自適應(yīng)纖維編織系統(tǒng)
——高效低碳的可持續(xù)建造方式

倪爾譽(yù) 辛卓陽 鮑鼎文 羅丹

數(shù)字建造對建筑設(shè)計(jì)而言，是一次跨時(shí)代的革新。傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)更多依賴個(gè)人的思維及動手能力，不利于從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等方面進(jìn)行統(tǒng)一考量。數(shù)字建造基于建筑信息模型，將建筑全生命周期中的大部分因素進(jìn)行參數(shù)化處理，優(yōu)化、平衡各個(gè)因素。它的出現(xiàn)提高了建筑設(shè)計(jì)與如土木工程、環(huán)境工程、人文社科等領(lǐng)域的兼容性，減少領(lǐng)域之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域的合作。

1 建筑對環(huán)境的影響

在碳達(dá)峰、碳中和的背景下，2020年我國明確了“3060碳目標(biāo)”的具體要求。為響應(yīng)這一低碳目標(biāo)，輕量化材料尤其是碳纖維等新型輕量化材料在航空航天、汽車交通、建筑橋梁等領(lǐng)域得到了越來越多的研究應(yīng)用。碳纖維為含碳量在90%以上的高強(qiáng)度、高模量的彈性纖維，其密度約為鋼密度的1/4，鋁密度的1/2；強(qiáng)度為鋼強(qiáng)度的5～6倍，與鋼材料相比，其減重效果約達(dá)70%。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其重量輕、易于應(yīng)用、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)受到建筑行業(yè)的青睞。相較于其他類型纖維，碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度重量比較高、耐久性強(qiáng)、可持續(xù)性價(jià)值高，且具有形成復(fù)雜形狀的能力，應(yīng)用潛力巨大[1]。數(shù)字化和自動化技術(shù)在建筑制造過程中日益普及，靈活度高、結(jié)構(gòu)高效的FRP復(fù)合材料在大型定制結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出卓越的性能。本項(xiàng)目探索了定制化結(jié)構(gòu)自適應(yīng)纖維纏繞模具，以及新材料碳纖維在數(shù)字建造中的融合，為建筑領(lǐng)域帶來新的活力。

2 多類優(yōu)化結(jié)構(gòu)部件的自適應(yīng)機(jī)器人纖維纏繞系統(tǒng)

無芯纖維纏繞（CFW）是一種數(shù)字化、自動化的制造技術(shù)，在制造構(gòu)件方面，定制化和生產(chǎn)力較高，并在一些大型展館建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的CFW技術(shù)多使用一次性預(yù)制支撐框架，限制了預(yù)制單元的靈活性，浪費(fèi)了框架材料。遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)的原則，本文提出自適應(yīng)的機(jī)器人纖維纏繞系統(tǒng)，以碳纖維為建筑材料，以三腳圓桌為模型，通過引入臨時(shí)支撐架，增加其可重復(fù)利用性和靈活性。該過程依賴于使用最小的、可拆卸的框架，由工業(yè)機(jī)器人使用連續(xù)的碳纖維材料以預(yù)定的順序纏繞。在數(shù)字一體化設(shè)計(jì)的背景下，本實(shí)驗(yàn)利用數(shù)字結(jié)構(gòu)插件，對目標(biāo)模型進(jìn)行力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制作和搭建預(yù)制框架，解決了制造過程中的裝配細(xì)節(jié)問題。利用提出的制造系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并制作了一種組合式工作臺原型，最終的樣機(jī)驗(yàn)證了自適應(yīng)繞線系統(tǒng)的可行性和可靠性，證明了該技術(shù)在多種優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件方面的較高潛力。

2.1 生形

2.1.1 圓桌形體設(shè)計(jì)

