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互动式建筑的动力系统原理研究.rar

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    编号:20181101170525289    类型:共享资源    大小:27.65MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    互动式 建筑 动力 系统 原理 研究
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    互动式建筑的动力系统原理研究刘洁清华大学建筑学院ljsusie@sina.com摘要:“动”作为互动式建筑最为基础的元素,其动态效果的产生依附于建筑互动的直接执行部分——动力系统的作用。本文尝试分析总结当前互动式建筑设计中所常用的几种能动力产生的方式,并通过结合实例对建筑动态效果形成的具体原理进行说明。关键词:互动式建筑; 动力系统The Research of Dynamical System in Interactive ArchitectureLiu JieSchool of Architecture, Tsinghua University, Chinaljsusie@sina.comAbstract. “Dynamic“, as the most basic element of interactive architecture, is a result of dynamical system’s working. This paper tries to analysis the commonly used dynamical system of interactive architecture currently, using the real building or installation examples to explain how the buildings become interactivity and how the dynamical system works. Keywords. Interactive architecture; Dynamical system 互动式建筑理论自从二十世纪六十年代被提出之后很长一段时间都处于停滞阶段,然而随着工业技术的增强及信息技术的发展,近些年来,越来越多的互动式建筑及互动式建筑装置被建造出来。尤其是国内部分建筑院校相继开展的一些互动建筑装置设计数字工作营,为互动式建筑设计的发展提供了一定的理论基础和实践基础。具有代表性的工作营课程有清华大学本科三年级计算机实习课程、天津大学建筑学院 2012 年本科生毕业设计、同济大学与南加州大学联合举办的暑期数字建筑设计工作营、华南理工大学本科生建筑互动原型设计课等。互动式建筑可以在近几年迅速发展,这种“质” 的飞跃是基于人们对机械原理及计算机数字技术的深度应用而产生的。“动”作为互动式建筑最为基础的元素,其动态效果的产生依附于建筑互动的直接执行部分——动力系统的作用。所谓动力系统指的是一个建筑或建筑构件具有可变性, 可以在日常使用过程中处于不同的位置、形成不同的形状或图案等。探索这种结构需要从结构的动态原理和结构的动力方式两方面同时入手。结构的动态原理指的是什么力量来趋势动力结构发生变动,如磁力、机械力、化学作用力等。结构的动力方式指的是动力结构以何种形式去发生变动,如形状及尺寸上的折叠展开、滑动及变形等。1. 结构的动态原理建筑要实现动态的效果,必然需要相应的力来驱使动力元件发生的物理状态的变化。一般来讲,我们可以根据建筑互动的作用力的形式,将互动式建筑的结构动态原理大体被分为三大类——电力,机械力,磁力。1.1 电力我们可以认为几乎所有的视觉色彩变化的互动式建筑都是通过电力来实现其互动的。视觉色彩变化的互动式建筑指的是通过 LED 等的色彩及亮度的变化来对人的行为有一定的反应,进而达到人与建筑的互动。