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[分享]同济大学袁烽|走向数字时代的建筑结构性能化设计

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走向数字时代的建筑结构性能化设计



袁烽  

同济大学建筑与城市规划学院

柴华  

同济大学建筑与城市规划学院/上海一造建筑智能工程有限公司

谢亿民

同济大学建筑与城市规划学院/澳大利亚皇家墨尔本理工大学


1  数字技术驱动下的性能化转向


1.1  从数字化设计走向数字性能化设计


20世纪计算机技术的引入为建筑学带来了一场空前的技术变革。数字建筑初期见证了一系列以形式生成为导向的先锋思想和设计实践。随着早期技术热情的消褪,纯粹的建筑形式探索由于结构逻辑、建造逻辑等因素的缺失而饱受诟病。近年来,得益于计算机科学、材料科学、机械工程、建筑学、结构学等学科的交叉,性能化设计思维逐渐成为取代纯粹“形式主义”(formalism)的数字化设计方法之一。在性能化设计中,控制建筑形式几何的内在参数在特定逻辑系统控制下与外部因素互动并生成形式。建筑师可以根据预设的性能化目标对感性形式进行操作与优化,从而使原来纯粹自主(autonomous)的形式逻辑具备了新的半自主(quasi-autonomous)的性能化特征。基于对建筑结构性能化(structural performance)、环境性能化(environmental performance)以及行为性能化(behavioral performance)的关注,性能化设计方法为建筑形式赋予了全新的伦理意义。这些性能化目标,既包括更加节省材料、建立与环境更加友好的关系,也包括使人的行为更加贴切与舒适。数字技术驱动下的性能化转向在处理建筑复杂性、可持续性等问题上提供了更加高效、准确的解决方案。可以说,建筑学正在经历着数字性能化设计的转向。


1.2  从数字化建造技术走向数字性能化建构


数字建筑对非线性形式的偏爱是对建筑建造技术的巨大挑战。无论是传统手工建造方式,还是工业化的机械生产方式的建造能力,都无法与数字建筑的复杂性相匹配,从而常常导致“概念与现实之间戏剧性的分裂” 。3D打印、激光切割、机器人建造等数字化建造技术的快速发展带来了建筑建造技术的飞跃。早期数字建筑所忽视的运算生成(computational formation)与物质实现(materialization)之间的裂缝在强大的数字建造技术的支持下得以弥补。但在过去的十年间,数字化建造技术尤其是机器人建造技术所带来的变革早已超出了纯粹的工具范畴,需要更多建筑设计方法、文化去重新思考数字化建造技术会为我们带来怎样的产业化未来。一方面,机器人作为一个开放的工具平台,可以根据材料性能和设计需求定制机器人工具端,这也就意味着更多的年轻一代会成为创新个体,为建筑产业化注入更新的文化内容;同时,随着机器人工具端的加工方式、机器人运动模拟与控制程序输出等过程被整合到数字设计平台上,各种性能化目标已经可以迅速实现物质化加工过程,从而有效促进了数字性能化设计与建筑生产过程的整合。作为“性能化建构”的核心内容,机器人数字建造技术与性能化设计方法的结合正在重塑数字时代的建筑建构文化 。


2  建筑结构性能化设计


2.1  建筑结构性能化设计


结构性能化设计是以结构性能最优为设计目标,通过结构计算、模拟与性能优化过程,寻找具有结构合理性的空间形态的设计过程。建筑学、结构学学科之间的隔阂以及长久以来的教育与实践的专门化倾向,使得结构性能化设计工具仅被用来作为实现建筑师形式梦想的“后合理化”(post-rationalization)工具。当然,近年来随着多种结构性能化软件与建筑设计软件(如Rhino)的插件结合,建筑师运用结构软件进行形态“找形”已经成为在前沿学术研究及设计教学中非常普遍的趋势。建筑师对于结构性能化设计软件的无缝应用,已经实现了结构性能化设计方法的 “前置”,超越了纯粹以数理计算寻求最优解的结构性能化设计,赋予了更多建筑“找形”、功能合理化、文化特征等重要内容。