卓越的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往是形與力的有機(jī)統(tǒng)一，建筑形態(tài)需表現(xiàn)清晰的結(jié)構(gòu)邏輯。埃拉迪歐指出：“我們所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及強(qiáng)度來源于它們的形式，正是通過形式它們才是穩(wěn)定的，而不僅僅是依靠拙劣的材料堆積”[2]。計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)生形工具能夠更好地實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的力形統(tǒng)一，Grasshopper平臺下的Kangaroo生形插件在曲面結(jié)構(gòu)生成方面具有較大的優(yōu)勢。三角圓桌桌腿部分的研發(fā)，便是基于Kangaroo對曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Kangaroo將物體視為由大量離散粒子組成，各粒子間由彈簧相互連接。其找形過程通過施加初步的邊界條件及荷載，使所有粒子在彈簧約束下進(jìn)行相對自由的移動，并在粒子運(yùn)動過程中找到物體的平衡狀態(tài)，使所有彈簧勢能之和最小。Kangaroo主要分析柔性結(jié)構(gòu)（如張拉膜）、充氣結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等曲面結(jié)構(gòu)[3]，基于粒子—彈簧系統(tǒng)為找形過程提供力學(xué)依據(jù)。圓桌的生形始于平面結(jié)構(gòu)，通過Kangaroo對其三條直線邊的點(diǎn)施加邊界約束，并對整個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施加向上均布荷載，進(jìn)行動態(tài)力學(xué)分析，最終得到力學(xué)合理的張拉形體。

1 拓?fù)鋬?yōu)化迭代過程

2.1.2 亭子結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化

近幾年，拓?fù)鋬?yōu)化算法在建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)找形中愈發(fā)流行，受到了建筑師和工程師的青睞。利用拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)計(jì)師可在有限的材料用量中，找到結(jié)構(gòu)性能較高的材料分配方式，得到高效、美觀的設(shè)計(jì)方案，并對局部細(xì)節(jié)進(jìn)行增材或減材調(diào)整。謝億民院士團(tuán)隊(duì)提出的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO）和Ameba拓?fù)鋬?yōu)化軟件[4]，因其過程簡潔、運(yùn)算高效的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。本研究改進(jìn)了此BESO算法，并將其應(yīng)用在更大尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

研究通過對初始模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，施加初步的邊界條件及自重荷載，設(shè)置拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)（VF 10%等）。計(jì)算機(jī)自動運(yùn)行修改版的雙向漸進(jìn)拓?fù)鋬?yōu)化算法（MW-BESO）[5]，初始模型的材料被逐步刪除和添加，經(jīng)過近60步迭代后，保留10%的材料及最佳結(jié)構(gòu)形態(tài)（圖1），通過Ameba軟件的smooth功能光滑化后，重新建模。

2 參數(shù)化建模示意圖

3 C 形亭參數(shù)化生形

2.2 優(yōu)化

2.2.1 圓桌桁架模塊化設(shè)計(jì)

三腳圓桌的建造引入了模塊化的建造模式。模塊化結(jié)構(gòu)因其工業(yè)結(jié)構(gòu)和拆卸、重復(fù)利用的預(yù)定特征，在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)展目標(biāo)方面，具有較高潛力[6]。

三角圓桌的模塊化始于殼幾何的深度擠出，首先對圓桌的基本殼形體進(jìn)行恒定網(wǎng)格載荷（Constant Mesh Load）分析，得到基本的應(yīng)力分布，同時(shí)依照實(shí)際建造過程中的環(huán)境約束，對模塊進(jìn)行劃分，基于各個(gè)模塊所在位置的應(yīng)力分布，依據(jù)受壓越大擠出深度越大的原則，進(jìn)行參數(shù)化建模。參數(shù)化建模示意圖（圖2）中，黑色部分為受壓較大區(qū)域，白色部分為受壓較小或受拉區(qū)域。擠出深度控制在150～200mm，對模塊相接的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同程度的擠出，擠出深度由相連模塊的平均內(nèi)力分布情況決定，其中受壓最大的底部，擠出深度為200mm，受壓最小或受拉最大的頂部，擠出深度為150mm，中部擠出深度采用內(nèi)插法，并做微調(diào)，使圓桌下表面的弧度與其上表面近似對應(yīng)。最后根據(jù)桌腿的功能性對上表面和底部進(jìn)行平整處理。