这种互动的方式一般是控制 LED 等各个输入端的电力的大小值来实现的。一个 LED 三色全彩灯有四个金属脚输入端,分别控制亮度、红色光输入、绿色光输入、蓝色光输入,通过对对这四个输入端不同输入值的排列组合可以显示出各种各样不同颜色不同亮度的光源。通常这种互动形式的建筑不需要其它的产生驱动力的组件就可以直接形成整个互动过程,比较简单方便,但是形式比较单一,建筑尺度上的互动较少。1.2 机械力一般空间形态变动的互动式建筑都是需要力的支持,而最主要的力的形式就是机械力。机械力可以促使互动杆件的伸缩、旋转,弯曲等各种形势变化。机械力的产生一般需要步进电机来实现。电机转动产生最初的力,力通过相应的杆件传导给需要产生互动的元件引起元件的形态变化,最终实现建筑与环境的互动。在整个力的传导系统里,如何合理的高效的将力传给最终端是需要经过精密设计的。这牵扯到各个杆件之间连接的方式与连接处形变的可能形式的探索。如果动力杆件的设置不够精密则会导致力的传输错误,建筑也不会实现互动的效果。1.3 磁力空间形态的变动的互动式建筑除了可以利用机械力,还可以利用磁力来实现。磁力一般被利用在逻辑较为简单的互动建筑上。一般的作用机理是,建筑的终端互动元件上有磁性部件,建筑的控制端一方同样也装备有磁性部件。通过控制控制端的磁性的大小及磁性的有无来吸引或排斥终端互动元件上的磁性部件,达到终端互动元件的形变或位移。这种变化方式较为简单直接,互动元件形态变化的可能方式较少,不过控制系统较为简单,方便运用。2. 结构的动力方式动力结构一般可以被看做是图示化的机械运动。机械运动产生的方式通常有组件的收缩展开、组件的旋转、组件的摇摆等多种形式。下文具体介绍一下比较经常使用的五种形式。2.1 一维方向收缩及展开由 Hoberman Associates 设计的西班牙司法学院的上诉法院的遮阳系统便是采取了百叶在一维方向上收缩与展开的方式来实现建筑的遮阳及采光。这样系统位于建筑中庭顶部,整个系统由几百个六边形的组件构成。每个组件有一个百叶伸缩杆件和两个金属结构杆件构成,三个杆件每每呈六十度夹角来保证系统的稳定。遮阳系统上安有感应器,可以根据光照的强烈程度来配比开启百叶的比例。当百叶开启时,百叶向百叶伸缩杆内收缩,每片百叶之间的距离变小,最终完全收回伸缩杆中,达到全采光。由奥地利 Ernst Giselbrecht 事务所设计的 Kiefer 技术展示厅(图 1)同样采用了构件在一维方向上的收缩和展开来完成立面的动态效果。整个建筑的南立面由标准化制造的铝板幕墙组合而成。在每个单元构件的内部都装备了能够感测周围环境温度以及光线强度的感应器。折板可以随着外部环境的变化而发生折叠和展开,也可以根据中央处理器的命令呈现出多种状态以使立面形成富有特色的形象效果。在每个单元背面两侧有相应的滑轨,板材可以顺着滑轨移动实现板材的收缩与伸展,形成丰富优美的效果,并以此来控制内部的进光量。图 1 Kiefer 技术展示厅华南理工建筑互动原型设计课中的学生作品 “MM-1P 音乐亭”(图 2)采取了另一种一维方向收缩展开的方式来实现建筑互动的。小组成员首先对弗雷奥拓(Frei Otto)的作品进行了分析后确定了装置采用膜结构来作为建筑材料。亭子设定了几个点作为膜结构的支撑点。支撑点的高低可以调节,这样在调节的过程中,膜结构会产生千变万化的形式。支撑点的高低调节采用了拉力结构,通过罗盘的转动来实现绳索的长短的变化进而实现支撑点高低的变化。亭子上设置有声音感应器,当周围有声音产生的时候,亭子便会随着声音的变化而改变各个支撑点的高低进而形成亭子本身形态的变化。图 2 “MM-1P 音乐亭 ”构造图及装置实体2.2 二维收缩与展开由菲利普·比斯利(Phillip Beesley)设计的装置 Hylozoic Soil(图 3)采用了网状结构来实现建筑在形态上的变化。该装置每个单元由一个网架和多个羽毛状的组件构成。网架位于单元的中心位置,羽毛状组件悬挂在网架的节点上,当网架之间缝隙变宽时,网架变矮,羽毛状组件升起;当网架之间缝隙变窄时,网架变高,羽毛状组件落下。