在设计早期,结构性能化设计的介入起始于19世纪中后期的图解静力学(graphic statics),而20世纪中期的物理模型“找形”实验是建筑结构性能化设计在前数字时代的典型代表。


数字时代的建筑结构性能化设计的发展伴随着结构计算、模拟、优化技术的快速发展。数字计算工具首先被用来处理烦琐的工程计算,结构工程师从繁复的计算中解脱出来,工作重心从性能计算转向设计策略;在前计算机时代难以计算的复杂结构系统,如自由形式的空间网壳结构、膜结构等,可以在计算机的辅助下实现计算、分析和找形;在航空航天、机械设计等行业逐渐发展成熟的形状优化(shape optimization)、拓扑优化(topological optimization)等结构设计技术被引入建筑设计领域,成为设计师进行结构找形的重要工具;与此同时,图解静力学在计算机平台上实现了形与力的双向交互,有效提高了建筑结构设计的自由度。建筑结构性能化设计方法被开发成脚本(script)和软件,与设计平台互连,或者以插件(plug-in)的形式植入到设计平台中,增加了结构思考介入建筑概念设计和形态生成过程的可能性,也为建筑结构性能化设计从学术兴趣发展到实践应用领域铺平了道路。数字化结构性能设计方法正在成为建筑师与工程师之间共通的设计语言,重新定义建筑师与工程师的合作模式。


基于多样化的结构设计工具,数字时代的建筑结构性能化设计能够在形式与性能之间、建筑局部与整体之间建立多样化的关联,使建筑成为具有结构逻辑性的组织系统。


2.2  从数值计算走向结构图解


长期以来,思维模式的差异是建筑师与结构工程师合作的重要障碍:图解思维是建筑师用于构思抽象空间和形式的主要媒介,结构工程师则善于运用数值思维对结构的稳定性和力流传导进行量化分析。作为结构工程师主要依仗的工具,“数值分析法”虽然赋予结构设计过程高度的科学性和合理性,但缺少了结构逻辑与视觉形式之间的有机关联,对设计师而言无疑是一种“黑箱操作”(black box operation)。


数字时代下,复杂的数值计算被打包为结构算法交由计算机处理,在设计平台上,结构算法能够以直观、动态的结构图解将结构性能直接对应于结构的几何形式。在有限元分析中,以连续变化的色阶表征结构性能的分布情况是结构图解的原始表现形式。数字化结构性能图解不仅能够将结构性能以图解的方式可视化,更重要的是在结构性能与建筑几何之间建立了实时交互的关联性。以曲面结构优化为例,基于Grasshopper平台的有限元插件Milipede(千足虫)能够对曲面结构进行有限元分析(FEA),对分析结果进行几何化提取和可视化展示,同时将优化后的主应力曲线附着到曲面上,允许设计师对曲线的密度和粗细进行交互控制 (图1)。


同济大学袁烽|走向数字时代的建筑结构性能化设计_1

1  通过调节应力线的密度控制结构性能在形式上的呈现方式


数字时代的结构性能图解的优势在数字化图解静力学中得到了最充分的体现。图解静力学中清晰的力学表达不依赖于形与力的数值关系,而是依据“形图解”(form diagram)和“力图解”(force diagram)之间的交互关系(reciprocal):形图解代表结构、作用力和荷载的几何形状;力图解表示结构中内力与外力的整体和局部平衡状态 。数字环境下的三维建模技术充分调动了图解静力学的双向交互机制,将结构形式与力流控制整合在一个设计回路中,使建筑师能够对形式和性能进行综合调控。推力线网络分析法(thrust network analysis,TNA)是菲利普·布洛克(Philippe Block)团队基于图解静力学原理开发的拱壳结构设计方法。在操作层面,TNA首先利用形图解和力图解的交互作用找到拱壳结构在水平投影面上的平衡状态,然后通过施加垂直荷载使其呈现为三维推力网格。在此过程中,水平面上的形图解与力图解始终保持交互,而三维拱壳结构与二维形图解始终保持投影关系。设计师可以通过调整形态图解来改变结构的边界条件,或者通过调整应力图解来改变拱壳的内力分布,在初始平衡的基础上进行互动找形(图2)。基于TNA的Rhinoceros插件RhinoVAULT已经成为壳体结构设计的有效工具,被广泛应用于不同尺度的壳体结构中。2016年,袁烽团队设计的江苏省园艺博览会现代木结构主题馆以RhinoVAULT为建筑找形工具,结合机器人建造技术实现了跨度40m的木网壳结构的设计与建造(图3)。


