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文章数字工厂——数字建造的建筑产业化未来

 
作者:九游会  来源:AG九游会  时间:2020-08-04 17:28  点击:
 

  ——吉尔·德勒兹 & 菲利克斯·加塔利,《资本主义与精神分裂(卷2): 千高原》,1980年

  逻辑。作为一种对三维形体的定量描述方法,在经历了高迪(Gaudi)时代的重力模拟模型和弗雷 · 奥托(Frei Otto)的性能化建筑研究后,1977年,路易吉 · 莫雷蒂(Luigi Moretti)在《建筑和城市规划的数学研究》中,首次提出了“参数化建筑学”的概念。进入计算机时代,这种定量的描述方式转化成了可识别的算法语言。CAD、CAM及BIM工具的发展使这些算法语言成为一系列计算及分析工具,促进了我们对性能化及环境影响的研究,进而生成了一套定量的设计方法。随着机械加工、工业建造手段的飞速发展(从手工、机械到数控机器,从传统材料到新三维成型技术下的多维材料再到复合材料),参数化建筑学的设计方法,逐渐发展为CAD和CAM辅助的完整的设计建造系统。在算法、设计方法、设计工具的革新中,数字建造、数字工厂的概念被提出,并投入实践,成为一种新的建筑产业化方式。节能、可持续发展和品质等综合性能是建筑产业化的目标,而数字建造继承了几何逻辑、形式语法、文脉、结构性能等优秀设计要素,将其转换为算法中的公式数理逻辑与环境参数,与材料性能相结合,为发展新的结构模式、环境响应方式和建筑革新提供了创造性契机,使我们能够在传统的形态生成设计范式的基础上探索新的建筑可能性。 在设计实践的过程中,数字建造形成了一套“算法设计参数设定建造逻辑工具选取与定制工业化建造”的完整逻辑以满足产业化要求。抽象的算法、设计“机器”与具体的材料、加工“机器”相互结合,古老传承的设计逻辑、文化积淀与先进的数据模拟、材料分析相互交织,共同构成了数字建造的产业化未来。

  法,到自组织系统时代“性能/表现”的逻辑代码,逻辑性都是数字建造的重要要素。简洁的数学逻辑,结合机器人、新材料的数字建造工艺,在减少人力投入的同时,能够集约化生产,降低能源和材料的消耗。精确、高效、高性能是数字建造的特征。

  性能化建构为导向的设计,到新工艺制造的手段,再到最后施工建造的产业化结果),需要建筑师站在一个更长远与持续的角度来看待设计问题,实现建筑的全生命周期管理。从材料特性出发进行形式设计,从形式逻辑发展匹配适合的建造手段,以建造为目的进行设计及施工的产业化方式,建筑师能够充分发挥材料特性,设计合理的形式,进行高效的管理,从而使数字建造具有良好性能的同时且富有形式感,从根源上避免了无必要的奇形怪状与矫揉造作。

  一种设计方法,在理论层面,它是传统建构方法的继承和发展 ; 在操作层面,它充分利用计算机来实现设计与建造的紧密结合。它不再从形态或材料或施工这样的单一要素出发,然后进行线性的推演过程,而是从一开始就将这些要素作为参数,影响设计的方方面面。它是一种基于形式、材料、性能,却又高于它们,产生“1+1>

  2”效果的崇尚建造并且能够创新建造的新模式。

  的基本要素。建筑产业化的概念并不应该简单地等同于预装配式混凝土(PC)。诚然,PC工厂引入数字化设计与管理可以大大节省人力资源、简化生产、提高生产效率。但是,如果简单地等同,建筑业也许就会有如19世纪雨果所言“印刷术将毁掉建筑”一般的结果。基于数字建造的建筑产业化,实际上整合了建筑业的整个产业链条,运用数字技术使信息传递更为有效和畅通,“算法—材料—施工—建造”的闭合产业链也能更高效、环保地使用材料,同时最大化地利用材料与建造工艺本身,为建筑设计创作带来了更多的可能性。

  阶段的功能,对生产进行规划、管理、诊断和优化,对材料进行开发、选择、适配和优化,从而实现工厂的高效率、低成本、高质量。而高效、快速、柔性,正是数字建造为产业化带来的最大变化。

  ■性能化建构在建筑实践的过程中,建筑结构及周边环境是限制建筑师设计实现的

  两大重要因素。而对设计施工全过程统筹管理的数字化建造,可以通过对性能参数进行置入,实现结构性能化建构与环境响应性建构。建筑师通过对结构性能(结构稳定性、材料特点、跨度关系、抗震性

