数控建造驱动的构造设计范文

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《建筑学报》2014年第八期

1数控建造驱动下的构造设计新趋势

1.1极简构造数控建造技术是一把双刃剑：一方面它极大地强化了加工过程的系统化与精确性；另一方面它会限制生产加工的方法和工艺。一些在传统工艺中显得很平常的作业，换做用数控加工设备来完成就变得非常困难。数控加工有一些天生的“劣势”：1)外围设备不易频繁更换，也就是说与材料直接接触的加工工具很难在同一个加工过程中频繁更换，因此数控加工很难像传统匠人那样灵活使用多种工具来加工一个构件；2)工件(被加工物体)的固定与更换比较繁琐，一般需要人工操作。片状材料一般使用胶水、胶布或者真空装置来固定，块状材料一般需要专门的夹具来固定。这种人工的参与极大地限制了加工过程的全程自动化；3)大部分数控加工设备无法获取加工状态的实时信息，因此它们几乎无法探测加工过程是否出错，更无法在加工过程中针对加工效果进行实时自我调整。所以，在制定加工方法时，人们会尽量选择简单有效的方法。基于以上特点，一些数控建造中的构造设计呈现出一种极简主义趋势。这是一种消极的设计策略还是一种充满智慧的选择，我们尚不能很快得出结论，但这种简化构造的设计显然很符合数控加工的特点。近年来以机械臂数控加工而闻名的格拉玛兹与科勒(Gramazio&Kohler)团队[3]设计并建造了一系列流线形的墙体(图2)。这些墙体由规则的砖块所构成，但每一块砖的方向和位置都是不同的，因此该项目采用机械臂来精确地放置每一块砖。墙体中左右砖块之间没有连接，上下砖块之间也没有任何构造，只是简单地利用胶水粘结，甚至可以不采用任何粘结材料。这种“无构造”(极度简化的构造设计)的构造处理方法与机械臂加工的特点相吻合。除此之外，该团队也设计了一系列以木棍为构成元素的构筑物。尽管整个构筑物的形态很不规则，其局部肌理也富有变化，但它的构造设计非常简单：木棍与木棍之间用胶水连接。胶水的强度高于木材本身，因此不需要额外的连接构件或榫卯结构。这种“无构造”的构造把机械臂加工的优势与局限都反映了出来。我们不能简单地认为构造的简化是消极设计。这种构造策略往往是形式、力学、材料、加工设备之间相互制约的结果。例如由苏黎世联邦理工大学Block团队设计的薄壳结构中[4]，石块与石块之间没有连接构造，石块本身的形状也很简单(图3)。然而，这种看似简单的构造设计一方面是对薄壳结构的整体与局部力学特性进行数字化分析得出的结果，另一方面是考虑当地加工设备(5轴切割机)的作业能力得出的方案。因此，这种“简单”构造是与从设计到施工的连贯的数字链相吻合的。简化构造最终是为了高效可靠地实现建造。在我国现有的建筑施工条件下，严格地实现数控建造尚有不少难度。于是一些建筑师开始探索适合本土施工条件的构造设计策略，例如袁烽提出的“低技参数化建造”[5]。在名为“绸墙”的墙体设计中[6]，砖块之间没有设置连接构造，建筑师把所有砖块的旋转角度模数化并制作了相应的几十种“角度模板”，从而使普通建筑工人也能用“传统”工艺来完成非标准建造。由此看来，简化构造的思维不仅体现在严格意义上的数控建造中，也延伸到广义上的“数字化”建筑设计中。