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2  菲利普·布洛克团队通过操控力图解对结构形态进行调节

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3  袁烽团队设计的江苏省园艺博览会现代木结构主题馆运用RhinoVAULT进行结构找形(2016年)


2.3  从结构设计走向数字“找形”


传统数字建筑的结构设计过程是一种“后合理化”模式 ,结构顾问和工程师在建筑师提出的形式概念上,通过繁复冗杂的结构计算为形式概念提供支撑。在过去30年间,Bollinger + Grohmann、ARUP等大型工程顾问公司的快速发展从侧面反映出结构工程师为“后合理化”工作所付出的巨大代价。数字化结构“找形”对建筑工程的直接影响在于建筑师不再自上而下地创造形式,而是通过结构性能生形方法寻找兼具结构合理性与形态美学的形式,而结构工程师也摆脱了被动应对复杂形体的梦魇。


基于三维物理模型的“结构找形”是数字化结构找形的雏形。对于壳体结构、张拉膜结构等特定的结构类型,三维物理模型能够在不需要结构计算的情况下有效地预测足尺结构的性能特征,在创造形态的同时,为形态增添了缜密的力学逻辑。从高迪采用链条和沙袋进行的倒挂实验到海因茨·伊斯勒(Heinz Isler)的倒挂织物模型,再到弗雷·奥托(Frei Otto)采用肥皂泡进行的“极小曲面”(minimal surface)找形实验,物理找形在前计算机时代创造了一批优秀的空间结构。


随着数字时代的到来,计算机强大的计算能力使代数和数值解析方法的潜力得到了充分发挥,“结构找形”从计算逻辑上具备了解决复杂结构问题的能力。在前计算机时代需要采用物理模型找形的结构系统,不仅能够在计算机平台上完成找形,其结构性能还可以被精确计算。自由且精确的数字化结构性能找形设计突破了结构找形与结构计算的分立,为创造高性能的建筑形式提供了可能。日本工程师佐佐木睦朗(Mutsuro Sasaki)从伊斯勒(Heinz Isler)、奥托(Frei Otto)等人的壳体结构研究出发,采用数字技术将结构工程中的敏感性分析应用到壳体结构的设计中,实现了自由曲面形态的混凝土壳体结构的优化找形。采用这项技术,佐佐木睦朗与建筑师西泽立卫(Nishizawa Ryue)合作设计的丰岛美术馆,将力学性能与形式美学完美融合,塑造了浑然天成的空间效果(图4)。


同济大学袁烽|走向数字时代的建筑结构性能化设计_5
4  丰岛美术馆的结构形态优化过程(2010年)


多样化的数字化结构生形算法展现出数字化结构性能找形的巨大潜力。采用数学方程求解空间结构平衡状态的力密度法(the force density method)被广泛用于索网结构、膜结构和张力整体结构的生形设计中,基于图解静力学的推力线网络分析是壳体结构找形的有效工具,而丹尼尔·派克(Daniel Parker)开发的Grasshopper插件Kangaroo,则采用粒子弹簧系统(particle-spring method)为多样化的找形需求提供了解决方案(图5)。


5  袁烽、王祥指导的DADA数字建造工作营采用Kangaroo进行曲线折板结构找形模拟(上),用于指导曲面折板结构的建造(2017年)


