趙陽臣

摘 要：隨著數(shù)字技術的發(fā)展，數(shù)字計算與模擬技術被逐漸引入到設計之中，設計由形式驅動演變?yōu)樾阅茯寗?，性能成為設計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，都成為了左右設計形式的要素。薄板片彎曲結構作為當今建構研究中的全新課題，具有較大的研究價值。文章通過對相關案例的研究，闡述了在機械臂技術的協(xié)助下，板片彎曲結構這種全新設計方法是如何實現(xiàn)的。

關鍵詞：板片彎曲；機械臂縫紉；數(shù)字建造

中圖分類號：TU501 文獻標志碼：A 文章編號：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單快速，并可以和國內現(xiàn)有的制造技術很好的結合起來，另一方面木板片的二維加工通常相對廉價。隨著建造中預制化、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)方式使用板片會讓設計在形式上受到限制，另一方面板片材料通常有易變形的特征，在結構強度上很難保證。由此看來，板片的彎曲似乎可以同時解決這一系列問題。彎曲讓原本二維的板片產(chǎn)生三維形態(tài)特征，從而可以實現(xiàn)多維造型，設計在形式上可以得到維度上的解放。同時如果充分利用板片的彎曲特性，可以在結構上為構筑物提供預應力，實現(xiàn)結構性能的強化。

板片彎曲的設計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。這種理想的新設計思路也隨之為設計過程帶來了巨大的挑戰(zhàn)，從形式角度來看，由于這種設計過程中通常會需要面對復雜的幾何問題，設計師很難預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現(xiàn)性能的強化，但是在具體設計的過程中這些性能也是難以估算的。從實際建造角度看，這種新范式很難通過傳統(tǒng)線性建造工藝實現(xiàn)的，需要研究針對新結構進行建造方式革新。

在數(shù)字技術不完善的二十世紀二十年代，設計師已經(jīng)開始了對板片彎曲結構的研究，當時的板片彎曲結構設計是依靠大量幾何計算來實現(xiàn)的，這方面研究主要體現(xiàn)在穹頂建筑領域中。理查德·巴克敏斯特·富勒是美國著名設計大師，他在建筑材料與穹頂結構設計領域做出了杰出貢獻。富勒的設計大多為三角網(wǎng)格的球形穹頂建筑，他致力于研究如何發(fā)揮材料與結構的特性實現(xiàn)建筑中的曲面大跨弧面穹頂。他做的很多小規(guī)模搭建實驗研究了不同的穹頂結構實現(xiàn)方式[2]。這些實驗解決了很多幾何計算的難題，然而這些研究還是僅限于應對球面這類基本幾何體，更復雜的曲面造型時通常需要面對更為復雜的幾何計算。在當時技術條件的限制下，富勒只能通過幾何計算來求得數(shù)據(jù)，其造型呈現(xiàn)的形式也受到了很大的限制。

二十世紀下半葉解構主義浪潮席卷設計領域，建筑設計中的復雜性需求越發(fā)強烈，人們不再滿足于基本幾何造型，因此幾何計算越來越難以招架建筑設計中的復雜體系。在這樣的形式下，數(shù)字化技術開始被設計師引入到設計中，參數(shù)化設計開始萌芽，二十世紀末出現(xiàn)了首個參數(shù)化軟件。數(shù)字技術的介入對于板片彎曲結構面對的瓶頸無疑是雪中送炭。在短短的二十年左右的時間，數(shù)字技術從虛擬設計到施工建造全面融入了設計，板片彎曲結構也得到了進一步的發(fā)展。

2 板片彎曲的數(shù)字化設計策略

計算機的數(shù)字計算技術與物理模擬技術可以完成彎曲所需一系列模擬計算甚至主導找形生形過程。機械臂等一系列數(shù)控機械在建造中的引入將設計與建造聯(lián)系在一起，在數(shù)據(jù)信息的控制下，木板片彎曲結構實現(xiàn)了從虛擬設計到物質化的轉譯。以數(shù)字技術為基礎的具體策略可以歸納為兩個類型，即基于數(shù)據(jù)簡化的彎曲策略和基于模擬計算的彎曲策略[3]。本文針對以上兩種彎曲策略，分析了在數(shù)字技術的協(xié)助下板片彎曲形態(tài)與結構是如何實現(xiàn)的。

2.1 基于數(shù)據(jù)簡化的彎曲策略

數(shù)據(jù)簡化的彎曲策略是幾何計算與數(shù)字技術結合的數(shù)據(jù)計算生形方法，在數(shù)字技術的協(xié)助下，彎曲開始應用到復雜的異形形體中，這種策略可以幫助設計師應對建造中每個單元都不同數(shù)據(jù)的復雜情況。

對于彎曲中的數(shù)據(jù)簡化，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)在設計過程中單獨考慮，這樣一來問題就被大大簡化了，通過將曲面轉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，在必要的情況下對展平后的圖形進行折角圓滑和頂點的掏空。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)足以讓我們在實際操作的過程中得到預期的曲面。

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，同樣是獨立考慮出數(shù)據(jù)的計算方式。不過平面數(shù)據(jù)反推的方法將更多的計算放到平面中去完成。在設計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模塊展平后的形態(tài)。

