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机械臂编织建筑设计与研究.rar

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    编号:20181101170525126    类型:共享资源    大小:12.09MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    机械 编织 建筑设计 研究
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    机械臂编织建筑设计与研究张可寒研究团队:张可寒, 谢易桓, 文昕指导老师 Manuel Jimenez Garcia,Gilles Retsin厦门合道工程设计集团,伦敦大学学院 Bartlettt 建筑学院硕士毕业生Kehan_zhang_design@163.com 摘要:本文着重研究利用计算机软件生成具有哥特建筑“装饰性结构”特征的建筑形体,并以编织物作为水泥引导模具,使用机器臂 3D 打印技术作为工具的创新建筑设计。基于机器臂平台的 3D 打印技术可将计算机模拟生成的建筑形体精确高效地转化为现实建筑体。本文总结哥特建筑的一系列特征,并建立哥特建筑“装饰性结构”的概念,同时将这种概念与数字化设计技术相结合,研究探索一种新的建筑设计与建造方法。其具备四个特征。一,建筑体经过了结构优化,受力合理。二,建筑形体被划分为不同的单元,满足 3D 打印和组装的需求,可大大提高设计与建造效率。三,建筑体具有丰富的形态变化,装饰性强,且形式与结构相结合。四,建筑体采用机械臂作为工具,以编织物作为水泥的引导模具,节约成本。基于这一方法,可以高效、精确地设计一种具有传统哥特建筑与数字化建筑特征结合的创新建筑形式。关键词:机械臂编织建筑;装饰性结构;哥特建筑;数字化设计。Robotic Weaving Architecture Design and ResearchKehan ZhangResearch Team: Kehan Zhang, Yihuan Xie, Xin WenTutor: Manuel Jimenez Garcia,Gilles RetsinXiamen Hordor Design Group, UCL the Bartlettt, M.arch GAD Graduated StudentKehan_zhang_design@163.com Abstract. This paper is to research a creative method of architecture design, which has “ornamental structure” features inspired from gothic architecture and it also based on weaving cement guide-moulds, robotic weaving 3Dprint technique and digital design tools. There are 4 main features. 1. The structure is optimized with reasonable stress distribution. 2 The structure is divided into moduals for 3Dprint and assembling, which is efficient. 3. The structure is highly connected with the form, and it is complex, ornamental and has high resolution. 