在無芯纖維編織中，構(gòu)成元素均呈線性，因此圓桌采用桁架形式。一方面由于桁架結(jié)構(gòu)的組件基本為線性二維狀態(tài)，符合碳纖維線性的幾何特點(diǎn)，采用桁架形式有利于提升編織工藝的可操作性；另一方面由于桁架結(jié)構(gòu)對組件的較高利用率，在降低材料使用成本的情況下，利于提升結(jié)構(gòu)性能，凸顯新材料優(yōu)勢。據(jù)此，研究通過數(shù)字化建模，對圓桌桌腿部分進(jìn)行桁架建構(gòu)模擬。

數(shù)字化模型將所有的信息及反饋內(nèi)嵌于設(shè)計(jì)環(huán)境中，因此在圓桌構(gòu)建優(yōu)化中，我們運(yùn)用Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)工具中的Karamba力學(xué)分析插件進(jìn)行分析與優(yōu)化。桁架圓桌通過模擬桌面荷載，對上表面平整的6個(gè)模塊施加均布向下的荷載200kg，對三條桌腿底部進(jìn)行邊界約束，進(jìn)而得到內(nèi)部應(yīng)力分布情況。從模型的受力分析結(jié)果可知，所有桁架構(gòu)件所需的承載力信息，通過前期的初步材料試驗(yàn)，桿件的承載力在纖維材料確定的情況下，由其編織數(shù)量決定。而纖維材料具有高抗拉、低抗壓的特點(diǎn)，其數(shù)量由受壓應(yīng)力決定。結(jié)合Karamba分析結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果，確定每個(gè)模塊桿件纖維編織的數(shù)量，其中最多的桿件（即受壓最大的桿件）由9次編織纖維組成，最少的桿件（受拉和受壓較小的桿件）由3次組成。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程，通過材料的合理分配利用，高效地提升圓桌的結(jié)構(gòu)性能。

2.2.2 亭子模塊化及殼體模式設(shè)計(jì)

同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)研究了編織面（Weaving Surface）的模塊構(gòu)成方式，繼而衍生出由編制面組成的、基于拓?fù)鋬?yōu)化分析得到的模塊框架亭子。依照實(shí)際建造中的環(huán)境約束，對亭子進(jìn)行劃分，并利用穩(wěn)定的C形殼體結(jié)構(gòu)，替代其中的模塊單元。亭子的C形單元設(shè)計(jì)由玻璃纖維塑形，同時(shí)用碳纖維在表面進(jìn)行增強(qiáng)。為得到碳纖維增強(qiáng)模式，設(shè)計(jì)基于Karamba插件中對殼體的BESO分析算法，在自重荷載下分析C形亭子結(jié)構(gòu)。材料的高效分配，會對結(jié)構(gòu)進(jìn)行增材或減材調(diào)整，設(shè)置的目標(biāo)材料量為原始的80%，并進(jìn)行50次迭代，在所得的優(yōu)化結(jié)果中，淺灰色部分為材料減材區(qū)域。利用參數(shù)化工具，將得到的優(yōu)化模式轉(zhuǎn)化為碳纖維分布情況，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的力形統(tǒng)一，使其殼體模式更加結(jié)構(gòu)合理化（圖3）。

2.3 構(gòu)造——可重用性預(yù)制支撐框架的研發(fā)

在無芯纖維纏繞技術(shù)的使用中，需使用一次性預(yù)制支撐框架，這限制了預(yù)制單元的靈活性并且浪費(fèi)了材料。秉持著可持續(xù)發(fā)展的綠色生態(tài)建筑理念，我們研究了一種自適應(yīng)的機(jī)器人纖維纏繞系統(tǒng)。區(qū)別于已有無芯纖維纏繞技術(shù)，該系統(tǒng)可重復(fù)利用于多種異形模塊。

2.3.1 針對三角圓桌的纏繞系統(tǒng)

