木板片彎曲結(jié)構(gòu)與機(jī)械臂縫紉

趙陽臣

摘 要：隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字計(jì)算與模擬技術(shù)被逐漸引入到設(shè)計(jì)之中，設(shè)計(jì)由形式驅(qū)動(dòng)演變?yōu)樾阅茯?qū)動(dòng)，性能成為設(shè)計(jì)過程中需要著重考慮的因素，無論是環(huán)境性能、材料性能還是行為性能，都成為了左右設(shè)計(jì)形式的要素。薄板片彎曲結(jié)構(gòu)作為當(dāng)今建構(gòu)研究中的全新課題，具有較大的研究價(jià)值。文章通過對(duì)相關(guān)案例的研究，闡述了在機(jī)械臂技術(shù)的協(xié)助下，板片彎曲結(jié)構(gòu)這種全新設(shè)計(jì)方法是如何實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)鍵詞：板片彎曲；機(jī)械臂縫紉；數(shù)字建造

中圖分類號(hào)：TU501 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0041-03

Abstract： With the development of digital technology， digital computing and analog technology has been gradually introduced into the design. The design has evolved from form-driven to performance-driven， and performance has become an important factor to be considered in the design process. Whether it is environmental performance， material performance or behavior performance， it has become the key factor of the design form. The bending structure of thin plate is a new subject in the research of construction nowadays， which has great research value. Through the study of relevant cases， this paper expounds how to realize the new design method of plate bending structure with the help of manipulator technology.

Keywords： plate bending； arm sewing； digital construction

1 概念緣起

板片材料作為一種傳統(tǒng)建構(gòu)材料，特別是木板材料，在傳統(tǒng)建造過程中非常易于使用，首先木板片方便桌面加工，這種二維加工方式簡(jiǎn)單快速，并可以和國內(nèi)現(xiàn)有的制造技術(shù)很好的結(jié)合起來，另一方面木板片的二維加工通常相對(duì)廉價(jià)。隨著建造中預(yù)制化、模塊化特征越發(fā)明顯[1]，板片材料也逐漸在建造中發(fā)揮出重要作用。

然而板片材料也有其局限性，板片的二維材料特征雖使得半片材料易于加工，但以傳統(tǒng)方式使用板片會(huì)讓設(shè)計(jì)在形式上受到限制，另一方面板片材料通常有易變形的特征，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上很難保證。由此看來，板片的彎曲似乎可以同時(shí)解決這一系列問題。彎曲讓原本二維的板片產(chǎn)生三維形態(tài)特征，從而可以實(shí)現(xiàn)多維造型，設(shè)計(jì)在形式上可以得到維度上的解放。同時(shí)如果充分利用板片的彎曲特性，可以在結(jié)構(gòu)上為構(gòu)筑物提供預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的強(qiáng)化。

板片彎曲的設(shè)計(jì)思路讓木板片的使用方式無論在形式上還是性能上都邁出了一大步。這種理想的新設(shè)計(jì)思路也隨之為設(shè)計(jì)過程帶來了巨大的挑戰(zhàn)，從形式角度來看，由于這種設(shè)計(jì)過程中通常會(huì)需要面對(duì)復(fù)雜的幾何問題，設(shè)計(jì)師很難預(yù)想板片彎曲伴隨的造型變化。從性能上看，雖然理論上板片的彎曲可以實(shí)現(xiàn)性能的強(qiáng)化，但是在具體設(shè)計(jì)的過程中這些性能也是難以估算的。從實(shí)際建造角度看，這種新范式很難通過傳統(tǒng)線性建造工藝實(shí)現(xiàn)的，需要研究針對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行建造方式革新。

在數(shù)字技術(shù)不完善的二十世紀(jì)二十年代，設(shè)計(jì)師已經(jīng)開始了對(duì)板片彎曲結(jié)構(gòu)的研究，當(dāng)時(shí)的板片彎曲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是依靠大量幾何計(jì)算來實(shí)現(xiàn)的，這方面研究主要體現(xiàn)在穹頂建筑領(lǐng)域中。理查德·巴克敏斯特·富勒是美國著名設(shè)計(jì)大師，他在建筑材料與穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域做出了杰出貢獻(xiàn)。富勒的設(shè)計(jì)大多為三角網(wǎng)格的球形穹頂建筑，他致力于研究如何發(fā)揮材料與結(jié)構(gòu)的特性實(shí)現(xiàn)建筑中的曲面大跨弧面穹頂。他做的很多小規(guī)模搭建實(shí)驗(yàn)研究了不同的穹頂結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式[2]。這些實(shí)驗(yàn)解決了很多幾何計(jì)算的難題，然而這些研究還是僅限于應(yīng)對(duì)球面這類基本幾何體，更復(fù)雜的曲面造型時(shí)通常需要面對(duì)更為復(fù)雜的幾何計(jì)算。在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制下，富勒只能通過幾何計(jì)算來求得數(shù)據(jù)，其造型呈現(xiàn)的形式也受到了很大的限制。