值得一提的是,数字化结构找形工具的强大并不意味着计算机能够取代设计师的创造性思考,也不意味着设计师可以不再需要结构工程师或顾问。正如帕纳约蒂斯·米哈拉托斯(Panagiotis Michalatos)所言,结构分析和找形的结果“需要大量的努力和解释才能达到一定合理的程度” ,而建筑师的创造性思考和工程师的专业知识无疑是对数字找形进行“解读”和合理化的关键。


2.4  从结构分析走向渐进优化


有限元法(finiteelement method,FEM)是伴随着计算机技术的出现而迅速发展起来的现代结构计算方法。与其他结构算法相比,有限元分析的强大之处在于其计算精度高、适用性强,被广泛应用于航空航天、机械制造等行业。在建筑领域,有限元法早期主要被用于结构分析,通过对特定形式进行结构性能计算,找出结构的薄弱环节或问题区域。基于有限元分析的结构工程软件是结构工程师的主要分析工具,市场上ANSYS、ABAQUS、Altair等有限元软件为结构工程师的工作创造了良好的条件,但同时这些软件的专业性与复杂性也将建筑师排除在结构模拟过程之外。


事实上,由于性能分析与评估是决定工程决策的主要因素,因此结构性能优化一直处于工程学科的核心位置。从20世纪中期以来,轻质结构设计致力于用最小化的结构质量创造最大化的承载能力,是结构性能优化设计思维表现最突出的领域之一。在当下材料资源短缺、环境影响以及技术竞争等多方压力下,更轻质、更低成本且能可持续发展的建筑结构变得尤为重要。基于有限元法的结构拓扑优化能够在设计空间中优化材料分布,在满足一定的结构性能指标(总体稳定性、强度和刚度等)的前提下寻找结构最优的拓扑形态、形状和尺寸。不同于传统意义上的结构尺寸优化或形式优化,基于有限元分析的拓扑优化能够从根本上改变初始结构形式的拓扑关系,从而创造出新的结构形态,实现了有限元从结构分析到结构优化的转化。借助拓扑优化法,建筑师和结构工程师可以在初始设计阶段,依据设计需求寻找结构性能高效的建筑形式。


渐进结构优化法(evolutionary structural optimisation,ESO)是澳大利亚工程院院士谢亿民在过去30年研发的拓扑优化算法之一。基于拓扑优化逻辑,渐进结构优化法能够逐步从结构体中去除低效材料,从而逐渐衍生成最优的最终形态 。在之后谢亿民团队提出的双向渐进优化法(Bi-directional ESO,BESO)中,材料根据受力情况既可以在低效区域被删除,又可以在高效区域被增加,进一步提高了优化过程的可靠性与快捷性。结构渐进优化法可以与商业的有限元分析软件进行互连,如ABAQUS和ANSYS,同时它还可以和Rhinoceros和Maya等计算机辅助设计软件整合使用。渐进结构优化法将多种复杂结构问题简化为直观的形式操作,为创造新颖高效的结构形式提供便捷的工具。


渐进结构优化法(BESO)的强大功能使其具有广泛的适用性。在马克·贝瑞(Mark Burry)团队与谢亿民合作对圣家族大教堂(Sagrada Familia Church)的建造研究中,渐进结构优化找形的结果与高迪的设计手稿具有惊人的相似性(图6)。日本建筑师矶崎新(Arata Isozaki)与结构工程师佐佐木睦朗合作,运用双向渐进优化算法生成了卡塔尔国际会议中心(Qatar National Convention Centre)自由形态结构设计(图7)。2015年,袁烽团队设计的上海Fab-Union Space展馆采用双向渐进优化法对核心交通空间进行了形态找形,被直纹曲面(ruled surface)所拟合之后的建筑空间成为将力流传导、美学表现以及建筑功能有机融合的整体(图8)。



6  谢亿民团队采用BESO对圣家族大教堂受难门的找形过程(2004年)

7  采用BESO算法“找形”的卡塔尔国际会议中心

8  袁烽团队设计建造的Fab-Union Space 展馆采用BESO算法进行核心交通空间的找形过程(2015年)