4. The method applies robot, weaving materials and cement as construct tools and materials, which saves labor, material cost and time. In this way, it is possible to design a new architecture with gothic ornamental and digital features efficiently and precisely. Keywords. Robotic Weaving Architecture; ornamental structures; Gothic Architecture; Digital Design.导语建筑师 Lisa Iwamoto(2013)这样描述数字化设计:“数字化设计是应用计算机数据来自动控制设计与建造过程的设计方法。 ”这说出了数字化设计的精髓所在。在数字化建筑设计当中,近年来逐步发展 3D 打印技术有着重要的地位。3D 打印技术一个重要的方向是基于机器臂平台而实现的 3D 打印技术。这种技术可以将计算机模拟生成的建筑形体精确而高效地转化为现实的建筑形体。哥特建筑是历史上重要的建筑形式之一,其建筑的主要特点在本文中被称为“装饰性结构” 。这种结构中体现的装饰花纹的逻辑与关系、不通层级的建筑元素与结构的结合变化,都为将之与现代数字化建筑设计方法相结合提供了灵感。荷兰建筑师 Lars Spuybroek(2011)在他的书中将哥特建筑转化为数字化当成历史发展的必然性,其原因即是哥特建筑本身具有的逻辑关系,包括形式、结构等。传统的哥特建筑需要大量的劳动力与复杂的设计图作为支持,而有了数字化建筑设计工具,我们可以利用机器臂 3D 打印技术和计算机设计软件将这种“哥特装饰性结构”与现代建筑设计进行全新的结合。本文着重于研究利用计算机软件自动生成具有“哥特装饰性结构”特征的建筑形体,并以水泥砂浆与编织物作为材料,使用机器臂 3D 打印技术作为工具的多方面创新建筑设计。一、 从现代到哥特2.1 打破现代建筑形式与结构的界限自工业革命伊始,建筑设计开始在工业化大生产的道路走得越来越远。以柯布西耶的“多米诺结构原型” (图 1)为代表,曾经具有高度装饰性的结构逐渐被简化,成为了建筑形式的附属之一。近二十年来的中国,随处可见工业化建筑时代的产物(图 2) 。建筑结构的墙、柱、楼板与楼板之间的界限被划分得清晰可见,并且被极力地简化与消隐。很多实例似乎都无形地支持着柯布西耶“工业时代的建筑是居住的机器”这一看法。(Kennedy Rachel, 2003)当然,柯布式的工业化建筑是时代特定环境下的产物。然而,这样的建筑往往都具有高度的相似性。形式装饰部分和结构部分的分离,让中国的建筑师们往往陷入计算设计时间成本和材料与施工成本的泥潭当中,使得设计效率下降,经济成本提高。历史上,哥特建筑展现了结构和装饰形式的高度结合,并且建筑特点和设计逻辑上具有极高的数字化潜力。这为探索出一种新的传统建筑方式与数字化建筑设计方法相结合提供了可能性。2.2 哥特建筑设计逻辑探索哥特建筑作为建筑史上最重要的类型之图 1 “多米诺 ”结构图 2 中国住宅一,一直被建筑师们所研究。普通人参观哥特教堂时,往往会被建筑丰富而优雅的构造与雕塑所吸引。这些建筑元素是由丰富多变的图形(figure)与纹样( pattern)所构成。在 Lars Spuybroek(2011)的书中,这种哥特建筑形体的丰富性来源于建筑理论学家 John Ruskin 所下的定义:哥特建筑的多变性(changefulness) 。Spuybroek 相信这种多变性始于各个基本图形的自身变化。当我们观察哥特建筑之时,可以发现这些的基本图形往往遵循着同一系统,如线形,或圆形,或方形。与其他历史时期的建筑相比,Spuybroek 认为哥特建筑更加强调图形的多变性与联系性,并体现在了建筑当中。在哥特建筑中,可以说,基本图形和纹样所组成的装饰正是建筑结构本身,二者之间的界限被模糊化了。从位于英国伦敦市中心的著名哥特式教堂西敏寺中,我们可以看到这种图形与结构、以及不同结构的构成特点(图 3) 。哥特建筑的大柱子是由不同的小柱子所组成。这些小柱子反映了这个部分的基本图形,即细线条。在这一过程当中,小柱子、拱肋以及其附属的装饰结构都遵循着“线条形态”这一基本逻辑。从柱子的竖向线条,到柱子与拱顶交界处的发散线条,拱肋之间的交叉线条,直至拱肋至中心垂花的收敛线条,这些结构组成了一个完整的形态,具有极强的装饰效果。