《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Comparative evaluation of robotically assembled discrete lattice systems for sustainable construction
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离散结构体机器人组装技术可持续建造研究：通过比较3D打印混凝土、预制混凝土、钢结构等传统方法与新型voxel结构，验证了机器人模块化组装在降低78%碳排放、缩短工期及控制成本方面的潜力，提出分布式机器人协同作业的高效建造范式。
Miana Smith | Paul Richard | Alfonso Parra Rubio | Neil Gershenfeld
麻省理工学院比特与原子中心，75 Amherst Street，Cambridge，02142，MA，美国
摘要
增材制造可以提高建筑施工的可持续性和效率，但当前的方法仍有不足。连续制造方法（如3D打印）在错误校正、结构完整性和可建造体积方面面临挑战，而基于组装的方法通常需要高精度机械，导致设备成本高昂且复杂，或者需要异地制造。本文提出了一种通过机器人组装的离散结构网格（即体素）作为原位建造方法，该方法对环境影响小，且建造速度和成本具有竞争力。基于体素的结构可以使用分布式低成本机器人进行可扩展和逐步组装。我们对多种体素类型与3D打印混凝土、预制模块化混凝土、混凝土砌块单元、钢结构和木结构在简化的一层建筑中的性能进行了比较。结果表明，与3D打印混凝土相比，基于体素的系统可以将碳排放量减少76%至82%，同时具备竞争力的成本和建造时间，展示了分布式建筑模块组装作为自动化原位建造的可持续途径的潜力。
引言
建筑业占全球能源相关温室气体排放量的38%[1]，这是一个严重问题，尤其是考虑到建筑需求预计将持续增长[2]。数字制造被提出作为一种潜在方法，通过使用更多样化的材料实现更高效的设计，从而减轻建筑对环境的影响[3]，同时提高目前较低的施工效率[4]、[5]。尽管数字制造方法在其他领域（如航空航天[6]）中显示出提高制造可持续性和效率的潜力，但由于建筑结构的庞大尺寸和多变的环境，它们在建筑施工中面临额外挑战[7]。为了在相对非结构化的环境中平衡精度和组装效率，自动化方法往往体积庞大、复杂且成本高昂[8]。这些系统依赖于非常大的机器（如3D混凝土打印机[9]）或重新改造的工业机械臂（如[10]）来管理误差累积和处理重负荷，但这些复杂且不灵活的自动化系统引入了阻碍广泛应用的额外挑战[8]。与此同时，尽管分布式机器人系统的研究已经证明了使用相对简单的机器人建造大型结构的能力，但许多研究并未认真考虑这些系统如何适应实际建筑场景。在这项工作中，我们评估了通过机器人组装的离散结构网格作为原位建筑施工替代方法的可行性。
我们提出的方法是使用机器人组装的架构化网格材料块来形成高效、坚固且自动化的建筑结构过程。架构化网格是一种在给定结构中实现质量有效分布的方法[11]，类似于常用于桥梁或空间框架建造的桁架结构。为了将这些系统应用于微观或宏观尺度之外，可以将规则网格分解为重复的单元格（即体素），然后将其组装成更大的结构，同时保持基本架构化网格几何形状的优势[12]。最近的研究已经展示了米级承重体素结构的机器人组装[13]，而其他研究[14]评估了体素方法与其他建造方法相比的较低碳排放量。这些结果表明，基于体素的方法在建筑施工中具有巨大潜力，机器人体素组装可以提供以下优势：
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由于体素的结构性能，实现材料效率和可持续性优势
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在逐步组装过程中通过连续错误校正确保可靠的建筑精度
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通过增加机器人数量实现高效的可扩展性
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由于机器人和体素的协同设计，资本成本较低，从而简化了机器人系统
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通往完全可重构结构的未来方向
在这项工作中，我们针对简化的一层建筑，将基于体素的建筑策略的性能与现有的建造方法进行了对比。基于现有文献，我们评估了八种体素类型的机械性能和可持续性，并设计制造了一套适用于机器人组装的新体素类型。利用这些体素，我们评估了移动机器人组装系统的吞吐量和成本，以确定基于体素的建造方法的实际时间和成本估算。通过与3D混凝土打印、预制模块化混凝土、混凝土砌块单元、冷成型钢结构和木结构的比较，我们在三个主要指标（碳排放量、材料和制造成本以及建造时间）上发现了体素方法的潜力：与现有建造方法相比，体素方法有可能减少温室气体排放、成本和组装速度；然而，选择合适的网格类型、制造过程和基础材料对于实现任何潜在优势至关重要。我们的主要贡献是对基于体素的机器人建造系统在可持续性、成本和速度方面的效率进行了评估。
背景
背景
在本节中，我们讨论了当前流行的自动化大规模制造的方法。我们涵盖了基于连续挤出的过程（如3D混凝土打印）以及使用静态机器和分布式机器人的组装过程。
方法
我们比较了3D打印混凝土、预制模块化钢筋混凝土、混凝土砌块单元、冷成型钢结构和木结构与多种基于体素的方法，用于一个简化的一层建筑。该建筑包括四面墙和一个屋顶，长度为10米，宽度为5米，高度为3米，如图7所示。为了在每种建造方法中达到类似的完成度，我们在框架和基于体素的方法中添加了外部和内部护层。
结果与讨论
在本节中，我们从可持续性、成本和建造速度方面比较和评估了基于体素的方法与现有建造方法。这些标准反映了建筑决策中的主要环境、经济和物流因素。虽然其他影响因素也与建筑方法的环境可持续性相关，但我们使用了作为衡量标准，因为这一指标被广泛报道，并允许跨系统进行一致比较。
局限性与未来工作
我们在一个完整的建筑级比较框架内评估了基于体素的系统，该框架考虑了碳排放量、总成本和组装时间，这与之前主要关注机械特性[12]、[59]、[60]或建筑环境之外的系统演示[64]、[90]的体素和架构化网格研究不同。尽管已经探索了许多机器人建造系统，但这些研究往往侧重于展示结构、机器人或材料性能[36]、[57]、[91]。
结论
根据材料和几何形状的选择，基于体素的系统能够降低评估的一层建筑的碳排放量。胶合板八元组系统的碳排放量最低，仅为3DCP方法的17%，预制混凝土方法的24%；钢制八元组系统的碳排放量为3DCP方法的36%，预制混凝土方法的52%，同时略微减少了碳足迹。
作者贡献声明
Miana Smith：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。Paul Richard：撰写——审阅与编辑、软件、调查。Alfonso Parra Rubio：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、调查、正式分析。Neil Gershenfeld：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢Patricia Stathatou（佐治亚理工学院，化学与生物分子工程学院）和Caitlin Mueller（麻省理工学院，土木与环境工程系）对这项工作的有益讨论和反馈，以及Anthony Pennes（麻省理工学院，电气工程与计算机科学系）在制造方面的协助。这项工作部分在Autodesk Seaport创新中心进行，作者感谢那里的团队提供的支持和帮助。这项工作得到了麻省理工学院的支持。