  能等)特性进行分析,在设计中通过模拟、运算和优化,找到空间形态与结构合理关系,最终通过数字化建造技术加以实现的过程是结构性能化设计的主要内容。通过Millipede插件、遗传算法优化运算器Galapa-gos等结构性能模拟及优化计算的相关数字工具的开发,我们可以发掘结构原型的特性和潜在性能。因此,建筑师能够在同一个结构模型中对建筑的材料性能、生产条件以及建造逻辑进行模拟、分析与优化。

  使用Millipede对轴向力、剪力、弯曲、变形进行模拟,并拓扑优化合适的杆件尺寸

  环境要素,它们在影响建筑性能的同时,还作为空间的线索引导人们进行社会交流活动。环境响应性设计通过运用Vasari、Diva、Ecotect、STAR-CCM+等软件将这些因素量化转译为可被提取的参数指标。在算法逻辑的系统中,这些参数可以参与运算,从而与建筑的形态产生关系,进而影响设计的最终结果。

  建造物理风洞,使用传感器接受风压数据并与性能化数字分析软件建立实时反馈结构性能化与环境响应性的实现,建立了建筑师和工程师之间的一种创新合作方式,在数字建造的产业化中,为建筑及其全生命周期性能的产业链提供了一条连接纽带。可以预见的是,性能参数的置入一定会为数字建造产业化的思维方式和实践方式的革新提供源源不断的动力。

  ■传统产业升级传统材料的建造,代表了一种经过时间积淀的设计与建造方法,具有

  因地制宜的地域性特征。这些传统材料结合数字建造方法与建造工具形成了“数字建构”的概念,并逐渐发展为一种以地域为基础的在地建造的数字化地域主义模式。这种结合了地域的环境适应性与文脉的模式,通过对传统材料性能的量化研究和对传统建造工艺的数字化演绎,使传统产业可以被升级发展为一种基于性能的设计方法与数字化新工艺。

  数字建造对砖、石的产业升级基于单元砖体均匀分布的材料特性。通过改变砖体间的连接方式和空间发展方向,突破了长久以来因其本身的形态刚性及结构受压特性所产生的空间结构极限。

  传算法对产生结果进行迭代筛选,使得砖这种古老材料在本质意象和传统做法中寻找结构性能上的更多可能性。机械臂的空间精准定位使得这种预设走向实际建造,保证了由于空间和条件的局限而选定的分段搭建,在多段墙体连接后能够形成一段稳定、连续且具有强烈视觉冲击力的砖墙序列。与此同时,机械臂工作站的综合性流水线工作模式,大大提高了现场施工的效率和准确度,保证了数字砖墙结构性能的完整度。

  使用Grasshopper进行形体优化,并使用KUKA机械臂进行自动建造

  字模拟技术,在机械臂运动的逻辑、技能和机制上将制陶工艺进行扩展,以框架和规则定义建造的特性,并直接与陶土的性能关联在一起。在打印过程中,陶土的透气性、水合程度、塑性能力与打印工具的挤

  出速度、机械臂自身运动的速度、加速度甚至加工空间的温度和湿度都息息相关。只有通过对各参数严格地控制和模拟,并根据设计的形态和建造的过程不断地协调各参数间的作用,才能得到优化的结果。建筑师通过在数字设计过程中将材料的性能以参数形式传递到建造工具,融入到构造逻辑中,使工具和材料共同反应,拓展了数字建造的深度和广度。

  木材作为历史最悠久的建筑材料之一,展现出了极大的建筑需求可能性。近期,凭借计算设计的创新,数字建造已经在材料科技上迅速提升了木头作为应用材料的范围,通过数字化的预制技术以及机械臂的精准组装来探索复杂的几何木结构形式。

  表现方式均结合Millipede对线性杆件的快速分析和优化功能对结构骨架进行了优化。在曲面的原型中,充分利用了木材可以轻微弯折的弹性特质,结合机器人的精确加工,使一个连续曲面细分为一系列可以被精确制造的平面与骨架,从而使整个曲面能够被精确地表达。而杆件项目则抽取传统木构建筑中“檐椽”元素为原型,以《清式营造则例》中记录的比例为标准,结合由三根杆件组成的互承结构,采用单元叠加方式,发展出一套新的结构体系。七层单元遵循同一结构逻辑,但杆件截面尺寸、交接位置、倾斜角度的差异需要进行精确加工,而机器人能够很好地应对这一需求,使其结构意图得以完美呈现。

  借助Millipede对金属板主应力向量场绘制应力线,对其加工路径进行定义。视觉上轻薄的板材结构并非我们想象的那样普通。在薄于1 mm的材料内,板材施力点的不同会导致截然不同的结构表现。针对板材的结构性能进行拓扑计算和优化,使其在不同的折角位置产生相应的形体变形,从而获得不同的结构表现。经过数次试验获取合适的结构表现图,随后机器将按照这些力学走向进行板材敲击,一张完全不具备承重性能的薄铝板在经过机器敲击后达到了在给定条件下的最佳结构性能。