1.2微观构造(microtectonics)现代工业制造技术使微观构造设计成为可能，它突破了传统建筑设计所涉及到的尺度范围。在生物化学领域以及在一些制造业当中，加工与组装的尺度已经到了纳米级别。1994年美国科学家阿德尔曼(L.M.Adleman)[7]实现了以分子为操作对象的运算，是生化领域内微观操作技术的一个里程牌。近年来，麻省理工学院(MIT)阿拉亚(S.Araya)、佐洛托夫斯基(E.Zolotovsky)等人致力于生物建造(biofabrication)的研究[8]。他们精确地控制物理与化学环境，诱导木醋杆菌生长繁殖形成预先制定的形态，从而把塑形与生物生长结合起来。MIT的斯凯拉•蒂比茨(SkylarTibbits)并不满足于微观行为机制只能在微观尺度上呈现的现状，他提出建筑也可以像生物细胞那样实现“自组装”(self-assembly)[9]。他先把经过精确计算的应力植入材料内。当材料处于自由状态或者在随机的轻微抖动下，便会释放能量同时发生形变，从而完成自我组装。微观构造的另一个崭新的研究领域是可变形的织物研究。通过巧妙地设计织物的编织方法，再加入一些对环境敏感的材料，例如斯科特(J.Scott)[10]采用了对湿度敏感的薄木片；丹麦设计师穆斯(A.Mosse)[11]采用了电活性聚合物，能使整个织物主动地响应环境变化。微观制造技术在建筑设计中应用最纯熟的无疑是三维打印技术。早期的三维打印技术以加热塑性材料为主要工艺(stereolithography)，曾广泛用于制作建筑模型。不少人(包括一些数控建造的业内人士)认为三维打印的产品没有节点，也没有构造设计。然而，任何一种生产工艺必然会对其产品的结构构造产生决定性的影响，而三维打印技术处理的是极小尺度上的材料连接关系。意大利工程师恩里科•迪尼(EnricoDini)开发了一套以粉末为原料的大型三维打印机。它能精确地控制点状粘结剂将粉末凝聚成固体。打印结束之后，除去未被粘结的粉末(可回收利用)，剩下的固体部分就是所要打印的目标物体。恩里科使用自己开发的打印机完成了1∶1尺度的建筑原型(图4)。基于原料的普遍性与制造原理的简单性，他的团队提出了在月球上利用月球粉尘来打印建筑的设想[12]。这个例子充分说明了微观的材料与构造可以在数控技术的帮助下也能形成建筑尺度的作品。如果说恩里科是以工程师的身份从工艺出发来开发三维打印技术，那么汉斯迈耶(M.Hansmeyer)与蒂林伯格(B.Dillenburger)则是以建筑师的身份从造型出发来挑战现有三维打印技术的极限。他们的DigitalGrotesque项目[13]采用了德国Voxeljet公司的三维打印技术，建成了一个形态极其复杂的穹顶结构(图5)。该作品的打印精度达到了0.1mm，其几何形体一共由2.6亿个面所构成。如此复杂的形体，即使采用常见的参数化软件都无法完成。为了有效地控制形体和处理庞大的数据，他们基于Processing和Java语言编写了自己的软件。生成复杂形体的关键在于他们自主开发的一套操作几何体的语法(meshgrammar)。该语法在迭代运行的过程中会在不同的尺度上(从大到小)产生出不同的几何特征，直到生成的几何信息逼近计算机与三维打印机所能容纳的极限。因此在该项目中，作品的几何复杂度、计算机的储存与处理能力、三维打印设备的分辨率这三者之间达到了统一。

