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圣家堂的数字设计与建造研究.rar

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    编号:20181101170526955    类型:共享资源    大小:91.12MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    圣家堂 数字 设计 建造 研究
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    圣家堂的数字设计与建造研究李晓岸清华大学建筑学院lxa8964@126.com摘要:本文以作者的实地调研、与施工方进行访谈、文献资料的收集为基础,阐述了数字技术是如何应用于高迪的代表作圣家堂(Sagrada Família)的设计和建造过程中的,包括如何采用计算机进行建模、模板数控加工、现场拼装方式、混凝土浇筑等过程。对比数字建造和传统方式建造的圣家堂的异同,总结出一套数字设计建造流程为今后复杂建筑设计建造提供参考。关键词:圣家堂;数字设计;数控加工DIGITAL DESIGN AND FABRICATION OF SAGRADA FAMILIAXiaoan LiSchool of Architecture, Tsinghua University, ChinaAbstract. This paper is based on the field work, interviews with constructors, data collection. It describes how digital technologies are applied in the design and fabrication process of Sagrada Família designed by Gaudi. It contains digital modeling in the computer, digital mode fabrication, construction in the site, concreting, etc. Comparing the digital and traditional design and fabrication process of Sagrada Família, it makes a set of workflows to provide a reference for the design and fabrication of complicated buildings in the future.Keywords. Sagrada Família; Digital Design; Digital Fabrication. 1.圣家堂建造历史研究1.1 圣家堂简介圣家堂(Sagrada Família)全称“神圣家族教堂”或“圣家族大教堂” ,是西班牙建筑大师安东尼奥·高迪(Antonio Gaudi)的毕生代表作。它位于西班牙巴塞罗那市中心,始建于 1882 年。圣家堂最开始由教区建筑师维拉(Francesc de Paula del Villar)设计成哥特式教堂,由于经费及建筑师与教会意见不合等原因,1883 年当时年仅 31 岁的高迪替换掉维拉,接手圣家堂的设计。1883 年到 1893 年,高迪基本在维拉的设计基础上进行少量修改,米拉公寓(Casa Milá)和古埃尔公园(Park Güell)成功后,高迪开始对圣家堂进行大刀阔斧的修改。1914 年开始,高迪全身心投入圣家堂的设计建造中,不在接手其他工程,一直到 1926 年他因为车祸而去世,圣家堂倾注了高迪前后共 40 余年的心血。