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多媒体亭数字化建造过程.rar

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    编号:20181101170524100    类型:共享资源    大小:9.62MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    多媒体 数字化 建造 过程
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    信息手工艺多媒体亭数字化建造过程姜南栋栖建筑设计(上海)有限公司http://dong-qi.netjn@dong-qi.net摘要:本论文以探讨如何成为在信息时代穿梭于现实与虚拟世界的手工艺者(Informational Craftsman)为出发点,通过一个全程使用数字信息串联设计与建造过程的多媒体亭项目来实践作者的观点。于 2013 年至2014 年间在苏黎世设计并建造的多媒体亭项目由作者在苏黎世联邦理工大学参与完成,是一个将时间的维度物质化为一个铝制构造物的实验。项目开始于法兰克福 Städelschule 学院与位于伦敦的机器人加工公司 RoboFold 合办的一个设计研讨会,用卡纸进行了复杂曲面折纸原型的研究,将折纸的原理与过程数字化并在计算机中模拟,最终优化为可以使用机械臂完成的折叠原型。在苏黎世联邦理工大学,项目开始于对数学流形卡拉比–丘流形(Calabi –Yau manifold)的研究,通过算法在计算机中可视化数学模型并选择最初形态,之后分析形态并将复杂曲面优化为可以使用机器人建造的折叠构造,使用数字技术分析并优化结构受力、节点构造、建造过程并最终使用数控设备和机械臂完成整个项目的建造过程。关键词:信息;亭子;折叠;机械臂;数字建造 Informational CraftsmanshipThe construction process of multimedia pavilionJIANG NanDongqi architects Shanghai Ltd.http://dong-qi.netjn@dong-qi.netAbstract. A practical project whose full cycle from design to production was conducted on a digital platform (from algorithmic design, digital analysis to digital fabrication concatenated by information) is an experimental realisation of the theory – informational craftsmanship. Space time model Calabi–Yau manifolds is the initial mathematic prototype of the design. The final architectural form was the result of an analysis of the material properties and engineering calculations, taking into account local climatic conditions. This indicated a design preference for a domed form in order to neutralise the dominant factor of snow loads. Co-operation between the architects, engineers and biologists made possible this combination of natural beauty and architectural aesthetics. Keywords. Information; pavilion; fold; robot; digital fabrication信息手工艺二十世纪末是关于信息的数字化,二十一世纪则是关于虚拟世界与现实世界如何建立更加复杂的关联。物质世界中的空间和建筑形式可以充当一个原型去建构一系列虚拟的信息空间,一系列信息结构同样可以作为原型构建物质世界中的空间和建筑。在现实世界的历史中,建筑师与手工艺者一直保持着尤其紧密的关联。然而如今的信息时代,传统意义上手艺的存在已经成为一个悖论和广泛讨论的话题。由此笔者提出信息手工艺的概念,可以同时漫游于虚拟和物质世界中的信息手工艺。信息手艺人通过训练获得相应的显性知识(explicit knowledge)和信息时代的隐性知识( tacit knowledge),将抽象的信息世界中的建造与现实空间中具象的建造平行进行。因此,作为信息手艺人除了通过传统的途径,既在同一时刻训练他们的手和大脑来获得隐性知识,一双信息世界中的虚拟手也需要同时接受训练。