正如 Spuybroek(2011)所描述的,在哥特建筑中,装饰如同结构,而结构也如同装饰。将这些不同结构融合起来的,正是“线条形态”这一基本元素,我们可以将之称为一个系统中的“基础系统” 。在这个系统中,形式与结构的变化性来自于基础系统不同个体的组合方式。只要付诸于这些组合方式一定的逻辑,即可建立起一个完整而丰富的系统。哥特建筑的这个特点,正可以作为数字化设计的一种设计基础。可以找到一种基础体系以及数据,将这种基础体系依照数据以一定逻辑转化为结构形态,这样建立起来的建筑空间,便具有哥特建筑基本特征。在哥特建筑中,另一个数字化设计可以借鉴重要特征是图形不同的等级(hierarchies ) 。Spuybroek 认为哥特建筑的一个主要特点是它的分形形态(fractal body) ,一种可以分裂、延伸、打散和重组的形态。(Lars ,2011:31)在哥特教堂的柱拱结构中 。完整的柱体和拱可以视为第一等级,细分的小柱和主要的拱肋为第二等级,而柱上的装饰以及次要的拱肋为第三等级等等。较高等级的元素构成了结构的基本形态,较低等级的元素发展了结构的细节。在哥特教堂中,这种等级确定了建筑的构形逻辑关系,让一个复杂的系统在逻辑上变得简单与清晰。经过这些分析,可以找到哥特建筑在设计中所遵循的一些规律和逻辑:哥特建筑的装饰形式与结构是相辅相成的,二者之间的界限相对模糊;建筑所运用的图形与元素有着鲜明的等级特点,并且是由同一种基本体系发展而来。这些逻辑构成了哥特建筑在设计中的基础,具有这些特征的,可称之为“装饰性结构” 。2.3 现代建筑设计中的哥特特征图 3 西敏寺对于哥特建筑的反思和探索,建筑大师 Gaudí 有着深入的研究。他位于西班牙巴塞罗那的作品圣家族教堂可以准确的反应出他对于哥特教堂设计的理解。在这座仍然在兴建的教堂当中,墙体、柱体、拱顶以至于其上的雕塑,都是一个完整的整体。它们互相连接,相互呼应,组成了教堂的主体部分(图 4) 。在建筑中,各个结构之间的界限十分模糊,却又起着各自在结构上的作用。另一方面,由于整个教堂都采用了变化多端的曲面造型,或者我们称之为同一种基础系统,使得整个教堂在造型上丰富多彩。充满变化的同时,却又形态风格统一,并且各个曲面之间等级分明,构成逻辑十分清晰。另一个典型的案例是 Louis Sullivan 的担保大厦(The Prudential Building) 。这栋建筑的典型特征是它由多个大大小小的砖块组成,而每一个砖块都具有简单的装饰纹样,拼合起来形成了十分丰富的立面造型变化(图 5) 。可以说,这些砖块本质上是一种结构支撑体,但是却被这些纹样赋予了装饰性的意义。在这个案例中,尽管其结构本质上仍然是经典的分离体系,但是砖上的纹样却让每一块砖与周围砖产生了不可分割的造型上的关系,并且这种复杂的纹样是来自于每个砖块本身简单的纹理设计。于是,整个建筑的造型上的逻辑十分清晰:建筑体——各个结构的整体纹样——小范围纹样——砖块独立纹样。在建筑史中, “高技派”的建筑同样有部分哥特建筑的特征,如建筑理论学家 Colin Davies(1988)这样描述“高技派”作品:所有装饰与形式都必须有它本身的结构意义,结构即是装饰。这种对结构、形式与装饰的思考值得发展和借鉴。从这两个案例的探索当中,可以找到一条将哥特建筑逻辑提取出来应用到现代建筑设计当中的道路。本研究团队主要采用以下逻辑作为设计基础:1. 将形式与结构相结合,从一种基础体系出发建立“装饰性结构” ,使之具有整体性2. 着重不同部分与不同纹样的等级关系,即强调等级性3. 使用“砖块”堆叠的方式建立整体与部分之间的合理关系由于以上三点是从哥特建筑结合新的数字化逻辑分析而得的,本文的探索并不着重研究一个具有哥特外在特点的设计,而是将哥特建筑的特点加以提炼,从而形成一种新的设计思路。二、 使用编制结构与数字化工具设计装饰性结构的初步探索3.1 代理粒子系统( agent-based system)与结构优化研究前文写过哥特建筑的造型往往采用同一种基础体系。从数字化设计的角度来说,哥特建筑的丰富形体来源于同一种形体生成逻辑。