教堂东侧描述基督降生的“诞生立面”(Facana del Naixement)(图 1 左) ,连同北面后龛的墙壁,由高迪于 1912 年设计建造完成。 西侧描写耶稣与十二门徒最后晚餐的“复活立面”(Facana de la Passio)(图 1 中)中线条简洁的巨大雕塑,则是由约瑟夫·萨巴拉奇斯(Josep M.Subirachs)于 1990 年完成。南侧的“荣耀立面”(Facana de la Gloria)(图 1 右)至今仍在施工建造中。圣家堂延续着高迪一贯的曲线风格,建筑造型包含了多种圆锥曲线,立面石材的装饰由各种繁复的人物、动物、植物造型组成。图 1:左至右依次为圣家堂东、西、南立面图片来源:作者自摄1.2 圣家堂传统建造方式高迪早期的设计都有详细的设计图纸指导施工,但随着他的设计越来越复杂,到后期,特别是在圣家堂的设计中他仅画草图,主要靠石膏模型推敲设计。圣家堂地下一层的设计研究室就是当时所建,高迪和其他设计师、工匠在这里通过草图和模型反复推敲设计。由于当时技术条件的限制,圣家堂的建造基本采用人力雕刻搬运。圣家堂极富自然流线感的造型,以及精致复杂的雕刻和花纹,都必须依赖于工匠高超的手工艺技巧。圣家堂每一个构件都是先由高迪绘制草图;然后高迪和设计师、工匠们一起制作各种比例的石膏模型推敲方案;定稿后制作最终石材构件的参考石膏模型;最终由熟练的石匠根据模型切凿石料,打磨成形。再技艺精湛的能工巧匠靠手工雕刻也难以保证每一块都丝毫不差,如此庞大的圣家堂由数万块构件组合而成,累积起来的误差可想而知。可以想象当时一定会有很多构件在安装上之后再进行修改,甚至重新制作的情况。再加上圣家堂是高迪边推敲方案,边进行建造的方式进行的,直接的结果就是高昂的时间和金钱代价。圣家堂工程进展非常缓慢,直到 1926 年建筑师去世也没有完工,43 年间仅完成一个耳堂和四个塔楼之一。其实,这只是整个工程量的五分之一而已,目前经历了 100 多年,圣家堂仍在修建中。1.3 数字设计与建造方法应用于圣家堂澳大利亚墨尔本理工大学 RMIT 的教授马克·贝瑞(Mark Burry)于 1979年,在其刚毕业不久就以建筑顾问的身份参加到圣家堂数字设计建造研究团队中(Mark Burry, 2005) 。一直到今天,他带领的数字研究团队这几十年来不断地研究和创新,找到了一套利用计算机建模、传统工艺与数控加工结合的方式来推动圣家堂项目的进展。本文以作者的实地调研、与施工方进行访谈、文献资料的收集为基础,阐述了数字技术是如何应用于圣家堂的设计和建造过程中的,包括如何采用计算机进行建模、模板数控加工、现场拼装方式、混凝土浇筑等过程。对比数字建造和传统方式建造的圣家堂的异同,总结出一套数字设计建造流程为今后复杂建筑设计建造提供参考。2.圣家堂的数字设计从 1979 年到如今这 30 多年来,以马克·贝瑞为代表的团队通过研究保留下来的当时由高迪制作的圣家堂的草图和石膏模型,以及已完成的圣家堂,与建筑师、工程师、数学家、历史学家等一起创造了一种将草图和石膏模型转译成计算机模型的方法。近些年随着计算机建模软件的发展,Rhino、CATIA 等工业曲面建模软件被应用于圣家堂的设计中来,构件被制作成三维模型,并可以输出到数控机床或 3D 打印机中进行加工。 2.1 几何研究通过对高迪留下的圣家堂草图、石膏模型、已完成部分的圣家堂,以及高迪同时期建成的其他作品的研究发现,尽管圣家堂全是曲面形态,但这些曲面大都可以由一条直线通过连续运动构成,在数学上被称为“直纹曲面” (Ruled Surface) ,包括圆柱面、圆锥面、双曲面、双曲抛物面、螺旋面等(图 2) 。图 2: 直纹曲面 :双曲面、双曲抛物面、螺旋面图片来源: Jane Burry, Mark Burry, 'GAUDÍ AND CAD', ITcon Vol. 11, Special Issue The Effects of CAD on Building Form and Design Quality , pp. 439, http://www.itcon.org/2006/32除了动植物、人物的雕塑外,圣家堂几乎所有的石材构件的形状,都可以用直纹曲面或标准的球面、椭球面形成的几何体进行布尔运算得到。