3  建筑结构性能化美学


建筑结构性能化设计方法并非以一种新的美学范式的姿态出现,随着数字建筑领域对性能化设计的关注,以及相关研究和实践项目的广泛开展,建筑结构性能化设计因素逐渐在数字建筑形态上留下了痕迹。一种建筑结构性能化美学愈发明显地显露出来。


3.1  基于结构优化的形态仿生


随着“优化”“进化”的观念逐渐成为结构性能化设计领域的主导思想,结构优化过程常被类比于生物形态在漫长的进化过程中不断适应环境的过程。渐进的结构优化是通过反复迭代和演化实现“最优解”的过程,场地、结构需求、功能布局、建造约束等条件成为形态“进化过程”中“自然选择”的指标,共同作用于几何形态的演化。尽管基于结构优化的形态仿生并不是对自然界有意识的模仿,而仅是一种观念上的仿生,或者说过程仿生,但是大量的研究案例表明,人工优化后的结构形态往往与生物形态具有极高的相似度。在一个利用ESO算法进行形态优化的样例中,一个重力作用下的悬挂物体被逐步去除低应力材料,获得一个表面应力分布均匀的形态,最终形态类似于一颗自然生长的苹果或者樱桃(图9)。无独有偶,卡塔尔国际会议中心支撑屋顶的巨型结构是采用双向渐进结构优化法生成的结构形式,结构形如两棵相互交叉的大树,被认为是源于当地的“锡德拉树”(sidratree,图7)。实际上,人工优化的结构与自然结构之间的相似性在图解静力学时代便已显露出来,被称为“图解静力学”之父的卡尔·库曼(Karl Culmann)发现了人大腿骨上端的骨小梁的海绵状结构与起重机结构主应力轨迹的相似性(图10)。这种相似性源自于深层机理的相似性,从而基于结构优化的形态仿生,从一个侧面证明了结构性能化设计的有效性。



9  通过ESO算法模拟物体在自重下悬挂在空中的最优形状

10  起重机结构(左)和人体骨小梁(右)的主应力线分布对比


早期数字建筑追求通过与“球状(bolb)”“折叠(folding)”“拓扑曲面(topological surface)”形式概念寻求与自然环境的融合。相比于无缝流动的早期数字建筑与自然形态的相似性,结构性能化设计从更深层次上与自然界取得了联系。从而,结构性能化设计的有机形态,以及将建筑设计过程作为一种人工进化过程的观念,仿佛使结构设计成为了自然的一部分。从这种意义上讲,结构性能化设计是一种向自然状态的回归。


3.2  性能渐变(performance gradient)与形式微差(geometric gradient)


有限元结构分析结果呈现为色阶的连续渐变,用来表征结构性能的连续变化。在结构优化设计中,结构性能与建筑形式的交互使性能的连续变化呈现在形式的连续变化上,为连续材料分布的柔性结构和无缝结构的设计提供了参考依据。而增材打印技术的发展为连续渐变的实现提供了技术基础。扎哈事务所设计的一把椅子采用了有限元法对椅子的结构进行分析,通过调整材料的密度分布优化椅子的结构性能,借助多颜色、多材料增材建造技术实现了椅子的建造,最终椅子呈现出美学与性能的有机融合(图11)。在袁烽指导的一个课程设计中,学生采用类似的设计思路,通过机器人增材打印技术实现了材料密度的连续渐变(图12)。这种探索不仅展现了结构性能化设计的全新美学,无疑也为结构设计提供了全新的思考方式。


11  扎哈事务所设计的3D打印椅子(2014年)

12  袁烽指导的学生作业:采用机器人增材打印技术将拓扑优化结果转化为打印椅子材料的连续变化


在参数化的设计系统中,结构更多时候会被离散为有限的结构单元,单元之间通过参数控制实现形式关联性。在结构性能的影响下,单元之间通过形式微差实现了单元形态与局部受力状态的统一,单元与单元的组合共同拟合出结构整体的性能和美学。这种单元化或周期性的结构被广泛应用于数字建造研究。斯图加特大学计算研究所(ICD)/建筑结构研究所(ITKE)2013-2014年度的研究展亭由机器人缠绕的碳纤维结构单元组成,其中每个单元的纤维排布方式与结构单元的局部性能直接相关,单元的连续变化取得了复杂而多样的视觉效果(图13)。同样在谢亿民团队设计的一个周期性结构步行桥方案中,整座桥在水平方向被分为10个单元体,在截面周长方向分为6个单元体,然后通过双向渐进结构优化得到单元形态的连续变化,实现了视觉和结构上的创新(图14)。