  根铝管通过集群算法生成不同的空间结构,并通过参数标识系统准确地在设计整体中确定自己的位置,智能化协同的机器人数字建造保证了复杂结构能在短时间内实现。更进一步,对于建筑钢结构施工中常用的更加坚硬的钢管,采用Bi-Arc的方法生成空间曲线,对空间自由曲线进行圆弧线拆分模拟,使其生产制造更加方便,可以适应建筑产业化的批量生产。

  ■新材料表皮新材料具有增量打印、减量铣削与铸模加工的多加工方式兼容性,从而可以完成连续的复杂造型。这种基于数字建造与新材料的“一体性”建造方式,可以使作为社会活动线索的造型材料于空间中流动,从而引导人们在空间内的行为与视线流动。这种“一体性”的线索可能成为空间的主要要素来推动设计的发展。

  用于装修装饰的造型部分。其基体是树脂,起粘结作用,增强体是玻璃纤维,起增强作用,如玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维B等。(略)

  型的随意性使其成为要求个性化的建筑师的首选,其独特的材料构成方式足以抵御外部环境造成的破损、变形和开裂,具有良好的防潮性能和声学性能。(略)

  砂浆为基体材料的纤维水泥复合材料,更是一种设计师可以通过造型、纹理、质感与色彩表达想象力的材料。(略)

  “拓扑表皮”以机器人作为GRC加工媒介,对数字建造下复杂形式建构的可能性进行探索

  “蚕丝混凝土”采用机器人技术和3D打印技术,建造一个以人体为尺度的拱形结构

  加工建造的实现过程。通过机械臂、数控机床、数控模具实现精确加工的数字工厂,可以完成复杂逻辑形体的加工,从而形成一种以性能化、材料性质为出发点的精确制造的高效率、高品质建造模式。

  沿的建筑设计与建造技术,更需要对工具包专利的保护与分享。(略)“定制C2B”时代的到来使数字建造更具竞争力。数字建造专门化将人从重复性的工作中解放了出来,能够更加迅速而廉价地响应市场的需求,高效地满足个性化要求。多工种、多专家参与的数字建造因为互联网的介入,在分布上呈现出

  多元化的特质。基于信息平台的全产业沟通,将使数字化建造成为“互联网+建筑产业化”的一个典型示范案例。在最后进入数字工厂生产之前,所有的设计工作均可以通过数字模型、模拟及虚拟建造等工序在互联网协同工作平台上进行。人从地理限制中解放出来,全球的材料供应商、生产商、设计师都可以在一个虚拟的平台上共享技术与设计,同时设计的甲方也可以积极地参与到设计的过程中,使设计能够更好地满足使用需求。

  的设计至施工的全过程。因为最小化了建造过程中对人工及人为经验的依赖,某些情况下,甚至可以实现设计生产的即时反馈。而材料、力学、热工等工程师也可以在设计之初就加入到产业链条中,与设计师对设计进行探讨、调整,从而在保证设计完成度的同时最大限度地优化设计的物理性能,再交付数字工厂生产。与此同时,基于数字建造的施工将避免节点、碰撞等常见的施工问题,因为这些在设计之初就已经被考虑及解决了。设计与生产的一体化的数字建造产业化将提高生产效率及节能环保需求。

  新,需要数字建造作为其强有力的加速器。“逻辑—设计—建造”的古老建筑学逻辑,被重新诠释为数字建造的“算法—形式—建构”。随着近年来BIM标准化建设、PC预制工厂发展,数字建造也逐渐从前沿的研究课题走向实际的建造工程。但是作为一个完整的设计系统,数字建造在如今的工程应用中还只是“凤毛麟角”,需要更多的专业人士投入来推动其发展。诚然,数字建造并不是“万灵药”,传统建造方式的经验和技术积累远超过数字建造,如今的数字建造可能需要通过特殊的复杂造型才能体现其精确性、优越性,但随着技术的发展、算法的进步,也许有一天数字建造变得便宜、便捷,或是社会需要模块化的生产,那时我们如今的尝试将变得有意义。数字建造,绝不是像现在表现出的那样先有奇奇怪怪的形式,再由人文情怀来人性化。它代表了一种从材料、算法、性能等不同和全新的角度来对待设计、解决设计问题的方法。高效、快速、柔性的数字建造方式与所有的新技术、新工艺一样需要时间,让设计与配套成熟,让设计师、施工方、建设方所接受。亦如希姆博尔斯卡(Wislawa Szymtor-ska)《致友人》中写道 :那些速度更快的飞行,

  袁烽.从数字化编程到数字化建造[J].时代建筑,2012(5):10-20.

  袁烽.数字化结构性能生形研究[J].西部人居环境学刊,2014(6):6-12.

  袁烽,门格斯,里奇.建筑机器人建造[M].上海:同济大学出版社,2015.

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