本文采用了一种几年来十分流行的基于计算机算法建模的形体生成方式:代理粒子系统(agent-based system) 。本文采用的对于代理粒子的定义为“一个在计算机中具有自己的行为与目标,并且行为会受到环境影响的移动物点” 。(Chang-Hyun Jo, Allen J, 2002) 代理粒子具有两个特点,其一是行为具有自发性,其二是行为受环境因素的影响。代理粒子的行为是有计算机自主控制的。在空间中,代理粒子的行为由两方面组成。其一是我们设计的一套生产点本身的基础逻辑,这种逻辑引发代理粒子图 4 圣家族教堂入口图 5 担保大厦细节图 6 高技派代表:巴黎蓬皮杜中心的一种行为,如创建形体、创建轨迹等等。其二是代理粒子的行为同时受着环境的影响,如空间位置、周围应力场变化等等。这些因素影响着代理粒子的移动,也同时影响着代理粒子的基础逻辑。另一方面,John Ruskin 提到过哥特建筑形体是一套反映了受力关系的支撑结构。(Lars,2011) 这是由于在设计过程中,建筑师采用了“结构优化”的方法。结构优化的目的在于使每一个结构部分都有其合理的力学意义,从而追求减少多余的无意义的结构,使得建筑从受力、材料等方面更为经济合理。在研究之初,选择了在计算机中模拟改造西敏寺的一部分墙柱以及拱顶作为研究以应力数据为基础的数字化设计应用(图 7) 。设计从“结构优化”的思路出发,将原有教堂部分使用 Grasshopper 以及其力学模拟分析插件 Millipede进行了分析,得到了原有结构的应力分布数据。这套数据为一组向量,同时具有应力的大小和方向,即一个应力场(stress vector field) 。应力分为拉应力与压应力。在柱墙的部分,以压应力为主,而拱顶、拱肋部分则拉应力为主。通过计算机,可以将受力分析得到的结果提取了出来作为数据基础。之后,研究采用了设计编程软件 Processing 编写了两个模拟程序。一个以压应力为数据基础重建教堂的受压部分,另一个以拉应力为基础重建教堂的受压部分。两个程序都采用了代理粒子系统作为形体生成方法。在程序中,代理粒子在预设好的空间中移动,同时扫描周围的教堂应力数据。如果压应力较大,代理粒子就会生成不同大小的多组点云,点云的大小和应力大小相关联。这些点云经过重新导入Grasshopper,经过处理生成实体。反之如果拉应力较大,则代理粒子会沿着应力场方向移动,从而生成一系列轨迹,结合 Grasshopper,我可以得到一组具有不同粗细不同密度且具有不同等级的线条,作为受拉的部分。这样就得到了一个新形体,受压为实体,受拉为线条,应力小则不生成形体。这个改造部分的形体来源于原教堂应力数据,可以高度反映教堂的受力结构,这使得未来在考虑实际建造过程中使材料的应用更高效。在上面的实例中,可以确定采用代理粒子系统和应力数据相结合作为设计工具的可行性。二者将数字化设计的思想,即从一个简单的逻辑生成设计结果很好的体现出来。3.2 编织结构引导模具探索在设计中,找到一个合理的方法使得计算机所设计的出的形体能够转化到现实世界当中是必要的。在传统的建造方式中,有两个内容使必须要被考虑:建造精度与建造效率。另一方面,材料的选择也是一个重要因素。它必须便于施工、且经济合理。在现代建筑设计当中,混凝土作为一种高效经济的材料被广泛的应用。它不仅价格经济实惠,而且在造型上也为建筑师提供很大的发挥空间。在本文的研究当中,使用混凝土的主要组成部分,即水泥作为研究的材料。在混凝土的使用上,模具起了一个造型基础的作用。传统的建筑工艺中,图 7 教堂改造设计模具往往采用木头作为材料。然而,也有不少的先驱建筑师对使用木头作为模具提出了反对的意见。建筑师 Tom Vanmele 在研究新模具材料的书中提到过木头作为模具的本身的塑形特性限制了混凝土的造型空间。(Tom.V, Philippe.B,2010)在十九世纪的晚期,德国建筑师 Gustav Lilienthal 第一个采用编织材料作为混凝土的模具,并以此为基础进行了实践研究。(Diederik, Mark.W,Philippe. B, 2011) 人们开始尝试将混凝土浇灌到制成的布制模具中。建筑师 Mark West 在书中认为编织模具将构筑物的受力情况,即压应力与拉应力的分布,与造型完美的切合了起来。