13  2013-2014年度的ICD / ITKE研究展亭

14  谢亿民团队设计的周期性步行桥结构混凝土原型(上)与方案(2007年)


3.3  建筑结构同质化(homogeneity)


如果将目光集中到建筑与结构之间的关系,结构性能化设计正在带来一种同质化倾向。回顾建筑与结构的历史,结构曾经作为建筑本身,比如20世纪大量的薄壳结构中结构即是建筑,结构也曾经作为表现性因素出现在高技派建筑师的实践中,但更多时候结构被藏在建筑形式背后,仅作为支撑物而存在。


与传统设计中支撑结构与非支撑构件的明确区分不同,结构性能化设计中两者之间的边界正在变得越来越模糊。随着多材料增材建造技术(multi-material additive manufacturing)的发展,结构与非结构可以仅是同一连续体中材料密度的连续变化。上述扎哈事务所设计的椅子便是这种同质的连续体的典型。不再有表皮与结构的区分,甚至也不再有结构与非结构的差异,建筑与结构呈现出一种同质化的倾向。即使在上文谈到设计的离散化时,建筑也并没有被分解为结构部分与非结构部分。相反,结构单元以不同的形态在整体结构中承担不同程度的结构作用,单元之间的差异仅仅在于结构作用的大小。在哈里·奥克斯曼(Neri Oxman)的作品中,这种同质化的倾向表现得尤为明显,在结构原型Monocoque中,多标量(multi-scalar)的荷载条件下的材料密度被用来表现结构皮肤(structural skin)的概念,表面上剪切应力(shearstress)和表面压力(surface pressure)的分布体现在脉络状元素的分配和相对厚度中(图15)。这种同质化的设计和建造方式被称为“可变属性设计建造”(variable property design fabrication,VPD)。从这一意义上,建筑与结构实现了比以往任何时代都更加紧密的交融。



15  结构表皮的原型Monocoque(2007年)


4  建筑结构性能化建构


4.1  从形式微差到批量定制


结构性能化设计的发展与数字建造技术密不可分。数字建造技术摆脱了工业化的标准生产模式,使非标准构件的大批量定制化生产成为可能。在数字化结构性能生形设计中,性能优化带来了异质性、多样性等几何属性,不仅表现为整体或单元形态的非标准化,也体现在单元数量的激增。数字建造技术的批量定制能力成为结构性能化设计得以物质化的必要条件。基于参数化操作模式,数字建造工具和性能化设计方法能够被有机整合,使设计与建造真正成为一套连续完整的系统。从经济性的角度而言,数字时代下非标准构件的批量生产能够像生产标准化构件一样经济高效。


过去十年间,机器人建造技术的引入和快速发展无疑是数字建筑的一次伟大变革。类似于计算机软件平台,机器人提供了一个具有高度精确、开放和自由的工具平台,通过定制工业机器人末端效应器,机器人可以执行类型迥异的作业任务。机器人无限执行非重复性任务的能力使非标准结构单元的大批量定制化生产成为可能,从而形式的内在性能被顺利转化为材料建造。ICD/ITKE精心设计并建造的展亭展现了机器人建造技术的强大的批量定制的能力,同时也展示出数字建造技术的建造能力在结构性能化设计中的积极作用。