二十世紀(jì)下半葉解構(gòu)主義浪潮席卷設(shè)計(jì)領(lǐng)域，建筑設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性需求越發(fā)強(qiáng)烈，人們不再滿足于基本幾何造型，因此幾何計(jì)算越來越難以招架建筑設(shè)計(jì)中的復(fù)雜體系。在這樣的形式下，數(shù)字化技術(shù)開始被設(shè)計(jì)師引入到設(shè)計(jì)中，參數(shù)化設(shè)計(jì)開始萌芽，二十世紀(jì)末出現(xiàn)了首個(gè)參數(shù)化軟件。數(shù)字技術(shù)的介入對(duì)于板片彎曲結(jié)構(gòu)面對(duì)的瓶頸無疑是雪中送炭。在短短的二十年左右的時(shí)間，數(shù)字技術(shù)從虛擬設(shè)計(jì)到施工建造全面融入了設(shè)計(jì)，板片彎曲結(jié)構(gòu)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

2 板片彎曲的數(shù)字化設(shè)計(jì)策略

計(jì)算機(jī)的數(shù)字計(jì)算技術(shù)與物理模擬技術(shù)可以完成彎曲所需一系列模擬計(jì)算甚至主導(dǎo)找形生形過程。機(jī)械臂等一系列數(shù)控機(jī)械在建造中的引入將設(shè)計(jì)與建造聯(lián)系在一起，在數(shù)據(jù)信息的控制下，木板片彎曲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了從虛擬設(shè)計(jì)到物質(zhì)化的轉(zhuǎn)譯。以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的具體策略可以歸納為兩個(gè)類型，即基于數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化的彎曲策略和基于模擬計(jì)算的彎曲策略[3]。本文針對(duì)以上兩種彎曲策略，分析了在數(shù)字技術(shù)的協(xié)助下板片彎曲形態(tài)與結(jié)構(gòu)是如何實(shí)現(xiàn)的。

2.1 基于數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化的彎曲策略

數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化的彎曲策略是幾何計(jì)算與數(shù)字技術(shù)結(jié)合的數(shù)據(jù)計(jì)算生形方法，在數(shù)字技術(shù)的協(xié)助下，彎曲開始應(yīng)用到復(fù)雜的異形形體中，這種策略可以幫助設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)建造中每個(gè)單元都不同數(shù)據(jù)的復(fù)雜情況。

對(duì)于彎曲中的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，一般可歸納為兩種方法。一是多重曲面分解法，在彎曲形態(tài)中我們最關(guān)鍵的問題是如何處理出數(shù)據(jù)過程中的單曲面與平面之間的數(shù)據(jù)互換，處于這種目的，可以將出數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)過程中單獨(dú)考慮，這樣一來問題就被大大簡(jiǎn)化了，通過將曲面轉(zhuǎn)化為由基本四邊形與三角形等平面或者單方向單曲面組合而成的多重曲面，可將曲面模塊輕松展開，在必要的情況下對(duì)展平后的圖形進(jìn)行折角圓滑和頂點(diǎn)的掏空。雖然在出數(shù)據(jù)的過程中是作為多重曲面處理，可是得出的平面數(shù)據(jù)足以讓我們?cè)趯?shí)際操作的過程中得到預(yù)期的曲面。

二是平面數(shù)據(jù)反推法平面數(shù)據(jù)反推法與多重曲面分解法相似，同樣是獨(dú)立考慮出數(shù)據(jù)的計(jì)算方式。不過平面數(shù)據(jù)反推的方法將更多的計(jì)算放到平面中去完成。在設(shè)計(jì)的過程中只做基本形體的重要數(shù)據(jù)，比如基本輪廓或者關(guān)鍵邊緣線等，得到這些數(shù)據(jù)之后拍平，在平面中根據(jù)一定邏輯來推算每個(gè)模塊展平后的形態(tài)。