(Mark.W, Ronnie. A, 2009)在这种尝试中,编织物作为拉应力的荷载材料,而混凝土作为了压应力的荷载材料。对比木制的模具,编织物作为引导混凝土塑形的材料则有很多优势。首先编织物很轻便,易于搬运,且费用低。编织物因其柔性的特征,大大丰富了模具可以形成的形态,提高了在造型上的可能性。在本文的研究当中,思考是否可以创造一种将编织物作为一种“引导模具”控制混凝土的形体,出现在混凝土结构内,便就如同现代钢筋混凝土结构一样,将钢筋替换成编织材料?在技术飞速发展的今天,3D 打印技术已经逐渐走入了人们的视野。机械臂的运用将 3D 打印技术不仅仅局限在创建小模型或机械构件当中,更因其灵活度高、扩展度好、范围广等特点而有了创建建筑构件的前景。可以设想,以机械臂作为编织工具,将编织出来的编织体作为“引导模具” ,将混凝土附着在编织物之上作为压应力的和载体,而编织材料作为拉应力的承载体。通过这一整个过程,便可以完成从计算机模型到现实构筑物的转换,得到一种计算机所生成的受力合理、形态丰富的仿哥特装饰性结构。三、 机械臂编织装饰性结构的设计方法与建造方法研究4.1 机械臂编织测试使用机械臂的伊始,缠线框架采用了竖直排列的方式进行测试。首先,使用 Processing 编程设计了一个程序脚本,可以这种框架上生成机械臂的缠线路径(toolpath) 。在程序中,代理粒子开始移动,并跟随一个已经设定好的路径。代理粒子留下的轨迹即是缠线路径。之后将路径导入至 Grasshopper 当中,使用机械臂插件 HAL 将路径处理,并控制机械臂沿路径方向移动。在这之后,缠线的方式逐步改变,并提升了编织的复杂度,从而得到从简单到丰富的缠线形体。在这个过程当中,使用机械臂编织的体现了优势。在使用较为简单的缠法时,人工缠线时间花费较短。而采用复杂缠法时,由于需要做到精确定位,人工的耗时就大大增加。由于机械臂的路径是在计算机中已进行了设定,所以时间不受复杂度影响。这体现了计算机控制的一大优势,也是高科技工业化生产的优势。4.2 机械臂编织形态探索在本文的研究中,编织形态仍然需要跟随前文总结的哥特建筑的特点进行设计。其实,形态丰富的编织物本身便可以创造出具有哥特的特征的形体。在形式上,变化基础选择了线排列的方式。从而根据这种由线的排列生成图 8 立方体框架研究的形体,对于编织的形态进行了新的研究。研究最开始采用了一个立方体框架,利用一个新的程序选择其中三个以上数目的边作为缠线框架,得到不同的缠线结果。通过这个过程,我们就可以得到一系列的以立方体框架为基础的编织单元体(图 8) 。这些单元体可以互相连接,而组成非常丰富的形体。在对这些形体筛选后,我们找到可以由机械臂完成编制过程的单元体。通过这个研究,可以更好地了解如何设立可以由机械臂实现编织过程的框架。其有三个原则。1.框架必须可以稳定地立在一个平面上,使之可以承受缠线时产生的扭力。2.框架必须是一个开放的形体,使得机械臂出线头可以到达每一个所需要的缠线点。3.框架的尺度不能超过机械臂可以到达的范围极限。在装饰性结构的建立当中,创造一个具有逻辑的“砖块系统”是重要的部分,如同 Louis Sullivan 的担保大厦一样,建立具有不同纹理且大小合理的砖块,由这些砖块组合成最后的整体。为了能够获得更为自由的造型,将立方体的框架被简化,只保留了一条竖向的框架和相连的两条横向框架。当这个形体附着水泥之后,每个单元体将会是一个有曲面组成的壳体组合。这种曲面的特性可以极大地增加形体塑造时的自由性。Tom Vanmele 在书中提到过,相比于一个厚重的实体,混凝土壳更薄、更轻、形体更为优雅,而且更花费更经济,形体变化也更自由。(Tom.V, Philippe.B,2010)4.3 编织单元体与建筑体设计从编织线的排列思路出发,一个两层的建筑体由计算机被设计出来(图 9、图10) 。建筑体的设计方法同样采用了代理粒子系统,建筑体是由一个预设的简单形体所生成的。在这个建筑体中,编织框架是影响整个形体结构与细节的重要因素。当框架的方向、位置与长度改变时,使得建筑体产生了各种各样变化的编织纹样装饰和曲面。每个部分的纹样形态是由编织线的组成方式决定的,曲面形状则来源于框架位置与大小的变化。