在虚拟的信息世界中,无论复杂程度的高低,所有信息都建立在两个基本单元上:零和一,最终整个世界被浓缩为它在信息世界中的本质,物理世界中的复杂性已经被彻底平质化。信息手工艺人需要具备将比特和原子平滑地相互转换的能力 ,最终达到物质化和虚拟化可以轻松地置换与循环的状态。赛博格(Cyborg 即机械化有机体)是 20 世纪 90 年代的文化产物,今后世界将更多依赖于可编译物质(programmable matter) 。Neil Gershenfeld( 2000)曾预测可编译物质将包含它们自身的意识。虚拟世界和物理世界的逐渐融合将会是一个漫长而微妙的过程,在过去几十年间人类与虚拟世界的交互方式已经发生了巨大的飞跃。信息技术不仅仅延伸人类的大脑,更重要的是在物理和虚拟的世界中同时延伸了人类的大脑和双手。三十年前,当 CAD 最早进入建筑领域代替人手绘图时,这个强大的工具可能在很多方面被错误或者不恰当的使用。不恰当使用的原因在于使用 CAD 的建筑师让机器通过拓展的方式来获得他们的经验,而他们自己仅仅成为被动地见证者或者 CAD 拓展能力的消费者,并没有真正参与到 CAD 程序运行的底层(Richard Sennett,2008;The Craftsman, 2008)。就像其他与实体有关的具象实践中,建筑草图常常作为表达可能性的图像。在通过手来具象化并逐渐完善设计思路的过程中,建筑师所执行的就像一个网球运动员或者演奏家所做的,深入地参与其中,日渐成熟地掌握要领。“这是典型的手艺人的做法。思考和执行发生在同一时间点,你绘制草图的同时你在设计,再绘制草图…这是重新审视。继续绘制草图,重复,然后再重复。( Edward Robbins,1994; Why Architects Draw,1994)”错误使用 CAD 导致的现实却是电脑知道答案,但是操作者并不可预测答案。在这种情况下手艺人因此丧失了成为手艺人的基本要素,信息不仅没有延伸手艺人的大脑和双手,相反恰恰阻断了大脑、双手和双手控制的工具之间本应形成的环路。所谓信息手艺人则必须理解信息处理的最底层逻辑,将信息同时作为大脑、手和工具的延伸并将彼此串联在一起形成循环。信息手工艺是在由信息控制的机器的丰富性和温和的人性之间的一种调和,甚至允许理解并掌握这种手工艺的建筑师尝试无法用传统平面图纸表达的复杂性。传统意义上,只有通过不断弄脏双手,通过草图、模型等等实践,隐性知识才有可能被掌握,对于信息手艺人则被原子构成的物质世界弄脏双手已远远不足,必须同时在虚拟世界中被比特弄脏“双手”。因此,一个以时间为出发点,全程使用数字信息串联设计、优化与建造过程的多媒体亭项目被用来实践信息手工艺这个概念。通过算法在计算机中可视化数学模型并选择最初形态,分析形态并将复杂曲面优化为可以使用机器人建造的折叠构造,使用数字技术分析并优化结构受力、节点构造、建造过程并最终使用数控设备和机械臂完成整个项目的建造过程来探索信息手工艺。时间多媒体亭开始于对建筑学与时间的思考,通过与建筑师,工程师和数学家的最初的讨论,一个数学物理学中关于可能的维度并结合了对人类行为的预测和美学的表达的假设被提出。在这个过程中产生了一些奇异且特别的结果,由此唤起了笔者对这个概念更多细节思考的兴趣,例如时间对建筑设计中的空间美学意味着什么。这让笔者产生更多的兴趣去研究 19 和20 世纪的科学,进而发现在数学,物理和哲学中的一些特定差异。时间作为一个数学对象以及熵作为一个热力学对象有和美学在建筑设计中同等的地位。一个相对简单的概念被提出——时间或许可以不被考虑成时间的矢,而是在某些特定情况中浮现出的维度流形(manifold)。维度时间的时刻的属性应该是一个环路,这一环路发生在时空流形中的一个特定点,成为一个能够离开并返回该点的路径。概括来说,一个连续的空间贯穿流形,以便大量的端点映射到不同的特定点。这个具有空间属性的多维度时间的概念超越了物理和数学的范畴,隐含着与美学的呼应。通过引入时间的概念,时间成为建筑的一个参数,它是不能被预设的,并且应当区别于目标时间。这与美学有关,是由空间时间和其他种类的时间相交叉而形成,它们在一种双向同时的状态下进行,并最终在无序中达到平衡。平衡和熵有直接的关联,建筑设计中的美学也可以看成与熵的衡量具有同等的重要性。此外,除了仅仅成为静止形态或者一系列表达形态的平面和剖面的传统建筑图纸,建筑设计可以被认为与电影有更多共同点——一系列表达时间坐标,持续悬停在过去和未来间的片段画面。创造一个美学的层级对表述这个想法非常重要,甚至可以拓展到建筑学以外的艺术和媒体领域。一个不可见的层级应该被创造来以合并所有这些美学领域成为一个新的领域。这个领域不仅需要在计算机科学、工程学和美学间创造一个简单的连接途径,还需要思考如何建立一个不可见的,抽象的信息途径。这些观点和相关联想可以在不同领域影响建筑设计的发展。数学流形(manifold)卡拉比 -丘流形黎曼几何引导出所谓的复杂流形,如黎曼面和卡拉比-丘流形(Kodaira,K., 2008; Complex Manifolds and Deformation of Complex Structures,2008)。卡拉比-丘流形(图 1),也被称为卡拉比-丘空间,是一种描述于数学中的一个特定分支的多维空间流形。 