以上的兩種方法可以將復(fù)雜的彎曲計(jì)算轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算，在精度要求不高的小體量建造中可以說是聰明的方法，可是這些方法也帶有很明顯的弊端，就是誤差相對(duì)大，只能得到接近預(yù)想的形式結(jié)果，不能進(jìn)一步精準(zhǔn)更不能以這個(gè)方式去求其中彎曲與材料性能、結(jié)構(gòu)性能之間的復(fù)雜關(guān)系。

2.2 基于模擬計(jì)算的彎曲結(jié)構(gòu)

數(shù)字模擬技術(shù)的發(fā)展讓彎曲結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用又有了新的發(fā)展，此類技術(shù)通過對(duì)環(huán)境，材料，結(jié)構(gòu)等多方面模擬，計(jì)算彎曲性能與推算形態(tài)變化，甚至優(yōu)化形態(tài)求得最優(yōu)結(jié)果。計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的策略主要可以分為兩類，一種是實(shí)時(shí)物理模擬法，還有一種是有限元模擬法。

實(shí)時(shí)物理模擬是如今比較普遍的模擬計(jì)算方式，其對(duì)應(yīng)軟件較完善，操作也相對(duì)簡(jiǎn)單。在實(shí)時(shí)物理模擬中，通過簡(jiǎn)化環(huán)境因素，設(shè)定特定的力學(xué)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)近似真實(shí)結(jié)果的模擬計(jì)算。如kangaroo是典型的實(shí)時(shí)物理模擬軟件，kangaroo通過構(gòu)建粒子系統(tǒng)，模擬粒子間力的關(guān)系，從而可以求得在力作用下物體的形態(tài)與性能變化。這種模擬方式依然有其局限性，由于其模擬是理想化的高度簡(jiǎn)化的力學(xué)關(guān)系，所以其模擬結(jié)果始終還是近似的結(jié)果，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的實(shí)際情況，與真實(shí)的彎曲結(jié)果通常有不可避免的誤差。

有限元模擬是近幾年仿真模擬技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，主要被應(yīng)用于工程與機(jī)械領(lǐng)域。與實(shí)時(shí)物理模擬相比，有限元模擬是更加復(fù)雜的模擬方式，其更側(cè)重于重力學(xué)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)師除了要設(shè)定環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)與相關(guān)受力情況，還需要給與材料特性等精細(xì)數(shù)據(jù)。有限元模擬通常是非常復(fù)雜的仿真模擬過程，其得到的結(jié)果也會(huì)相對(duì)準(zhǔn)確，可以模擬真實(shí)的結(jié)構(gòu)受力情況，并得到準(zhǔn)確的造型。不過正是由于其模擬的復(fù)雜與精確的特性，實(shí)施起來技術(shù)難度較大，通常還需要非常漫長的耗時(shí)。

3 機(jī)械臂技術(shù)的介入

板片彎曲作為一種新的構(gòu)建方式，在帶來全新形式與結(jié)構(gòu)范式的同時(shí)也衍生了建造工藝上的難題，如板片的彎曲在現(xiàn)實(shí)加工過程中有時(shí)很難精確彎曲到理想的弧度，另一方面彎曲的板片在銜接的過程中會(huì)面臨不同于常規(guī)建造組裝的復(fù)雜情況?？梢娖浣ㄔ彀惭b過程是傳統(tǒng)工藝手段難以駕馭的。機(jī)械臂技術(shù)與縫紉技術(shù)的創(chuàng)造性結(jié)合很好地解決了這些難題。

2016年斯圖加特大學(xué)完成的縫合建筑實(shí)驗(yàn)是機(jī)械臂縫紉技術(shù)應(yīng)用于建造的首次成功案例（圖1）。該項(xiàng)目采用了模仿海膽的仿生雙層表皮結(jié)構(gòu)，由一百多塊木板片彎曲單元縫合組裝而成。其中木板片單元之間多維度復(fù)雜的縫合路徑是組裝的一大難點(diǎn)，設(shè)計(jì)師將機(jī)械臂技術(shù)與縫紉機(jī)結(jié)合，將縫紉機(jī)安裝于機(jī)械臂一端，由腳本控制特定的機(jī)械臂縫紉路徑，配合齒形卡扣方式使板塊之間形成了緊密的縫合銜接，巧妙實(shí)現(xiàn)了板片之間的縫紉連接。機(jī)械臂縫紉技術(shù)的成功完成了木板材料的三維路徑縫紉，該項(xiàng)目的成功展示了木板彎曲建構(gòu)中去金屬連接件的可能性。