经过模型处理以后,一部分形体以实体为主,以表现附着了混凝土后的形态,其他的部分则以线状为主,表达未附着混凝土的部分。在这个建筑体当中,从地板、墙体到柱子、屋顶都遵从同一种原则,即通过线的排列变化产生形体变化。线的组合同时也让建筑体具有了等级性,即线组成面,面组成体,体组成结构,结构组成建筑。整个建筑是一个完整的实体,并没有明确的结构分别。这正是装饰性结构所强调的等级性与整体性。不过这个建筑体并没有将应力分布引入设计过程当中,也并未将建筑图 9 建筑体之一设计效果图 10 建筑体之一内部效果图 11 建筑体设计程序 分成合理大小的砖块单元。将这两个概念引入后,设计采用了上述八面体简化的具有三个框架的单元体。每个单元体由两个线排列而成的曲面组成。同时,线的编织方向与密度也与应力数据向关联,即应力越大的地方编织的密度越大,同时编织方向与拉应力方向尽量靠近。在新的建筑体设计过程中,使得计算机可以自生成一组与应力分布数据关联的编织路径,同时组合成一个建筑体(图 11,图 12) 。建筑体仍来源于一个预设的简单形体。运用力学分析软件,可以得到一个具有应力数据的向量场,即前文应用过的应力场。与此同时,建立了一组代理粒子,从预设的简单形体内的一端出发向另一端移动。当代理粒子移动时,其行为受到两种数据影响。一个是靠近生成点的压应力大小,另一个是压应力的方向。在这两种数据的作用下,代理粒子会在压应力超过一定值时生成一个单元体,单元体的大小,即单元体内框架的长度由应力值决定,值越大,单元体越大。之后这些单元体开始互相连接,而框架也产生复杂的形变。并且单元体连接的方向趋近其附近压应力的方向。这样,当在压应力大的地方,比如柱子,就会生成较大的实体,并且实体的连接方向为偏向竖直方向连接。接着,单元体会创建一组新的代理粒子建立编织路径。编织的密度由附近的拉应力决定,并且编织的方向也靠近拉应力的方向。这样,就可以创造出不同密度,不同纹理的连线。在这个步骤结束之后,将路径导入进 Grasshopper 中,用建模模拟附着水泥之后的模型。最后,每一个单元体导出,形成我们需要的机械臂路径,并完成编织过程,并附着水泥与其上。使用这一种设计方法,就可以将一个相对简单的预设模型转化为一个具有哥特式装饰性特征的结构优化模型。这个模型体现的装饰性结构的特征是脱胎于哥特建筑并结合新的数字化逻辑而形成的。本文中认为,哥特建筑除却其具有的典型外在特征外,更重要的是其内在的逻辑,即本文提出的装饰性结构的特点。在新的模型中,形式与结构是自生成的,同时也是是一体的,并且有同一种基础系统,即线的排列组合。与此同时,每一个单元体具有自己的构形逻辑与等级,而各个单元体所组成的部分,直至整个建筑体又形成了另一套等级,形成从单元砖块至完整建筑体的逻辑转化。这种建模的思路是采用人工建模方法不能模拟的,只能通过控制程序的逻辑来控制建筑体生成的方向,由计算机自我生成建筑体细节。这正是从哥特建筑中所提取的特征应用现代设计的有效方法。图 12 建筑体之二设计效果 4.4 机械臂编织建筑的建造研究在进行计算机建模同时,研究团队同时设计了建造方式。在实际的建造中,工具制作与材料研究等被分为四个部分。首先,研究并自制机械臂的出线头,使之能够顺利将编织线缠绕在框架之上。第二,使用铁棒制作编织框架,并利用 3D 打印机制作框架连接件。第三,对如何将水泥附着至编织的表面上,团队最后选择使用水泥喷枪将水泥均匀喷涂在编织表面上。于是,需自制水泥喷枪,并研究合理的水泥配比。第四,选择高强度粗尼龙线作为编织材料,以节省经济成本,并研究水泥砂浆附在尼龙编织物的可能性。准备完成后,使用上文所编辑的程序重新设计了一个小的建筑构件,为一个竖向墙体,用以进行实际的建造研究。墙体分为六个单元体,每个单元体约半米高,可以满足机械臂的活动范围尺度。这样,可以使用机械臂分别编织制作出六个单元体,最后将所有单元体组合起来成为完整的墙体。首先,使用固定件将框架固定在机械臂可以达到的地面之上,使用程序中导出的编织路径对框架进行编织。当编织过程结束后,将框架的固定件移除,留下必要框架与尼龙线形成的复杂编织面。之后,用自制的水泥喷枪将配比好的水泥喷涂在编织面面上,让其自然产生形体。为了达到足够的强度,设计采用了慢干水泥,水泥与沙采用 1:1 的体积比。