如圣家堂室内大厅高耸石柱的柱头看似非常复杂,实际它是通过不同大小的椭球根据不同角度,在不同位置上进行布尔减法运算得到的(图 3) 。图 3:圣家堂室内柱头几何演化过程图片来源:作者拍摄自圣家堂地下一层博物馆2.2 实体模型数据提取早期,团队通过研究高迪的草图和石膏模型,采用画法几何的方法绘制曲面交线,希望找到绘制圣家堂设计图的方法。但由于西班牙内战导致大量图纸丢失、石膏模型损坏,再加上平面的画法几何方法本身就是近似绘制有很大误差,这种方法就被放弃了。之后设计团队采用能够捕捉到物体上点的位置的扫描笔,对保留下的高迪的石膏模型进行扫描,捕捉所有曲面的相交线及曲面的边缘线。这花了 12 个人数周时间才完成,之后通过程序将其输入到计算机中。由于当时工具及技术条件有限,扫描结果不够精确,设计团队通过程序优化对输入的扫描点进行校正并生成曲面,然后通过程序求出曲面的交线(Mark Burry, 2005)。下图对比了圣家堂玫瑰窗计算机模型相交线与实际测量线之间的差别(图 4) 。图 4:圣家堂玫瑰窗计算机模型相交线与实际测量线对比图片来源: Mark Burry, 2005 ‘Digitally Sponsored Convergence of Design Education, Research and Practice’, Computer Aided Architectural Design Futures 2005, Springer, Netherlands, pp. 12.如今,3D 扫描技术不断完善,采用先进的 3D 扫描仪器可以几分钟就将参考的石膏模型精准地转化成上百万个点的点云导入到计算机中。由于整体扫描的 3D 扫描仪器在曲面相交处以及模型边缘不是非常准确,需要再用扫描头较尖的 3D 扫描仪对上述地方进行扫描,之后在计算机中建立准确形状和边界的面模型。2.3 计算机建模将扫描的点云导入计算机后,设计团队采用参数化设计(Parametric Design)的方式进行建模,即将所有几何图形进行关联设计。所谓把几何图形关联起来,就是当其中一个图形发生小的偏移或旋转,其周边的图形会跟着联动。这样将模型的各组成部分关联在一起进行整体建模,比起要通过扫描把每个单独的曲面建出来再组合,更加准确,避免了出现面与面之间出现破洞的情况。同时在建立类似关联关系的其他模型时,只需改变输入的点云,就能够很快完成建模,更加高效快捷(Jane Burry, Mark Burry, 2003)。图 5:圣家堂玫瑰窗石膏模型与计算机模型图片来源: Mark Burry, 2005 ‘Digitally Sponsored Convergence of Design Education, Research and Practice’, Computer Aided Architectural Design Futures 2005, Springer, Netherlands, pp. 12.如今设计团队主要依靠 Rhino 结合 grasshopper 插件,以及 CATIA 软件进行计算机圣家堂的建模,上述软件是现在最常用的建筑设计和工业设计领域的三维曲面建模软件。计算机建好的 3D 模型可以直接输出到数控机床中对构件进行加工,2D 图纸用作归档和参考用。3.数字技术参与的圣家堂建造方式相比计算机建模,数控加工技术引入圣家堂的建造还是比较晚的。在很长一段时间里,圣家堂仍是采用石匠根据计算机绘制的二维图纸进行石膏模型的制作和石材的雕刻。随着数控加工技术的不断进步,1991 年数控石材切割被应用于圣家堂的石材加工中,2000 年 3D 蜡打印被应用于参考模型和部分模具的制作中(Jane Burry, Mark Burry, 2006)。