建筑这门学科,老师们应该有强烈的责任感为行业培养能适应技术快速变革的复合型人才。”甚至这一课程也开始渗透进入预科和高中的STEM教育中,例如位于佛罗里达洲的DunedinHighSchool专门开设了ARC(AcademyofArchitecture,RoboticsandConstructionTechnology)课程,为学生提供多元化的学术培养和职业训练。

国外高校实验室(滑动浏览更多)

智能建造的学科发展在海外已经备受关注并且日趋扩大渗透至各级别院校,通过先进的实验室软硬件建设,多学科融合的课程设计以及与建筑企业广泛的产学研项目实践,在行业里形成了梯队化的人才培养体系。

浙江大学智能建造中心介绍

浙江大学智能建造中心由浙江大学土木工程学院委托大界于2018年初步搭建完成,提供在读本科及研究生数字建造基础知识和技术研发的学习及实践机会。大界团队核心成员来自于苏黎世联邦理工学院(ETH),德国斯图加特大学(UniversityofStuttgart),加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)等高校,并且参与过多项国外智能建造实践案例,比如ICDSewnTimberShell、BugaFiberPavilio、DfabHouse等项目。凭借国内外智能建造知识及实践经验的积累,大界同步配合学院构建了对标国外顶尖数字建造实验室的标准化课程体系。

1.实验室建设

智能建造课程建设的核心是数字化建造技术的实践,学生通过运用计算机技术,控制机器人及制造设备,进行材料工艺和建造工艺的数字化实训。大界根据建筑工程学院的教学目标,进行了实验室机器人设备的详细规划设计,并创新性地采用了双机械臂与加工平台13轴联动的方案,在有限的物理空间内为教学实践提供了最大化且最灵活的机器人布局。

双机器人协同热线切割

2018年落地的一期工程中实验室主要功能定位是曲面成型工艺,包含铣削以及热线切割。通过采用ROBIM仿真平台进行双机器人协同工作,达到加工路径耦合、加工时间耦合,实现复杂三维曲面一次切割成型。学生通过上机实操,切实感受智能建造机器人的实际应用,提升对建筑造型设计可实现性的认知。

二期工程进行了实验室的整体升级,为原有的两台机械臂增添了木结构生产执行工具和相关刀库,增添了两台移动式小负载机械臂系统,搭配AR设备,为学生学习机器人制造的相关课程提供了更全面的设备支持,也为接下来多品类建筑材料和数字建造工艺的深度探索打下了基础。2021年进行的三期工程,增添了大界智能3D打印机器人系统及侧挂导轨式装配机器人系统,并同时在教学软件上做了进一步的升级。软件为老师和学生提供了二次开发的接口,可适应不同教学设计方案的研究测试需求。

实验室规划

针对一般教学场景,大界提供的ROBIM软件通过图形化编程可实现更为简单友好的人机交互模式,消除计算机编程、传统机器人编程的学习门槛,并对建造工艺全流程进行虚拟仿真,实现从设计模型到机器人加工程序的自动转化。

针对开发型场景,ROBIM软件提供各类机器人实时通讯、特殊应用接口(如KUKARSI和ROBOTEAM、ABBPCSDK等)以及各类视觉传感器实时通讯接口(3D点云相机、主流品牌线激光、激光雷达、2D工业相机等)。多硬件适配的ROBIM平台可满足师生多样化的智能建造科研需求。

2.课程设计

浙江大学土木工程学院于2018年开设了“数字化设计与机器人建造”的课程,并且邀请大界参与课程的设计。大界基于浙江大学“以人为本,整合培养,求是创新,追求卓越”的教学理念,以普及学科基础知识和增强建造实战经验为目标,鼓励学生通过运用机器人软硬件技术进行建筑设计和建造的创新。

每学期课程主要分为三部分内容:智能建造导论、数字软件教学、机器人建造实践。教学课程引入参数化设计、力学模拟找形和有限元分析等数字化工具,通过ROBIM软件的教学,示范,模拟,帮助学生培养辩证性的以建造为导向的设计思维方式,优化设计提案,深入研究建筑材料(水泥、木材、金属、复合材料等)的材料特性与成型工艺。结合智能建造实验室设备多样化的优势,课程不仅可以锻炼学生在建筑学科、计算机学科和机器人及自动化学科的逻辑思维能力,而且可以助力学生提升智能建造实践技能水平。