在进行第一层喷涂之后,需等待八小时左右,等待水泥砂浆达到一定强度后,进行第二层的喷涂。前后喷涂四层后,则完成一个单元体的制作。在六个单元体都完成制作后,最后使用固定件将其互相搭接,形成最后的墙体制作。这一套建造研究初步证实了机械臂编织设计在应用上的可能性。从最后的墙体结果看,墙体的形态来自于预设的简单形体的应力数据,其受力相对合理。压应力由水泥砂浆实体荷载,拉应力由尼龙线荷载。在附着了水泥之后,整个墙体充满了丰富的形体细节,又因为其内部的编织物而具有清晰的形态方向规律。在这个墙体上,可以相对清晰地看到上文所总结并希望达到的哥特装饰性结构的特点:1. 墙体的柱体由尼龙线与水泥组合而成,由算法生成的形体决定了其结构的合理性与形体的复杂性,使得其既有结构作用又有丰富的装饰效果。2. 粗的线条与细的线条形成等级,不同的细的线条贴合在一起又形成更高的等级,这是上文所强调的等级性。3. 墙体由六个不同的“转块”组成,反应了整体与部分的关系。这面具有装饰性结构特征的墙体展现了数字化设计技术从数字模型的建立到现实世界的建造的潜图 13 机械臂建造过程图 14 喷涂水泥砂浆图 15 建造成果 力,也展现了将从传统设计中提取出的元素应用到现代设计的可能性。结语在哥特建筑中,各个结构之间的界限往往是模糊的,其各个建筑元素都具有一个相同的基础系统。从这个基础系统出发,形成具有不同等级的建筑构件,这些构件相互组合,使得建筑在形式上产生了多种变化,并形成令人惊叹的装饰效果。从各个建筑构件演化到建筑整体的逻辑十分的清晰。在历史上,现代建筑师也对于哥特建筑的特点进行了研究,并留下了不少具有鲜明哥特特征的精彩建筑。本文将哥特建筑这些特征与数字化设计相结合,建立了“装饰性结构”这个概念。在数字建模中,以产生“结构优化”的装饰性结构作为目标,采用以“代理粒子系统”和力学分析软件得出的数据作为技术与数据基础,由自设计的程序使得建筑体可以在空间中自我生成,并且建立的建筑体由不同形态合理大小的单元体组合而成。以此方法,就完成了一个符合装饰性结构特征的建筑体设计。建造方法上,在考虑了材料形态、设计精度、人力、时间与经济成本的影响后,采用了机械臂、编织物以及水泥砂浆作为建造的工具与材料。把数字建模中导出的路径作为机械臂的编织路径,在编织完成后使用喷枪将水泥砂浆附着在编织面上,形成了最后建造研究所完成了墙体。在整个的研究中,仍然有一些方向有待发展。其一,在数字建模中,从应力数据所生成的形体并未十分完美的符合受力特征。需要进一步完善程序,使得到的形体结果能够成为一个受力完全合理,不存在任何多余部分的结构。其二,在建造上,由于框架的不稳定性与形变,编织出来的单元体并不能完全符合计算机所生成的形状。需进一步研究框架材料,尽量减少形变带来的误差,使得建造的单元体能够尽量贴近计算机所生成的形体。其三,在材料上,使用水泥喷枪并不能完全控制水泥的厚度与强度,使得其受力情况产生不稳定性,另外尼龙线虽然能满足小型的建筑构件的强度,但其本身的强度并不突出。需思考使用计算机控制水泥喷涂,即减少人力,又可以达到精确控制的目的。并且探索新的编织材料,如碳纤维线等,减小编织物的重量与成本,加强编织物的强度。其四,在单元体与单元体的连接上,仍然使用固定件进行连接,并不稳定。需思考是否可以同样使用机械臂编织技术将单元体有效连接,加强力的传递。通过本文所叙述的方法,可以用数字化设计的方法,设计并建造出这种装饰性强烈,结构与形式相结合,受力合理,建造高效经济的新型建筑。参考文献Lars Spuybroek, 2011, the Sympathy of things: Ruskin and the ecology of design, Rotterdam , New York. Chang-Hyun Jo and Allen J. Arnold, “The Agent-Based Programming Language: APL: ACM symposium on Applied computing”, (2002), P 27-31图 16 建造展出效果
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