如今圣家堂除了雕塑外,大部分石材都采用机器进行加工采用数控机床加工的方式,这大大提升了项目的进展。3.1 参考模型数控加工在数字加工技术引入前,石膏草模都是跟做雕塑一样来制作的。例如可以用一条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转一周所成的旋转曲面形状,则是将石膏灰泥放在旋转盘上来制作的。由于曲面是直纹曲面,采用直线或折线的木质模具摆放在准确的位置上,转动转盘则可以成型。制作圆盘形的屋顶首先制作内表面的石膏模具,模具硬化后再撒上一层石膏灰泥并用木模具制作出外表面形状,然后将石膏模型和内表面石膏模具分离即可(图 6) 。图 6:采用石膏灰泥制作双曲面的窗户模具图片来源: Jane Burry, Mark Burry, 'GAUDÍ AND CAD', ITcon Vol. 11, Special Issue The Effects of CAD on Building Form and Design Quality , pp. 439, http://www.itcon.org/2006/32近几年 3D 打印技术飞速发展,圣家堂的石膏模型可以直接通过 3D 打印机制作。圣家堂地下一层的研究室里摆放大量用 ZPrinter 3D 打印机(图 7 右)制作的石膏模型(图 7) ,这种 3D 打印机可以打印悬挑构件。工作原理是将计算机模型输入 3D 打印机,然后机器根据指令一层层铺石膏粉末,有模型的地方混合粘接剂,没有模型的地方只有石膏粉末,这样没有粘接的石膏粉末起到了支撑悬挑构件的作用,打印完成相当于制作了一个由石膏粉末组成的立方体,之后去掉多余的未粘结的石膏粉末即可。3D 打印让石膏模型制作的精度和效率大大提高,只需在计算机中建出精确的模型即可。图 7: 圣家堂地下一层研究室中的石膏模型和 3D 打印机图片来源:作者拍摄自圣家堂地下一层研究室3.2 模块数控加工1991 年数控技术第一次被应用到圣家堂的石材加工,如今数控技术已经成为圣家堂建造的最主要加工方式。除去圣家堂上作为装饰的动植物、人物雕塑,为了保持手工雕刻独有的生动性,其余的石材构件基本都用数控机器进行切削。石材的数控加工分为刀具切削、铣头雕刻和激光雕刻等方式。刀具切削主要是将石头原材料进行大块切削形成所需的基本形状;铣头雕刻和激光雕刻主要是对石材上的细节或图案进行精细加工。石材表面的后处理基本还是采用传统的人工方式进行,如石材上的彩色陶瓷花纹(图 8 中)是人工用水泥将不同颜色的陶瓷片粘结在石材表面;石材上的肌理(图 8 右)是将数控切削完的石材表面人工进行凿毛。加工好的石材单元都被编好号码,在石材侧面或背面处都加上了钢筋,用来与主体部分连接,使得安装更加稳固,同时也方便吊装(图 8 中、右) ;石材的侧面还被刻上叉形的花纹,使在石材间填充砂浆粘接时更加牢靠(图 8 左、右) 。图 8:圣家堂石材构件图片来源:李宁拍摄自圣家堂施工现场3.3 现场拼装圣家堂的现场施工拼装基本是靠人工完成,由于圣家堂越建越高,为保证其结构稳定性,现在基本采用钢筋混凝土作为主体结构,内外表面铺设石材的方式。根据位置的不同,石材安装的方式也不同。表面较为光滑、厚度较薄的石材是先采用钢筋混凝土浇筑好主体结构,主体结构表面预留钢筋骨架,再用水泥砂浆将石材粘接在表面(图 9 左) 。表面形状较复杂,厚度较大的石材则是采用钢支架将墙体内外表面的石材固定在预先布置好的钢筋网两侧,然后浇筑混凝土。内外表面石材既是装饰面,同时作为混凝土浇筑的模板。混凝土凝固后,内外表面连同之间的钢筋混凝土,形成类似三明治结构的墙体(图 9 中) 。屋顶采光井的桶状结构则是内侧采用木质模板控制好形状,然后把石材应用砌筑的方式建造(图 9 右) 。图 9:圣家堂石材立面施工(左:后挂石材;中:现浇粘接;右:直接砌筑)图片来源:李宁拍摄自圣家堂施工现场圣家堂的穹顶天窗则是采用砌筑的方式建造。