陳平/CHEN Ping
嚴(yán)寒氣候區(qū)的自然環(huán)境賜予了我們得天獨(dú)厚的冰雪資源,冰雪材料經(jīng)過藝術(shù)家、設(shè)計(jì)師的應(yīng)用探索,發(fā)展形成了極具地域性特色的冰雪建筑文化。冰殼建筑形式兼具結(jié)構(gòu)與形態(tài)之美,具有很高的技術(shù)與藝術(shù)價(jià)值。殼體結(jié)構(gòu)因?qū)挸o柱的內(nèi)部空間、輕薄卻承載力強(qiáng)的殼面、強(qiáng)烈的藝術(shù)表現(xiàn)力等特點(diǎn),備受設(shè)計(jì)師推崇,古往今來,不論是古典時(shí)期的石砌穹頂還是現(xiàn)代大空間建筑,殼體建筑均體現(xiàn)出所處時(shí)代的最高設(shè)計(jì)與建造水平。然而,以往建筑師與結(jié)構(gòu)工程師分工協(xié)作的模式難以產(chǎn)生力學(xué)與形式高度統(tǒng)一的完美殼體作品,由施工單位主導(dǎo)的建造過程也常難以保證設(shè)計(jì)師想要達(dá)到的完成度,建筑師缺少同時(shí)解決形式、結(jié)構(gòu)與建造問題的整體性方法,尤其面對(duì)冰殼建筑這種特殊寒地建筑形式,尚需要探尋更佳的設(shè)計(jì)與建造方法。
冰雪建筑以冰、雪為主要建造材料,提供內(nèi)部活動(dòng)空間和觀賞價(jià)值,兼具抵御寒風(fēng)與造型美觀的雙重作用[1],具有取材方便、可循環(huán)利用、結(jié)構(gòu)自重輕、易于修補(bǔ)加固等諸多優(yōu)勢(shì),可長期屹立于室外低溫環(huán)境,特別適宜于寒地冬季建造景觀性或臨時(shí)性建筑,對(duì)于發(fā)展寒地建筑文化、推動(dòng)冬季運(yùn)動(dòng)與旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及極地科考站建設(shè),具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值與戰(zhàn)略意義。
冰雪建筑的起源可以追溯到近1500 年前愛斯基摩人發(fā)明的Igloo 冰屋,冰屋采用雪塊堆筑或冰磚砌筑形成穹頂與內(nèi)部空間,屋內(nèi)飾有織物、獸皮,頂部預(yù)留通風(fēng)換氣口(圖1)。Igloo 冰屋具有出色的保溫性能,在室外溫度-35℃、無其他室內(nèi)熱源的條件下也可以保持-5℃~5℃的室溫[2]。采用冰磚砌筑穹頂是最早的冰殼建造方法,但這種方法建造的殼體跨度小、結(jié)構(gòu)性能不夠穩(wěn)定、形式比較單一,主要用于景觀性雕塑。后來,隨著對(duì)材料改性與支撐模具技術(shù)的研究,人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向了跨度更大、結(jié)構(gòu)更輕薄穩(wěn)定、易于噴射成形的復(fù)合材料整體性冰殼。通過在冰雪材料中摻入木屑、紙屑、棉屑、泥土、鋼渣等添加劑進(jìn)行改性,可以形成“冰纖維改性復(fù)合材料”,采用這種復(fù)合材料做成的冰殼抗壓、抗彎等結(jié)構(gòu)性能顯著提高[3],不僅跨度大幅增加,而且形式更加整體美觀(圖2),成為當(dāng)前建造冰雪建筑的常用方法。同時(shí),人們不斷探索找形的設(shè)計(jì)與建造手段,發(fā)展了物理找形、支撐模具輔助找形等找形方法,以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、優(yōu)美的冰殼建筑形式。瑞士依斯勒(Heinz Isler)教授提出的流動(dòng)形態(tài)法、張拉充氣膜法、懸掛繩索織物逆吊法等方法[4],成為后世經(jīng)典的物理找形方法。除此之外,龍骨結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等支撐模具找形方法發(fā)展較快,這種使用鋼材、木材、塑料等材料置入冰殼形成共同承重“冰雪復(fù)合結(jié)構(gòu)”的方法,使做成的冰殼具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)性能并可重復(fù)利用,但存在著找形準(zhǔn)確度不足、現(xiàn)場施工周期長等缺點(diǎn),適用于復(fù)雜形體的找形與建造(圖3)。隨后,有學(xué)者引入張拉膜、充氣膜等膜結(jié)構(gòu)用作冰殼支撐模具,具有成形快、拆除方便、表面順滑、整體效果好的特點(diǎn),針對(duì)膜結(jié)構(gòu)模具固定與曲率控制問題,日本的Tsutomu Kokawa 教授提出了帶有繩索約束的加強(qiáng)充氣膜的冰殼找形方法[5],實(shí)現(xiàn)了相對(duì)復(fù)雜的曲面找形,但實(shí)現(xiàn)自由曲面的找形依然困難。
縱觀冰雪建筑的發(fā)展歷程,冰殼建筑主要發(fā)展的是噴射成形的整體性冰殼,殼體曲面形式比較簡單,采用冰磚砌筑的冰殼仍然停留在規(guī)則幾何穹頂和景觀雕塑品的階段。究其原因,一方面是因?yàn)閿?shù)值分析等計(jì)算方法既非建筑師所掌握也難以滿足對(duì)于造型方案多樣比較的設(shè)計(jì)需求;另一方面,對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)化的冰磚,缺少建造技術(shù)工藝。建筑師需要尋找新的自由曲面殼體找形設(shè)計(jì)方法和建造技術(shù)。