卡拉比-丘流形的特性在理论物理中也有所应用,尤其在超炫理论中,时空的额外维度有时使用 6 维的卡拉比丘流形来推测,从中引出了镜像对称的几何学概念,镜像对称是弦理论的起源之一(Greene, 1997; String Theory on Calabi-Yau Manifolds, 1997)。图 2 显示了在欧几里得空间中表达卡拉比—丘流形的一套 IronPython 算法,这套算法可以将 n 维的卡拉比-丘流形在 3 维建模软件 Rhino 中信息化并表达。多媒体亭的最初虚拟形态即通过这套算法生成。亭子Jean Prouvé 曾回复 Robert Le Ricolais 说 :“我也是一个建造者, 对我来说没有任何可能去画一根不是为了建造出一些东西的铅笔线。(Peter Sulzer 2000; Jean Prouvé - Complete works,2000)”建筑已经被逐渐极化为两大阵营:厚重而持久的并且功能上已被具体限定的实体和轻盈、具有时间性并且功能上模糊和片段化的亭子。由此一个多媒体亭项目被选择为信息手工艺的实践对象,在实践过程中的每一个信息单元都是以在虚拟和物质世界中可以被建造出为基本图 1:左: 5 维卡拉比 -丘流形 右: 10 维卡拉比 -丘流形图 2: 卡 拉 比 —丘 流 形 的 一 套 IronPython算 法 原则,通过在物质和虚拟空间中不断制作等比例模型,装置或者任何其他种类的等比例测试,同时通过绘图、编程以及优化、测试得出一些未知或者及时的想法。在物质世界中以传统建筑形态存在的多媒体亭是一个对时间的探索物质化的结果,卡拉比-丘流形是最初的数学原型(图 3)。最终的建筑形态则基于对材料特性和工程计算的分析,并考虑到建造地点苏黎世的自然气候条件。这些分析在信息的串联下生成一个异形拱结构,可以实现风荷载和雪荷载的最小化。在数字化信息流中建筑师和工程师创造出了一个建筑美学与自然环境和谐共存的可能。尽管具有不同寻常的连续空间形态,多媒体亭依然呈现出贯穿于古典设计元素中的黄金比例法则。依据毕达哥拉斯的理论,正五边形代表数学完美,其自身就蕴含着黄金法则(图 4)。机器人Marshall McLuhan 曾指出: “我们塑造我们使用的工具,然后我们的创造出来的工具重新塑造我们。 (John M. Culkin ,1967 ;A Schoolman’s Guide to Marchall McLuhan,1967)”镜像工具是让我们可以思考自己的器具,镜像工具分两种:复制人(replicant)和机器人。机器人是我们人类自我的加强存在,它更加强壮、速度更快并且重来不会疲倦。至今我们仍图 3:卡拉比 -丘流形算法分生出的家族图 4:左:无限循环的边界线 右:多媒体亭的初始形体然参照人类的行为模式来定义机器人的功能,机器人就像游乐场里的一面镜子,将人类的信息存储容量爆炸性地扩展。6 轴工业机器人被选择为多媒体亭的制造工具,作为人类创造出来的工具它自身成为人类手的镜像,同时还需要根据任务设计机器人所使用的工具,这本身便形成了自指(self-reference)。通过数字化信息可以直接控制机器人从而控制机器人使用的工具来加工现实世界中的物质,这是信息手工艺的一个典型实践,现实和虚拟世界被神经网络般链接在一起,形成反科层化、解辖域化、反组织化、反固定意义、反系谱学的根茎(rhizome)。建构方式Jean Prouvé 曾指出: “在实现一个项目的过程中,被使用的技术应由科学来评估 …学习并掌握每一种材料的性能和它们可能被加工的方式是非常必须的 ...通过实践最前沿的技术去找寻设计灵感并做出决定 …设计师马上执行它们的想法是非常重要的 ...同样与加工工人们的交流以及他们的观点也是非常重要的 … (Peter Sulzer,2000 ; Jean Prouvé - Complete works,2000)”折叠在建造方式的优化过程中,项目选择了折叠作为基本原型,并发展了两种构造模式。分别为由两台机械臂协同完成的曲线折叠方式和可以由一台机械臂完成建造的直线折叠方式。 项目过程中尝试发挥折叠作为一种塑造形体的方式在建筑设计、工业设计中的最大潜能。这种折叠行为物质化德勒兹的“折叠”理论,于是它便与图解技术和数字形态生成协同并最大程度地物质化设计和建造过程,实现方式是通过连续性、弯曲度、平滑分层和对平面的处理(Vyzoviti, S.,2003 ; Folding Architecture ,2003)。设计过程如下:1,由卡纸表面开始原型研究;2,通过不同方式对卡纸表面进行不同处理(切割、划痕、折叠、扭转、旋转、揉、翻、旋转、褶皱、拉、推、包裹、刺、铰接、打结、编织、压、扯、展开)来形成相应的形体;3,分析折纸原理,通过算法在电脑中模拟折纸过程,并将原理信息化;4,通过信息技术分析不同折纸方式的结构和材料性能;5,使用真实建造材料制作研究模型——铝板和其他金属板材;6,通过电脑中的算法将符合结构性和材料性要求的折叠原型附着于基于卡拉比-丘生成的复杂曲面的表面;7,建造一比一尺寸的亭子。在法兰克福 Städelschule 学院进行,由苏黎世联邦理工大学(ETH Zurich) 与位于伦敦的机器人加工公司 RoboFold 合办的计研讨会中,首先进行了大量折纸原型研究,探索纸面不同操作原理的可能性并筛选符合多媒体亭项目所需材料性和结构性的可能原型(图5)。