該系統(tǒng)由簡單的橫豎桿件組成基本的支撐系統(tǒng)（圖4）。豎桿作為基礎(chǔ)預(yù)先錨固在工作臺上，橫桿負(fù)責(zé)提供纖維纏繞的錨固點(diǎn)。機(jī)器臂根據(jù)單元模塊的幾何信息，對橫桿進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并與豎桿相連。其靈活的、定制化的機(jī)器臂定位過程，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)一次性預(yù)制框架在空間范圍上的局限性，同時(shí)也在異性模塊建造中得以重復(fù)利用，減少材料浪費(fèi)。該項(xiàng)技術(shù)可提升制造工業(yè)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及自動化水平。

基于該預(yù)制支撐系統(tǒng)框架，纖維的編織技術(shù)為模塊建造中至關(guān)重要的部分。纖維編織建造一般為一筆畫路徑，因此需要結(jié)合在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中所得到的桿件纖維纏繞數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動軌跡也需要根據(jù)實(shí)際錨固點(diǎn)的位置和纖維纏繞的順序進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過增大其容許誤差，提高對不同幾何模塊的適用性。通過該編織系統(tǒng)，三角圓桌的所有模塊建造完成，利用綁帶進(jìn)行拼裝（圖5-7）。

2.3.2 探索自適應(yīng)纖維纏繞系統(tǒng)在更大尺度上的可能性

基于最初三角圓桌設(shè)計(jì)的自適應(yīng)纖維纏繞系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)建造了高2.3m的亭子。亭子中的C形殼體單元采用自適應(yīng)纏繞裝置進(jìn)行編織制作。該裝置利用一套可進(jìn)行尺寸調(diào)節(jié)的木塊裝置，作為單元塊纏繞的錨固點(diǎn)，通過機(jī)器臂的抓取、放置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位，編織工作在木塊裝置上預(yù)先安裝的鉤子間進(jìn)行。整個(gè)裝置可重復(fù)利用，木塊裝置通過增加或減少，匹配不同單元塊的尺寸長度，同時(shí)通過調(diào)節(jié)橫排和豎排木塊之間鉸接部件的角度，匹配C形單元塊邊與邊的夾角。該系統(tǒng)可以被運(yùn)用到更大尺度的建筑模型中，并具有運(yùn)用到實(shí)際房屋建造中的可能性（圖8-10）。

3 結(jié)語

隨著建筑業(yè)走向數(shù)字化變革新時(shí)代，不斷創(chuàng)新的數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)的建筑業(yè)逐步融合，帶來了建筑設(shè)計(jì)方式的化學(xué)式質(zhì)變和建筑市場的幾何式增長。昆士蘭大學(xué)建筑系對數(shù)字建造進(jìn)行探索，以三角圓桌為例，整合運(yùn)用數(shù)字建造方法、設(shè)計(jì)優(yōu)化策略及數(shù)字計(jì)算工具，通過力學(xué)找形等方式探索幾何與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，形成了數(shù)字一體化建造模式。

本研究提出的自適應(yīng)機(jī)器人纏繞系統(tǒng)，為制造不同的單元結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供了可能性，為建造適應(yīng)性強(qiáng)、輕量化、可持續(xù)、低成本的結(jié)構(gòu)提出了新方法。希望在未來的建造中，該制造系統(tǒng)可以升級為更大的單元，如可移動的房屋組件，繼而以合理的成本、可獲得的材料和可持續(xù)的建設(shè)，為高度定制的住房建設(shè)奠定基礎(chǔ)。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展可以提高住房市場的生產(chǎn)力，其低成本、低環(huán)境影響的特性吸引更多的社區(qū)和城市關(guān)注。我們期待將數(shù)字建造與可持續(xù)發(fā)展技術(shù)相結(jié)合，為未來建筑業(yè)帶來新的價(jià)值與可能性。

4 機(jī)器臂對圓桌模塊化構(gòu)建的纏繞過程

5 三角圓桌的模塊拼裝過程

6 三角圓桌的細(xì)節(jié)構(gòu)造特寫

7 三角圓桌的成品展示

8 亭子拼裝過程

9 亭子內(nèi)部構(gòu)造特寫

10 亭子成品展示

圖片來源

1-3作者自繪

4-10作者自攝