© Burggraf / Reichert

近日，一个新的实验性展览装置由斯图加特大学计算机设计学院（ICD）和建筑结构与结构设计学院（ITKE）合作建造完成，作品意图探究碳纤维增强复合玻璃材料在建筑空间尺度上的建构方式。这项具有创新性的建构过程是根据纤维结构的特点和其独特性能而特别设计的。这些材料质量轻，抗拉强度高，使得我们有机会采用一种完全不同的构造方式。它结合使用了作业精确但范围有限的固定式机器人，和轻型、允许超距作业的机械装置无人飞行器（UAV）。这种协作作业的理念使这种长跨度复合纤维结构的建造范围变得可拓展。此项研究以一系列成功的展馆作品为基础，综合编程设计、机械装配和数字构造，探讨它们的真实空间效果和施工操作可能。项目是一个由建筑师、工程师和生物学家组成的跨学科团队中的学生和研究人员设计建造完成。

 © Burggraf / Reichert

轻型、长跨度的纤维结构

我们认为纤维复合材料在建筑领域应用拥有巨大的潜力。这种材料生成的特性，决定了它们很容易被应用于高度工程化的工艺流程中，如汽车或航空航天领域等。在建筑领域的潜力很大程度上还没有被开发。在建筑尺度的实验中，材料的自重是能否实现较大的跨度结构的重要考量因素，这种轻质的纤维复合材料无疑提供了无与伦比的轻巧性能。然而，目前我们不具备足够的纤维复合材料制造工艺，来满足建筑和设计行业所要求的设计自由和系统适应性。传统的建构方法需要设计立面的全尺寸，因此它也通常会对零件的生产过程产生一定的约束。ICD 和 ITKE 先前的研究探索了在不需要面模具或昂贵的模架的情况下纤维复合结构的生形问题。这种具有创新性的建构方法在生成高度分化的多层结构上格外擅长，以及功能集成的建筑系统和大型部件的组件等等。他们克服了传统的纤维复合材料制造工艺的局限性，找到了相对易成形的材料。然而，我们早期研究的空间尺度一定程度上受到了机械臂的工作空间范围的限制。ICD/ITKE 2016-17研究展亭的目标是期望实现一个可扩展的建构过程，通过深化长跨度连续纤维结构的生成过程来测试这种材料应用的最佳方案。

 © Laurian Ghinitoiu

项目的关键即是这种并行的、自底向上的生成策略。通过对长跨度纤维复合结构的自然构造过程进行生物模拟，我们实现了极具创新性的纤维增强复合结构机械臂建构方法。我们期望构建一种较长跨度上的纤维生形技术，在依托有力的连续丝网结构的同时，将所需模板数量减少到最低。我们对自然界轻质结构的功能原理和构造逻辑进行了分析、研究，与演化与生态学研究所和图宾根大学古生物学系进行了合作。我们发现两种叶蛾，桃潜叶蛾和银潜叶蛾，它们的幼虫可以在弯曲叶片上造丝结网形成“吊床”，我们认为这一结构有机会向长跨度纤维结构的形态生成过程原理上转移。我们将一些发现从这物模型中抽象出来，转移到建构和结构理念中。这其中包括：可弯曲的附属结构和无芯丝网纤维的结合，形成复合纤维框架，纤维的向量和层级使得模型在长跨度结构和多阶体积纤维编织过程中产生复杂的三维图形。

 致谢 ICD-ITKE University of Stuttgart

 © Laurian Ghinitoiu

 致谢 ICD-ITKE University of Stuttgart

在标准机械设备的工作允许空间范围之外创建一个大跨度结构，需要搭建一个协作平台。在其中，多个机器人系统通过搭建接口、传递信号，实现无缝衔接的纤维建构体系。纤维可以在多台机器之间传递以生成连续的材料结构。构造过程须要建立在强大和精确的协作基础上，然而固定式器械可操作范围有限，超幅作业设备又具有精确度不高的特点。我们的实验装置采用两台固定式机械臂，它们具有结构体系最终端的纤维编织搭建所需的精度和强度。同时，一台自动的、超远幅的、但不太精确的纤维运输系统被用来将纤维从一边传递到另一边，在这次实验中，我们使用了一种定制的无人机。我们将无人机不受限制的自由移动属性与机器人的可变性结合在一起，实现了在同一个结构中铺设纤维的可能性，创造了材料和结构同时建构的机会，而这是单独的机器人或无人机所不可能实现的。

 致谢 ICD-ITKE University of Stuttgart

 致谢 ICD-ITKE University of Stuttgart

我们开发了自适应控制、协调系统，允许多个机器人和无人机在缠绕和纤维铺设过程中进行交互。集成传感器接口帮助机器人和无人机实时地调整它们的行为，从而适应建造过程中不断变化的环境。无人机可以在不需要飞行员的情况下任意飞行、降落，并且这种纤维结构具有一定的张力，可以调节、适应无人机和机器人的行为。定位系统为机器人和无人机提供数字和物理位置的转译，帮助其在结构生形过程中材料的不断传递。这一系列集成传感器、自适应设计等为大规模复合纤维的多机联网建构模式奠定了基础。

2016-17年的ICD/ITKE研究展亭由共计184公里的树脂玻璃和碳纤维材料打印完成。我们希望使用轻质材料体系测试这种长跨度悬臂结构，它是一个长12米的极端结构方案。结构曲面覆盖约40平方米的面积，总重约1000公斤。最终结构并不是在现场建造完成的，因此整个装置的尺寸被限制在允许运输的体积之内。如果是在现场建造，那么装置的结果可以有更多变化，比如可以有更长的跨度或者更大容量的结构。

 © Laurian Ghinitoiu

展馆的整体结构展示了应用多阶纤维编织来构造结构形态的可能性。预先生成的可弯复合框架帮助我们减少了不必要的架构工作，搭建机器人和轻型无人机的协作平台，增加了建筑可被建造的规模、跨度。它探讨了未来的建构模式，如分布式、协作式和自适应体系等。此项研究将结构设计、材料特性、生成逻辑、生物机理和建筑设计结合在数字设计与建造中，展示了数字设计和数字建构的优秀潜力。最终的样作则是对长跨度、纤维复合结构单元的可拓结构在建筑领域应用的验证。

建筑师 ICD/ITKE University of Stuttgart

地址 Stuttgart, 德国

设计团队 ICD Institute for Computational Design and Construction – Prof. Achim Menges ; ITKE Institute of Building Structures and Structural Design – Prof. Jan Knippers

建筑面积 40.0 m2

项目年份 2017

摄影师 Laurian Ghinitoiu , Burggraf / Reichert

Category 小尺度项目