在充分理解物质世界中折纸的原理后,在三维建模软件 Rhino 中通过算法模拟折纸过程(图 6)。构造方式 1 曲线折叠线 (曲线折叠金属)通过电脑算法分析、优化曲线折纸的原理并模拟折叠的过程,传递信息给两台工业机器人协同折叠铝板(图 7 右)。通过算法将所选定折纸原型信息化后,这种折叠原理继续发展成为可以自我附着于输入的复杂曲面之上的一套算法,通过调整信息的输入可以改变这种折叠原型的所有属性,例如折叠线的弧度、折叠的角度、方向、折起面的外轮廓等等(图 8)。这是在不适用信息技术的情况下几乎无法实现的任务。图 5:左、中:卡纸折叠实验 右:金属折叠实验图 6:通过算法模拟折纸过程图 7:左:曲线折叠金属 右:两台机械臂协同折叠金属图 8:调整参数,将曲线折叠原型生长在多媒体亭的初始复杂曲面上建构方式 2直线折叠线不同于曲线折线,第二种建构方式使用算法来模拟多边形的生长,在多媒体亭中绝大部网格单元被控制为四边形。多边形的端点附着在多媒体亭的基础复杂曲面上,同时整个网格自身可以优化每一个单元的尺寸和单元间的折叠角度。这个原型最终被选择为制作等比例的多媒体亭(图 9)。在一比一的真实材料局部试验中,特定厚度铝板暴露出材料性能本身的局限性,过度的弯折会导致材料损坏(图 10 中)。在经过测试并掌握材料的极端性能后,整个形体中可能出现的最大折叠角度被重新限定。通过一套新的算法网格自我搜索不符合要求的折面并重新优化整个形体(图 10 右),这又是一个在没有信息技术的前提下几乎不可能完成的任务。在方案深化的过程中,使用信息技术优化结构的工程师加入设计。结构的受力分析和优化通过一套算法直接嵌入到多媒体亭的信息模型中,从而形体可以通过调整参数实现自我优化。信息的串联使一个异常复杂的项目重新以手工艺的方式被制造出来。图 9:建构方式 2 效果图图 10:左:分析多媒体亭的折线 中:真实材料性能测试 右:分析并优化不符合材料性能的折角图 11:通过算法分析并优化结构完整的网格被优化分割成可以使用机器人切割并折叠的最优单元,节点构造使用螺丝连接每个单元。同时一套新的算法被用来最优化所有单元在每块工厂预制生产的铝板上的排列方式(图 12),通过调整参数控制旋转角度、单元之间间距实现材料最节约,并直接生成数据在电脑中模拟和可视化机器人的工作过程(图 13 左)。同时团队设计并制造了安装在机器人上的不同功能的工具(图 13 右),最终在苏黎世完成多媒体亭的全部建造过程(图14)。图 12:通过算法优化单元在铝板上的排列图 13:左:在电脑中模拟机器人 右:机器人以及机器人控制的工具加工过程图 14:多媒体亭在苏黎世建造完成结论信息手工艺在今天的信息时代中是一种全新的存在形式,信息手艺人通过不同于传统的训练获得所需具备的显性知识和隐性知识。通过多媒体亭的探索、设计与建造的完整实践过程,简单地阐述了信息串联物质与虚拟世界的方式。数字化的信息可以将物质世界中的人与工具和虚拟世界中的人与工具完全去疆域化,形成了一个模糊物质世界与虚拟世界的具有多维流形属性的时空。参考文献Neil Gershenfeld, 2000, When things start to think ,Holt, New York.{Reference}Richard Sennett, 2008, The Craftsman ,Yale University Press, New Haven & London,pp.44. {Reference}Edward Robbins, 1994, Why Architects Draw, MIT Press, Cambridge, Mass.pp.126. {Reference}Kodaira,K., 2008, Complex Manifolds and Deformation of Complex Structures, Springer, Berlin Heidelberg. {Reference}Greene, B., R.,1997,String Theory on Calabi-Yau Manifolds, arxiv.org/pdf/hep-th/9702155.pdf, Newyork. {Reference}John M. Culkin ,1967, ‘A Schoolman’s Guide to Marchall McLuhan’, Saturday review, March 18,1967,America, pp.51-53, 71-72. {Reference}Peter Sulzer,2000, Jean Prouvé - Complete works Birkhäuser, Basel. {Reference}Vyzoviti, S.,2003, Folding Architecture - Concise Genealogy of the Practice in Folding Architecture: Spatial, structural and organisational diagrams, BIS Publishers, Amsterdam. {Reference}.
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