2017年斯圖加特大學(xué)在同濟(jì)大學(xué)“數(shù)字未來”工作坊中的機(jī)械臂木縫紉實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了木板彎曲與機(jī)械臂縫紉技術(shù)結(jié)合的建構(gòu)方式。在該實(shí)驗(yàn)中，同樣是應(yīng)用機(jī)械臂縫紉技術(shù)。木板片在切割的過程中通過CNC連接水筆畫出了定位用的黑色方格。紉機(jī)上端安裝有攝像頭，其拍攝的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥_本中，firefly通過識(shí)別黑色方格確定縫紉位置，由三個(gè)定位點(diǎn)確定一條縫紉路徑。該設(shè)計(jì)通過雙層彎曲板片結(jié)構(gòu)，大大加強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力，從而以最省的材料達(dá)到了最大可能的強(qiáng)度。

第三個(gè)案例（圖3，圖4）的板片彎曲建構(gòu)實(shí)驗(yàn)基于現(xiàn)有的機(jī)械臂縫紉建構(gòu)技術(shù)探索了多層板片結(jié)構(gòu)的可能性。該設(shè)計(jì)中由一百多片三向彎曲的單曲面單元相互縫紉連接組成，采用了多重曲面分解的方法，將曲面轉(zhuǎn)化為了由四邊形與三角形面組成的多重曲面，在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上鋪平進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化處理得到每一個(gè)單元的輪廓數(shù)據(jù)，切割得到的板片單元一方面自生進(jìn)行彎曲與機(jī)械臂縫合，另一方面相鄰單元之間也進(jìn)行縫合。整體表皮形成了四層彎曲表皮結(jié)構(gòu)，完全通過彎曲達(dá)到的應(yīng)力形成牢固的自支撐，同時(shí)多層彎曲板片結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出了獨(dú)特的空間肌理與形式特征。

從這些實(shí)驗(yàn)案例中我們不難看出設(shè)計(jì)與建造工藝逐漸一體化的趨勢(shì)，這種由數(shù)字技術(shù)全局掌控的工藝手段在建筑領(lǐng)域日漸成熟，被稱之為“信息工藝”[4]。Grasshopper， python等數(shù)字腳本在控制設(shè)計(jì)生形的同時(shí)，把信息模型傳給機(jī)械臂等數(shù)控機(jī)械，機(jī)械臂通過數(shù)據(jù)反饋完成信息模型的物質(zhì)化工作。于是基于代理的一整套多智能系統(tǒng)得以建立[5]。

4 結(jié)束語

新技術(shù)的發(fā)展通常是設(shè)計(jì)進(jìn)步的催化劑，如今伴隨著后數(shù)字時(shí)代的到來，數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不再停留于計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)，由于越來越多的因素可被同質(zhì)化為數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的物質(zhì)化過程也更加可控制可計(jì)算，在這樣的環(huán)境下，數(shù)據(jù)成了設(shè)計(jì)與物質(zhì)化的交匯點(diǎn)。設(shè)計(jì)、制造、建造之間的界限被打破，逐漸成為一個(gè)整體化的復(fù)雜體系。板片彎曲與機(jī)械臂縫紉技術(shù)結(jié)合的全新范式，正是當(dāng)代建筑模塊化批量預(yù)制趨勢(shì)下的產(chǎn)物[6]，更是在數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)形式與數(shù)控技術(shù)互相推進(jìn)與融合，并開辟新設(shè)計(jì)思路的典型案例。機(jī)械臂技術(shù)與縫紉技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合解決建造問題的同時(shí)，又為設(shè)計(jì)形式的創(chuàng)新開辟了空間。可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的未來機(jī)械臂等數(shù)控技術(shù)在設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的跨領(lǐng)域融合與創(chuàng)新，數(shù)字技術(shù)在物質(zhì)化過程中的介入與全方面控制也會(huì)成為設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)重要議題。

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