© ICD/ITKE University of Stuttgart

由德国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）设计的研究亭装置，展示了分段木材外壳的机器纺织制造技术。该装置是首个将工业缝纫技术运用在木材建造的建筑级别的项目。它是一系列研究亭装置之一，成功地呈现了计算机设计、仿生和制造流程在建筑领域的前景。该项目由学生与研究人员合作设计和实践，这是一支由建筑师、工程师、生物学家和古生物学家组成的跨学科研究团队。

 © ICD/ITKE University of Stuttgart

该研究展亭的特点是双重自下而上的设计理念，整个概念基于天然的分隔板结构仿生研究及薄胶合板的机器缝纫技术应用。该项目从对沙钱的构建形态分析出发，开发出一种可以弹性弯曲双层段胶合板的制造技术。将纤维缝合技术引入木材建造，使得轻质且高性能的木壳模块成为可能。

 设计过程 Image © ICD/ITKE University of Stuttgart

设计团队早期对海胆进行的仿生研究逐渐转化为该项目的建造概念，发展出新的木板外壳的建造方法。在该项目中，来自德国斯图加特大学的建筑师和工程师与图宾根大学的生物学家通过跨专业的合作，深入分析天然的分段壳形结构，以探索它们所具有的所有相关方面的特点。在棘皮动物的门分类下有两类物种，分别是海胆纲（海胆）与楯形目（沙钱），它们生长过程中形态化原理和程序化原理，都在建筑综合设计领域有着极大的发展前景。

 © ICD/ITKE University of Stuttgart

此外，在与德国图宾根大学的合作中，研究人员收集了大量物种的图片和电子显微扫描图（SEM ），深入了解海胆和沙钱复杂的体内结构。结果显示，这些分段轻结构的性能不仅仅取决于单体片状碳酸钙的排列形式，也取决于一种双层系统的几何形态与材料本身的差异性。不过，重要的是，一些海胆类生物上片状碳酸钙的连接方式，既有齿状的，也有纤维化的，由此可以推测，这种多材质的接合方式对保持海胆外壳的完整性起着重要作用，尤其是在海胆的生长过程中或承受外力的情况下。

 © ICD/ITKE University of Stuttgart

木的材料逻辑与结构逻辑的应用

基于沙钱的生物性原理以及材料特性，研究团队发展出一种类似沙钱次级生长机能的双层结构，用作该装置的材料体系。建筑构件由极薄的木条制成。利用木头的非均质特性，这些木条经过特定的复合过程，使得木纹的方向及粗细符合所要求的硬度，以实现一定半径范围内的变形。因此，原本平面的木条将被柔韧地弯曲成预设好的特殊形状。在此变形状态中，构件的形状最终通过机器缝纫来固定。151个几何各异的构件正是这样生产出来，最终组合成一个坚固的双弧面壳形结构。

 设计过程 Image © ICD/ITKE University of Stuttgart

一般来说，为了避免胶合板受外力产生弯矩，构件间设计的接合处只传递平面内法向力与切力。那么，切力的传递由构件边缘上的齿状接口实现，法向力的传递则由构件间独特的系带式咬合实现，这种转化模块之间张力的方式正是借鉴了海胆板间纤维状连接的原理。

 © ICD/ITKE University of Stuttgart

分段木材外壳的机器缝纫技术

木材具有出色的机械性能，超越传统的接合方式，在纺织及多材质接合的技术领域还有极大的施展余地。薄胶合板方面尤其易见，多个连续接口适用于较大的建筑单体构件。然而，胶水粘合的连接处则普遍需要透过强压或复杂的模板来提供胶合技术所需的压力。

 设计过程 Image © ICD/ITKE University of Stuttgart

那么，该项目中机器缝纫技术的研发，既要研发将分段单元的变形胶合板木条连接的功能，也要顾虑板层分离的潜在危险。单个木条构件的组装与变形过程都由一台工业机器人协助完成，然后，由一台定置式工业缝纫机将这个预制好的模块固定并缝纫成形。整个制造过程中，机器臂首先将模块过一次缝纫机，以连接所有木条，接着，它沿着模块边缘的槽操作，加强层压效果的同时把PVC覆盖的聚酯纤维薄膜贴上，形成了模块间系带式的咬合连接。机器操作臂和缝纫机实现一体化，均通过一个特定编码的软件控制，避免穿针过程中出现侧滑现象。

 设计过程 Image © ICD/ITKE University of Stuttgart

一次跨界建筑学、工程学与生物学的示范

该展亭由151个机器缝纫预制的模块组成。每一个模块由三个独立的山毛榉胶合板木条制成，直径范围在0.5米至1米之间，它们独特的形状与材质组成均根据结构几何的条件来设计。项目中研发的纺织接合技术可以满足任何一种金属材料的固定构件。整个装置重780千克，占地85平方米，跨度9.3米。平均的材料厚度／跨度半径比例最终为1/1000，该装置的结构重量仅为每平方米7.85千克。

 © ICD/ITKE University of Stuttgart

整个设计与大学校园中特殊的场地环境相呼应，建立一个半室外半室内的空间，并将座位设置与地形的起伏相结合，面向相邻的公众广场开放。同时，设计团队利用形态学的适用性能，研发出比简单壳结构复杂更多的空间体系。该研究展亭亦展示了生物学原理与计算机技术的结合，以及材料、形式和机器制造技术之间错综复杂的相互作用，如何为我们带来革新的木材建筑方式。这次的跨学科研究不仅产生了高性能且材料经济的轻结构，还探索了新颖的空间效果，拓展了木材在建筑意义上的可能性。

建筑师 ICD/ITKE 德国斯图加特大学

地址 德国，斯图加特，70174，Keplerstraße 11

建筑面积 85.0 平方米

项目年份 2016

Category 其他建筑