數(shù)字技術(shù)介入到建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域引發(fā)了建筑計(jì)算性設(shè)計(jì)變革,建筑方案由性能驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)計(jì)算產(chǎn)生,方案結(jié)果符合了結(jié)構(gòu)、環(huán)境等預(yù)設(shè)性能目標(biāo)的要求。相比于環(huán)境性能設(shè)計(jì)方法趨向于創(chuàng)造優(yōu)良室內(nèi)外物理環(huán)境[6],結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)方法則偏重于創(chuàng)造力學(xué)合理的建筑形態(tài),使形態(tài)產(chǎn)生之初即可滿足各項(xiàng)力學(xué)性能目標(biāo)。在建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的譜系中,以形力互生為特點(diǎn)、曾為建筑師手工力學(xué)找形設(shè)計(jì)提供支持的圖解靜力學(xué),如今借助數(shù)字技術(shù)的發(fā)展重新回到建筑師視野。
1 Igloo特征的冰屋
2 復(fù)合材料冰殼
3 復(fù)合結(jié)構(gòu)冰殼(1-3攝影:陳平)
圖解靜力學(xué)(graphic statics)源于古希臘阿基米德《論平面圖形的平衡》 (On the Equilibrium of Plane s)中力與力矩關(guān)系,到胡克與牛頓時(shí)代,發(fā)展了力矢量的圖示分解與合成,促使西蒙·斯蒂文(Simon Stevin)在 1586 年《重力藝術(shù)的要素》(Beghinselen der Weeghconst)中提出圖解力平衡問題的平行四邊形法則[7],到1864 年卡爾·庫爾曼(Karl Culmann)運(yùn)用幾何學(xué)方法圖解表達(dá)牛頓第三定律,正式提出了圖解靜力學(xué)。從此,圖解靜力學(xué)成為尋求幾何形式與結(jié)構(gòu)受力統(tǒng)一的有效工具,其基本原理是任一平衡狀態(tài)下的平面力系中,所有力首尾相連后若形成一個(gè)封閉的力多邊形,即可達(dá)到受力的平衡;基本方法是采用形圖解與力圖解對(duì)應(yīng)的圖解分析法尋找?guī)缀涡螒B(tài),調(diào)整力與形任一形式可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)圖解的變更(圖4)。
2.1.1 從平面二維拓展到空間三維
圖解靜力學(xué)最開始多用于拱橋、桁架等結(jié)構(gòu)類型的平面二維形狀問題,典型案例如1930 年馬亞爾設(shè)計(jì)的薩爾基納山谷橋(Salginatobel bridge)和桁架桿件體系的基亞索倉庫 (ChiassoWarehouse Shed,圖5)。隨著大空間建筑需求增多,圖解靜力學(xué)從平面二維設(shè)計(jì)發(fā)展到空間三維設(shè)計(jì),用以處理屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)找形,如20 世紀(jì)初的奧古斯特·福波(August F?ppl)推進(jìn)了高迪(Antonio Gaudi)逆吊懸鏈線 (Catenary)找形設(shè)計(jì)方法,采用圖解靜力學(xué)分段計(jì)算懸鏈線解決殼體側(cè)推力與穩(wěn)定性,正式引入圖解靜力學(xué)解決殼體找形設(shè)計(jì)問題。20 世紀(jì)中后期,出現(xiàn)了很多著名的殼體建筑設(shè)計(jì)師,如探索混凝土材料殼體力學(xué)找形的西班牙建筑師托羅哈(Eduardo Torroja)和坎德拉(Felix Candela)、采用預(yù)制水泥嵌板節(jié)點(diǎn)澆筑都靈展廳殼體的奈爾維(Pier Luigi Nervi,圖6)、以及專注于烏拉圭本土磚材實(shí)現(xiàn)“形式即抗力”復(fù)雜殼體屋頂形式的迪斯特(Eladio Dieste,圖7)等。隨著空間三維結(jié)構(gòu)計(jì)算的逐漸復(fù)雜,設(shè)計(jì)師開始借助計(jì)算機(jī)輔助殼體建筑找形設(shè)計(jì)。
2.1.2 從尺規(guī)圖解到數(shù)字圖解
在沒有計(jì)算機(jī)的時(shí)代,設(shè)計(jì)師借助尺規(guī)作圖開展形圖解與力圖解對(duì)應(yīng)關(guān)系找形設(shè)計(jì)(圖8)。進(jìn)入到計(jì)算機(jī)時(shí)代,伴隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的迭代提高和建筑師對(duì)于設(shè)計(jì)工具方法的迫切需求,學(xué)者們開始了將圖解靜力學(xué)的尺規(guī)圖解的手工找形方式推進(jìn)到數(shù)字圖解的力學(xué)找形方法。穆托在2004 年出版的《結(jié)構(gòu)的藝術(shù)》和扎拉伍思克在2009 年出版的《形與力:設(shè)計(jì)有效和表現(xiàn)力的形式》中,均分別論述了數(shù)字新技術(shù)背景下力學(xué)找形方法重新回歸建筑設(shè)計(jì)的問題。