由于穹顶是直纹曲面,先用直的木棍沿着曲面的母线方向排列形成骨架,然后将砖块、瓦条依次砌筑在木骨架上,砌筑时预留出天窗的缝隙,然后插入条形玻璃天窗。之后在穹顶外侧放置好预制的石膏模具,将水泥浇筑在模具内,最后撤掉模具,用陶瓷片作为外饰面粘接在穹顶外侧(图 10) 。图 10:圣家堂曲面屋顶现场施工图片来源:作者拍摄自圣家堂地下一层博物馆4.结论4.1 圣家堂的传统与数字设计建造方式对比如今圣家堂大部分都采用数字设计建造的方法进行,但仍有部分工作延续着传统的工艺,下表从参与人员及分工、设计方法、几何关系研究、设计图纸绘制、参考模型制作、石材构件制作、现场安装等方面,将圣家堂的传统设计建造方式与数字设计建造方式进行对比。内容 传统方法 数字方法参与人员及分工以高迪为代表的团队包括设计师和工匠。设计师:能够绘制草图、制作石膏模型、研究几何和力学原理。工匠:根据设计师的草图制作石膏模型、动植物和人物的塑像雕刻和安装、石材的雕刻和安装。以马克·贝瑞为代表的团队配备了相当庞大的研究人员、设计人员和建造人员,分工更加细致明确。项目管理者:团队的组织者,协调设计和建造阶段各工种之间配合。建筑师:设计阶段的组织者,协调各工种配合将圣家堂在计算机中建成,并为建造做准备。结构工程师:对圣家堂的结构进行设计计算。历史学家:收集复原保留的圣家堂的草图、模型,将模型通过三维扫描导入计算机,研究圣家堂历史。数学家:研究圣家堂构件的几何关系,作为计算机建模的理论基础。程序员:早期在没有成熟的三维建模软件时通过自己编写程序,将三维扫描的数据转化为计算机的点云,并通过编程在计算机中建模。计算机建模人员:利用成熟的三维建模软件如 Rhino、CATIA 等在计算机中建模。模型制作人员:利用 3D 打印机制作石膏模型。雕刻师:制作圣家堂上的动植物和人物的塑像。工人:通过数字技术和传统工艺结合的方式加工建筑构件并现场安装。设计方法 绘制设计草图,通过石膏模型推敲方案。根据保留下的草图、模型以及圣家堂建成部分,通过三维扫描提取数据在计算机中利用参数化建模方法重建模型。几何关系研究通过画法几何方法在二维图纸上绘制形体交接关系,较为复杂时应用石膏模型进行推敲。利用计算机软件所带的布尔运算功能求出形体交接关系。设计图纸绘制由设计师绘制简单的草图。 使用计算机建立三维模型后直接导出二维图纸,但图纸主要是存档需要和参考。参考模型制作设计师和工匠利用石膏灰泥利用传统的雕塑制作方法制作石膏模型。利用 3D 打印机,输入计算机三维模型直接打印出石膏模型。石材构件制作由工匠人工进行切割、雕刻。 采用数控机器对石材进行切割、雕刻,石材表面采用人工方式处理。圣家堂上的动植物和人物的塑像基本是由雕刻师人工进行制作。现场安装 采用人力及简单机械进行安装。 现场的模板、支架部分采用数控加工的方式制作,工人利用现代化的施工机械,但还是使用传统的方式进行安装。表 1:圣家堂传统与数字设计建造方式对比(作者自绘)4.2 影响与启迪历时百年建造的圣家堂在数字技术的帮助下,不仅向世人展现了完成后的虚拟形象,而且项目得以加速推进。同时应用于圣家堂设计建造的数字工作流程,也向人们展示了其高效、准确的特点。如今采用计算机进行设计已经完全取代了使用针管笔在硫酸图上绘制图纸,但当遇到复杂形体建筑时,一般的平面或三维建模方式在模型遇到修改时就要重新建模,效率低下且容易出错。将建筑构件关联起来的参数化建模方式,因其高效、准确、便与修改和优化的特点,已成为国内外知名设计机构普遍采用的方法。CAD/CAM ,即将计算机模型输入数控机器制造的工作方式,避免了工人根据图纸制造的人为误差,更加精确高效,同时节约了纸张。随着科技的不断发展,数控加工方式成本会不断降低,并逐渐代替人工完成复杂、繁重、
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