4.2  结构性能化设计与增材建造技术


增材建造技术尤其是3D打印技术的发展赋予结构性能化设计以更高的灵活性。一方面3D打印材料从PLA、ABS等塑料材料拓展到了金属和复合材料领域,大大提高了3D打印结构的性能;另一方面,3D打印技术突破了单一材料的局限,不仅可以将材料以不同的密度分布呈现出来,也可以将不同特征的材料根据设计需求整合在一个连续体之中。增材建造技术的进步启发了结构同质化、“柔度渐变”等设计思想,有效推动了结构性能化设计方法的进步。在谢亿民参与的一项研究项目中,金属增材打印技术与双向渐进优化法被用来设计建造复杂结构连接节点,展示出增材打印技术在数字建筑中的应用潜力(图16)。然而不可否认的是,当前3D打印技术的效率以及经济性仍然难以满足建筑结构尺度的需求。



16  谢亿民团队用BESO设计与3D打印的金属节点(2015年)


粘合剂喷射打印技术(binder jetting technology)和机器人增材打印技术为大尺度结构性能化设计的建造提供了经济、高效的解决方案。大尺度粘合剂喷射打印是在打印粉末时通过数控喷射的液体粘合剂将材料逐层粘结成形的增材打印技术,可以用于任何可以粘合的粉末材料,如水泥、塑料、陶瓷、金属、沙,石膏等。工业级的沙子打印机以0.1mm的精度打印8m³的体量,常常用于铸造业领域金属模具的生产。苏黎世联邦理工学院(ETH)的一项研究采用大尺度的粘合及喷射打印技术进行沙子打印,用来生产复杂形式的结构构件或混凝土模板。项目采用拓扑优化技术设计了两个纯压力的楼面板结构(由于目前3D打印沙子抗弯性能不足,因而研究被局限于纯压力结构的打印),并采用3D沙子打印实现了1:1尺度的原型建造,充分证明了这项技术在大尺度结构打印领域的有效性和潜力(图17)。



17  3D沙子打印技术和3D沙子打印的楼面板结构原型


机器人的空间运动能力能够有效提高增材打印的效率,同时开创性的机器人空间打印技术相比于传统层积式打印进一步优化了材料使用。通过定制机器人工具端,机器人增材打印可以以金属、陶土、混凝土等建筑材料作为打印材料,为大尺度空间结构的增材建造铺平了道路。在2017上海“数字未来”活动中,机器人3D打印步行桥项目将机器人增材打印与结构拓扑优化技术相结合,对建筑尺度的增材打印技术进行了实验探究。该项目包含一大一小两座步行桥,使用机器人改性塑料打印技术建造而成,其中小步行桥为整体打印,跨度4m,桥体总长6m,大步行桥采用分块预制模式,桥体被分为8块,跨度11m。项目采用拓扑优化法优化材料分布和用量,然后采用机器人建造技术在两周左右时间实现了两座桥的预制化生产,充分验证了机器人增材打印技术的巨大潜力(图18)。



18  袁烽、孟刚团队在上海“数字未来”暑期工作营完成的“机器人3D打印步行桥”项目(2017年)


5  结语


数字时代的建筑结构性能化设计是一种数字技术驱动下的设计变革。性能化设计技术、数字建造技术作为延伸建筑师与结构工程师协同范围的重要工具,使设计师在驾驭全新的性能美学的同时提高项目的可建造程度。结构性能化设计通过整合结构、形式与材料,更好地推动了建筑与结构设计的互动融合。可以预见的是,数字时代的结构性能化设计作为建筑师与结构工程师、形式与结构、图解与数值之间不可或缺的桥梁,无疑将会打破建筑与结构的设计边界,使建筑学与结构学在“性能化建构”中实现全新的统一与融合。随着全新数字建构文化的发展,建筑机器人、3D打印、智能建造技术的不断提升,建筑结构性能化技术正在为未来建筑产业化升级积聚能量,相信在不远的将来,建筑结构性能化技术必将为建筑产业的数字化、智能化转型提供重要的支持。


( 正文完。原文刊载于《建筑学报》2017年11期,总第590期,如转载须在篇首注明作者及出处。更多详图细节请见纸刊。


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 当前离线   发表于2018-01-19  | 只看该作者      

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建筑结构性能化建议~

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