以上的兩種方法可以將復雜的彎曲計算轉化為相對簡單的計算，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，就是誤差相對大，只能得到接近預想的形式結果，不能進一步精準更不能以這個方式去求其中彎曲與材料性能、結構性能之間的復雜關系。

2.2 基于模擬計算的彎曲結構

數(shù)字模擬技術的發(fā)展讓彎曲結構在建筑中的應用又有了新的發(fā)展，此類技術通過對環(huán)境，材料，結構等多方面模擬，計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)結果。計算機模擬計算的策略主要可以分為兩類，一種是實時物理模擬法，還有一種是有限元模擬法。

實時物理模擬是如今比較普遍的模擬計算方式，其對應軟件較完善，操作也相對簡單。在實時物理模擬中，通過簡化環(huán)境因素，設定特定的力學關系來實現(xiàn)近似真實結果的模擬計算。如kangaroo是典型的實時物理模擬軟件，kangaroo通過構建粒子系統(tǒng)，模擬粒子間力的關系，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化的力學關系，所以其模擬結果始終還是近似的結果，難以應對復雜的實際情況，與真實的彎曲結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進步的產(chǎn)物，主要被應用于工程與機械領域。與實時物理模擬相比，有限元模擬是更加復雜的模擬方式，其更側重于重力學數(shù)據(jù)，設計師除了要設定環(huán)境因素數(shù)據(jù)與相關受力情況，還需要給與材料特性等精細數(shù)據(jù)。有限元模擬通常是非常復雜的仿真模擬過程，其得到的結果也會相對準確，可以模擬真實的結構受力情況，并得到準確的造型。不過正是由于其模擬的復雜與精確的特性，實施起來技術難度較大，通常還需要非常漫長的耗時。

3 機械臂技術的介入

板片彎曲作為一種新的構建方式，在帶來全新形式與結構范式的同時也衍生了建造工藝上的難題，如板片的彎曲在現(xiàn)實加工過程中有時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面臨不同于常規(guī)建造組裝的復雜情況?？梢娖浣ㄔ彀惭b過程是傳統(tǒng)工藝手段難以駕馭的。機械臂技術與縫紉技術的創(chuàng)造性結合很好地解決了這些難題。

2016年斯圖加特大學完成的縫合建筑實驗是機械臂縫紉技術應用于建造的首次成功案例（圖1）。該項目采用了模仿海膽的仿生雙層表皮結構，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雜的縫合路徑是組裝的一大難點，設計師將機械臂技術與縫紉機結合，將縫紉機安裝于機械臂一端，由腳本控制特定的機械臂縫紉路徑，配合齒形卡扣方式使板塊之間形成了緊密的縫合銜接，巧妙實現(xiàn)了板片之間的縫紉連接。機械臂縫紉技術的成功完成了木板材料的三維路徑縫紉，該項目的成功展示了木板彎曲建構中去金屬連接件的可能性。

2017年斯圖加特大學在同濟大學“數(shù)字未來”工作坊中的機械臂木縫紉實驗進一步研究了木板彎曲與機械臂縫紉技術結合的建構方式。在該實驗中，同樣是應用機械臂縫紉技術。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通過識別黑色方格確定縫紉位置，由三個定位點確定一條縫紉路徑。該設計通過雙層彎曲板片結構，大大加強了整體結構的預應力，從而以最省的材料達到了最大可能的強度。

第三個案例（圖3，圖4）的板片彎曲建構實驗基于現(xiàn)有的機械臂縫紉建構技術探索了多層板片結構的可能性。該設計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)基礎上鋪平進行進一步的優(yōu)化處理得到每一個單元的輪廓數(shù)據(jù)，切割得到的板片單元一方面自生進行彎曲與機械臂縫合，另一方面相鄰單元之間也進行縫合。整體表皮形成了四層彎曲表皮結構，完全通過彎曲達到的應力形成牢固的自支撐，同時多層彎曲板片結構也呈現(xiàn)出了獨特的空間肌理與形式特征。

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

4 結束語

新技術的發(fā)展通常是設計進步的催化劑，如今伴隨著后數(shù)字時代的到來，數(shù)字技術的優(yōu)勢不再停留于計算機虛擬設計，由于越來越多的因素可被同質化為數(shù)據(jù)，設計的物質化過程也更加可控制可計算，在這樣的環(huán)境下，數(shù)據(jù)成了設計與物質化的交匯點。設計、制造、建造之間的界限被打破，逐漸成為一個整體化的復雜體系。板片彎曲與機械臂縫紉技術結合的全新范式，正是當代建筑模塊化批量預制趨勢下的產(chǎn)物[6]，更是在數(shù)字技術基礎上設計形式與數(shù)控技術互相推進與融合，并開辟新設計思路的典型案例。機械臂技術與縫紉技術的創(chuàng)新結合解決建造問題的同時，又為設計形式的創(chuàng)新開辟了空間。可以預見，在不遠的未來機械臂等數(shù)控技術在設計中可以實現(xiàn)更大范圍的跨領域融合與創(chuàng)新，數(shù)字技術在物質化過程中的介入與全方面控制也會成為設計領域的一個重要議題。

參考文獻：

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DADA2015系列活動數(shù)字建筑國際學術會議論文集[C].中國建筑學會建筑師分會數(shù)字建筑設計專業(yè)委員會，2015：10.

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