经过三年系统性的教学及实践,浙江大学建筑学本科的学生运用智能建造技术实现了对多种建筑材料以及制造工艺的理论研究及创新实践,并培养了他们对机器人和计算机技术的强烈热情与钻研精神。同时一些学生凭借优秀的作品集成功申请到欧美知名学府的智能建造和计算机辅助设计相关的研究生学位。

课程成果

大界智能建造学科建设实践

近三年来,大界与华南理工大学,西交利物浦大学,同济大学,南通大学,台湾逢甲大学等高校相继展开合作,建设智能建造实验室,提供机器人软硬件的维护与升级,并配合专业老师进行课程的设计,逐渐形成了一套面向智能建造新学科的体系化综合人才培养方案,包括机器人设备咨询、智能建造课程设计、人才实训及产学研合作等。

1.机器人设备咨询

大界团队通过前期与实验室负责团队细致地交流与沟通,明确学院的科研发展方向与实验室功能需求后,进行分析以及实地勘察,定制实验室机器人设备方案,针对机械臂、外部轴系统、末端执行工具系统、电气控制系统、ROBIM软件系统等开展专门的选型与设计,最终形成满足不同学科教学需求的智能建造实验室方案。

面向建筑领域不同的细分专业,如设计、土木、室内、景观等,大界可以提供60余项覆盖金属、木材、水泥、新型复合材料等多种建筑材料的增材、减材、等材机器人制造工艺解决方案。教师和学生可以通过使用ROBIM的图形化编程功能实现从虚拟设计到机器人生产的快速连接,完成建筑模型到1:1全尺度建筑打样的建造实验。

2.智能建造课程设计

国外的智能建造课程设置已经趋向于标准化,如宾夕法尼亚大学(UPenn)的StuartWeitzman设计学院在课程中增添脚本、软件以及机器人编程的学习内容以辅助建筑设计。卡内基梅隆大学(CMU)的建筑学硕士课程增添机器人学习和可持续性计算内容。斯图加特大学(UniversityofStuttgart)强调课程必须基于底层逻辑,进行计算机仿生研究与设计,充分发挥材料特性的可编程优势。

大界综合以上高等院校课程建设要点,构建了一套以数字化设计为基础,机器人智能建造为工具,材料及工艺研究为载体,建筑产品功能实现为成果导向的实验室课程教学框架,并重点探索计算机编程在数字化设计流程中的应用、基于新型材料特性的生产工艺的研发以及机器人智能化加工方式的实现等。

3.人才实训及产学研合作

大界在上海嘉定设立智能建造人才实训基地,与学校和科研机构开展产学研的合作,为合作院校的师生提供技术培训和实习工作的机会,并定期组织学校线下参观,举办沙龙活动,建立联接学校与学校,学校与企业之间智能建造学术与技术交流的纽带。

CiBER联盟助力智能建造

2019年,大界与新加坡飞码机器人联合成立CiBER国际建筑机器人产业联盟,吸纳来自全球的建筑龙头企业、建筑科技企业、机器人制造商、软件开发商、材料研发商等,致力于打造行业顶尖的智能建造学术集群,创造建筑科技工作者的技术交流的平台。CiBER优秀成员企业的CEO/CTO会不定期在大界进行技术分享。

大界深知在行业内持续的技术创新来源于学科知识的积累与创造,科技的快速发展也对学校的人才培养提出了更高的综合性要求。大界希望可以和CiBER的技术专家们一起将跨行业的最前沿的硬科技实践传导至各类院校的课程设计和科研工作中,助力行业复合型和创新型人才培养。

智能建造学科的建设任重而道远。未来,大界将携手CiBER持续扩充联盟团队,与政府、高校、企业联合,共同探索智能建造的理论与实践,建设标准化的智能建造课程体系,更广泛地提供建筑行业新型人才的培养和发展支持,为国家建筑工业化目标提供充足的梯队人才和从业人员。

参考资料:

1.https://ita.arch.ethz.ch/the-institute.html

2.https://parametric-architecture.com

3.https://taubmancollege.umich.edu

4.https://archinect.com

5.https://www.design.upenn.edu/architecture/graduate/people/robert-stuart-smith

6.https://www.pcsb.org/domain/3608

大界是中国领先的建筑机器人产品公司,致力于开发建筑领域的智能化工业机器人系统。凭借跨学科的硕博士研发团队,深耕建筑机器人的控制系统、智能算法与人机交互等核心技术,为全球的建筑智能制造行业赋能。

官网:www.roboticplus.ai

联系我们:public@roboticplus.com

地址:上海市宝山区逸仙路3000号2号楼1层

(编辑:奚雅青)

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