每个羽毛状的组件的须状尽端都有感应器,当有人经过的时候,感应器将信号传给中央处理器,中央处理器控制相应的网架扩张,带动羽毛状组件升起从而给人们留出行走的空间。图 3 Hylozoic Soil 照片及构造图ORAMBRA 工作室长时间以来一直研究机械式建筑互动结构。他们在美国伊利诺斯设计的草原住宅(Prairie House)的屋顶采用了二维收缩的方式,通过结构的伸展和收缩变形实现建筑内部空间的扩大和缩小(图 4) 。结构可动六边形形状,张开时呈现出矩形单元,单元的两个边分别被分成两个部分,当扭动矩形的两个点的时候,矩形发生变形,形成凹六边形,结构收缩,四个相互连接的矩形中间形成一个新的矩形。图 4 草原住宅屋顶构造2.3 旋转由同济大学和华南理工大学联合设计的互动装置作品“机械花园” (图 5)在 2012年上海当代艺术馆(MoCA Shanghai)的 “生活演习 ---2012 建筑空间艺术展” 上展出。该装置作为花园设计的一部分,位于花园到艺术馆的入口空间,功能在于作为一种从“公共”到“私有 ”的软性过度。该装置以动态和多元化的方式与参观者互动。通过Arduino 数字媒体技术,模拟机械花园与人的交互, “花园” 以图案、波纹等效果呈现,并借此畅想一种由媒体介质主导的未来建筑空间体验。图 5 机械花园装置实体及构造原理在这个作品中,它的形态的变化采用了的单个组件旋转的设计。整个装置由 44 个花瓣组成,有四个感应器通过感应空间中的事物通过排列组合计算形成多种花瓣控制形式。花瓣的两侧分别被螺丝栓接在有机玻璃组件上。有机玻璃组件由中间的两层圆盘和六组可伸缩支杆组成,当有人经过时,电机会带动圆盘逆时针旋转,伸缩支架收缩,花瓣弯曲,花朵收缩。当人离开的时候,电动机带动圆盘顺时针旋转,伸缩支架伸开,花瓣展开,花朵开放。除此之外,一般来说,太阳能光电板对太阳光照的路径追踪也会采用旋转的方式来实现其动态效果,例如澳大利亚林兹(Linz)SBL 办公楼项目中就是利用旋转构件完成光电板与光照互动的。该项目中采用了以个三角形的支撑板,支撑板上有三个弧形的滑轨,滑轨上装有太阳能光电板。当光照角度发生变化的时候,光电板绕着弧形滑轨进行旋转来改变光电板的垂直角度。图 6 林兹 SBL 办公楼立面除了这种构件上的旋转形成的互动,还有整个建筑的旋转这种较大尺度的互动行为方式。例如意大利先锋建筑师大卫·菲舍(David Fisher)所设计的迪拜旋转塔便是从建筑的尺度上进行旋转来完成与环境的互动的。建筑有一个中心轴,轴内整合了建筑的所有的设备管道和交通系统,中心轴静止不动,建筑的主要使用空间悬挑在中心轴之外,利用风力涡轮机发电来带动建筑绕中心轴转动。建筑的各层均不相连,各自为一个单元整体,每一层都可以依照需求转动不同的角度。图 7 迪拜旋转塔动态原理2.4 摇摆荷兰建筑师戴恩·罗斯格瑞德(Daan Roosegaarde)在 2006 年设计的位于阿姆斯特丹的荷兰媒体艺术中心的走廊上互动装置“Dune 4.0”(图 8)便是通过元件摇摆的形式来实现互动的。走廊的两侧各有一条很长的芦苇丛。芦苇丛由成千上万个纤维条构成,每个纤维条的顶端安装了 LED 灯泡和感应器。元件为射线状尽端式元件(图 9),元件一段没有束缚,另一端连接孔状主板。主板上有成千上万个孔,从而镶嵌着成千上万个尽端式元件。主板内侧面,每个孔的底部都有类似于平衡器的装置,来控制元件垂直于主板或倾斜与主板的角度。平衡器往各个不同的方向倾斜,尽端式元件也会指向各个不同的方向。通过控制平衡器的细微角度便可以实现整片尽端式元件的大幅度指向性运动。图 8 Dune4.0图 9 尽端式元件构造方式2.5 气压由 FoxLin 设计的建筑装置 Bubble(图 10)是一个在城市规模上一种适应性很强的空间气动装置。装置由几个大型的气球装布料组件构成,每两个布料组件共享一根塑料弯管,弯管连接气球的端口,弯管中间连接气体交换设备。当这个装置所处的区域没有被使用的时候,各个气球装的装置是处于半充气气的状态,随着在区域内人数增多,靠近人密度大的地方的气球会被充气,其半径会慢慢变大,区域的底部空间会被慢慢占满,空间的私密感加强;而弯管另一端的气球便处于无气状态,其所处的区域也处于开放状态,同时可以引导密集的人们向开放的区域移动。