2.3基于材料特性的“无节点”(仿生式的接续的可变材料代替机械式的构造与节点)构造自19世纪早期兴起的现代主义建筑思潮，很多建筑师都认同“建构”[14]的概念，并推崇功能与形式并重的节点设计。然而，随着数字技术与新工艺的发展，部分建筑师意识到“无节点”的构造也有其独特的优势。尤其在一些具有特殊性能的材料出现之后，“无节点”设计就变得更加有效了。很多“无节点”设计也融入了仿生思维：生物结构往往并不像机械那样具有明确的节点，但却能以自己独特的方式实现复杂功能。加拿大前卫建筑师比斯利(P.Beesley)[15]的仿生设计系列就是一个典型的例子(图6)。备受争议的美国建筑师格瑞•林恩(GreyLynn)善于把各种可塑性很强的材料用在家具和建筑中。例如他采用玻璃钢(fiberglass-reinforcedpolyester)制作了有名的“意饺”(Ravioli)椅子，其造型呈整体的流线型，中间没有明显的连接节点。在2010年完成的洛杉矶盛开之屋(BloomHouse)中，建筑师又尝试运用热成型可丽耐(ThermoformedCorian)来完成整个建筑的室内部分。这种材料在加热到150�C以上时会变得非常柔软，具有强的可塑性，等材料再次冷却时又回归到刚硬的状态。可丽耐材料之间还可以用专门的胶水进行无缝连接。利用该材料特性，盛开之屋的整个室内环境由无缝连续的曲面构成。有些特殊材料只有与数控技术结合之后才能把自身的特性发挥得淋漓尽致。譬如德国蒙格斯(A.Menges)教授的ICD小组在2012年采用混合粘性树脂的玻璃纤维与碳纤维(resin-saturatedglassandcarbonfibres)建造了一个轻型构筑物[16]。建造的主要步骤包括：先制作一个木骨架(加工完成后撤去)，固定在一个数控转盘之上，然后机械臂开始在骨架上缠绕具有黏性的纤维线，逐渐形成多个由纤维线构成的薄层，最后把木骨架撤去就得到了一个完全由纤维构成的纤细结构(图7)。预先设计好的整体形状确保了这些纤维层之间相互挤压，从而使整个结构趋于稳定。虽然使用了总长30km的碳纤维与60km的玻璃纤维，整个构筑物还是非常轻盈(320kg)。精巧的设计与数据建造手段结合，最终造就了一个全身无节点的构筑物。这种无节点设计不是消极地回避构造，而是新材料与数控加工高度结合的产物。基于新材料的无节点设计往往受到自然界的启发。德国的斯图加特大学结构建造和设计研究所(ITKE)结构设计研究所基于仿生技术开发了弗兰托芬(Flectonfin)可变结构技术[17]。研究人员首先观察到在一些花朵的结构中，局部的微小形变可以导致大范围的形体突变。他们把这种原理简化为木板夹住纸片的模型，当木板发生轻微弯曲时，纸片会发生将近90�的形变。利用这个原理，ITKE研究所开发出了比较成熟的Flectonfin可变模块，可用于建筑立面，拟使用在韩国丽水世博会主题馆的立面上(图8)。显然，仿生型的无节点构造设计与传统的构造设计大不相同。一方面它需要对生物的相关原理进行深入的定性与定量研究，另一方面需要利用数学分析、新材料开发、数控建造等多方面的知识来制造具有仿生特性的人造结构。

2展望

高校模式与企业模式的结合构造设计理念在数控技术迅猛发展的影响下悄悄地发生改变。数字技术不会自行解决建筑中原有的构造问题，也无法掩盖这些问题，但能够提供不同的方式去分析与解决问题。面对数字化技术潮流，高校与企业有着不同的挑战与机遇。数控建造对高校来说是跨学科研究，对企业来说是跨行业开发。高校更关心数控技术在加工建造过程中的趣味性与潜力，因此设计的项目往往充满实验性，致力于展现数控建造这种新手段给设计带来的新的可能性，同时期望它会在某种程度上改变人们对设计的看法。与企业相比，他们可以比较自由地用全新的方式去诠释技术在建筑设计中的角色。而企业主要是期望数控技术能够提高产品的质量和加工的效率。不可否认的是，数控建造技术本身来自于企业，企业是推动技术发展的主体。一项技术，可能会在市场和社会中淹没，也有可能引起超乎想象的反响。很多数控技术企业期望建筑师能利用他们的技术，但不太可能亲自去尝试设计与技术的结合。而当建筑师与企业合作的时候，由于出发点不同，也很难在技术层面上共同改进设计与建造方法。如高校能与企业进行深度合作，必然极大地推动数控加工技术在建筑设计中的应用。

作者：华好单位：东南大学建筑学院