图 10 装置 Bubble2.6 材料自适应材料的自适应主要指的是智能材料利用本身的物理性能在不同的环境下发生形变以使得整个结构产生变化。ORAMBRA 利用热记忆合金和气动装置驱动系统协同设计了一些列的参数化结构。这些结构在不同的温度下,合金的尺寸会发生变化,加上合金之间可伸展弹簧类的构件的配合,可以实现整个结构的伸展收缩。图 11 ORAMBRA 采用智能材料设计的参数化结构ORAMBRA 利用这种结构原理设计了芝加哥超轻重量摩天楼(An Ultra-Lightweight Skyscraper for Chicago) (图 12) ,在这个设计中,建筑师试图建造一种智能的互动的建筑形式。就像鸟展开翅膀才能飞翔一样,生物总是在必要的时候改变自己的形体,而建筑也应该在不同的时刻呈现出不同的样子。这个方案采用了圆柱形结构,可以随着环境的变化改变智能材料的尺寸。当尺寸缩小,建筑内部空间会压缩,建筑旋转,半径变小。图 12 芝加哥超轻摩天楼结构互动原理同样采用材料自身调节变化的例子还有美国纽约州立大学欧玛·康(Omar Khan)做的甲壳空间 CARA(S)PACE 的研究(图 13) 。甲壳空间之开放圆柱研究就是选取了两种不同的硬度的橡胶作为建筑的基本材料。开放圆柱是一个可折叠的封闭体,可以依附或挂靠在天花板或者地面上。将这个单体降下或升起便会制造出一个空间上垂直展开的立体构筑物,起到限定空间的作用。这些圆柱都是由 2*2*24 的一些杆子构成,这些杆子分别采用了不同比例的软硬橡胶组合。当发生形变的时候,硬橡胶起到支持结构稳定的作用,软橡胶起到变形的作用。改变不同种类橡胶的配比,可以使其产生多种形变。同时,由于橡胶有一定的维持形状的能力,所以,当给与不同大小的力的情况下,橡胶的弯度也不相同,构筑物所呈现的形态也会千差万别。图 13 甲壳空间示意图及材料分布原理3. 结语本文主要从互动式建筑建造的角度上通过相应地建筑作品或建筑装置来分析了互动式建筑产生动态形态的原理和方法。互动式建筑的动力系统的实现是互动式建筑摆脱纸上谈兵遐想的重要组成部分。虽然现在互动式建筑的动力原理及动力方式较多,建筑产生的动态效果也趋向于千变万化,但是,互动建筑的在互动的过程中产生的安全隐患始终是一个棘手的问题。这也是现在实际建成的互动建筑多集中于表现灯光效果互动和局部构件互动的原因。如何能让建筑在互动的同时变得更加稳定,如何能让建筑的构件及结构更加符合力学原理,从而使互动建筑的每个相对稳定的状态更加安全是现在对互动建筑进行探索的一个重要问题。除此之外,目前对于互动建筑的动力方式的应用还大多只局限在某一种或两种方式的单一应用,建筑的互动效果也相对比较单一,互动建筑应当将不同的动力方式进行结合,使建筑在面对不同的环境时有目的的选择不同的动力方式来完成其动态效果,从而使建筑变得更加智能,更加人性化。随着科技技术的发展,实现动态效果的手段将会越来越多。3D 打印技术的发展会使许多异形的建筑构件较为容易的建造出来,智能材料的运用使建筑构造越来越趋近于微小化、精细化等。我们有理由相信将来会有许多新型的的动力系统产生,并使互动式建筑的发展有一个新的飞跃。参考文献[1] Michael A Fox, 2009, Interactive Architecture, Princeton Architectural Press, New York[2] Lucy Bullivant 2007(4),4dsocial interactive design, Architecture Design[3] 何炯德.2007, 活泼建筑.台中市:东海大学创艺院建筑研究中心[4] 张雪松,2010, 可持续建筑的智能、动态立面设计.新建筑,(2).[5] 丁治宇.当代动态建筑设计手法研究——基于外部环境中的分析,东南大学建筑学硕士论文[6] 尹志伟.非线性建筑的参数化设计及其建造研究,清华大学建筑设计及其理论硕士论文
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