ETHZ 席沃扎教授開始推出處于整體平衡狀態(tài)下的自由殼體形態(tài)參數(shù)化自由形體力學(xué)找形方法,隨后菲利普·布洛克提出基于“塑性力學(xué)下限定理”的“推力網(wǎng)格分析法”[8](Thrust Network Analysis,TNA)的砌體拱殼結(jié)構(gòu)力學(xué)找形方法,分別開發(fā)了拱殼參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Geogebra 應(yīng)力程序eQuilibrium 和Rhino VAULT,通過力與形的操作和可視化表達(dá),實(shí)現(xiàn)空間力系的平衡與形式控制(圖9)。MIT 的凱特琳·穆勒(Caitlin Meuller)整合圖解靜力學(xué)與遺傳算法開發(fā)了StructureFIT 應(yīng)用程序[9],用以探索平面桁架解耦的幾何形態(tài)。當(dāng)前運(yùn)用圖解靜力學(xué)原理進(jìn)行桿件體系生成設(shè)計(jì)的方法也被提出[10]。自此,圖解靜力學(xué)走進(jìn)了計(jì)算性設(shè)計(jì)的數(shù)字圖解時(shí)代[11],建筑師可以借助計(jì)算工具重新掌握力學(xué)找形設(shè)計(jì)方法,結(jié)構(gòu)師也可以從數(shù)值分析法產(chǎn)生的大量電子表格分析中解放出來,建筑專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)相分離的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀逐漸走向“建筑結(jié)構(gòu)一體化”[12]。
圖解靜力學(xué)奠定了力學(xué)找形設(shè)計(jì)的方法基礎(chǔ),這種“自下而上”的結(jié)構(gòu)性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)找形方法,建立起方案形式與力學(xué)性能目標(biāo)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,對(duì)于追求合理力學(xué)特性與優(yōu)美建筑形式雙重目標(biāo)的設(shè)計(jì)方案具有很強(qiáng)的探索能力。另外,在建造領(lǐng)域,機(jī)器人因其具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、制造精度高、可長時(shí)間連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn),特別適用于特殊環(huán)境和復(fù)雜形態(tài)構(gòu)件的精確制造。機(jī)器人數(shù)控建造得益于末端工具(end effector)的開發(fā)在建筑領(lǐng)域快速發(fā)展起來,3D 打印技術(shù)、熱線切割技術(shù)、銑削技術(shù)、組裝砌筑技術(shù)等建造技術(shù)逐漸成熟,建筑師開始掌握從方案到建造實(shí)現(xiàn)的能力,建造速度也得到了快速提升。機(jī)器人數(shù)控建造技術(shù)支撐了力學(xué)找形的殼體設(shè)計(jì)方案直接進(jìn)行物化建造。材料應(yīng)用、計(jì)算設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)控制是數(shù)控建造的三大基石[13-14],將材料特性、力學(xué)找形設(shè)計(jì)與數(shù)控建造相整合,建構(gòu)起一體化流程,充分發(fā)揮各階段的技術(shù)優(yōu)勢(shì),可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的自由曲面殼體設(shè)計(jì)與建造需求。
4 圖解靜力學(xué)力系、力多邊形平衡,力圖解與形圖解的對(duì)應(yīng)關(guān)系(繪制:陳平)
5 基亞索倉庫(圖片來源:Robert Mark, James K.Chiu and John F.Abel.Stress Analysis of Historic Structures: Maillart's Warehouse at Chiasso.Technology and Culture.1974 (1): 49-63
6 奈爾維都靈展廳(圖片來源:https://www.stadioflaminio.org/index.php?lg=en#stadio-flaminio)
7 迭斯特磚殼作品(圖片來源:http://www.archidatum.com/projects/mapungubwe-interpretation-centre-peter-richarchitects/)
8 尺規(guī)圖解力學(xué)找形設(shè)計(jì)方法(繪制:陳平)
9 數(shù)字圖解靜力學(xué)作品“Free-form tile vault”(圖片來源:https://block.arch.ethz.ch/brg/project)
為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),我們整合基于Rhino 與Grasshopper 平臺(tái)的參數(shù)化建模工具、Rhino VAULT 殼體找形工具、Karamba3D 曲面荷載有限元分析工具、Octopus 遺傳優(yōu)化分析工具、Kangaroo 動(dòng)力學(xué)模擬引擎工具、面向KUKA 的SprutCAM 平臺(tái),分別解決參數(shù)化建模、三維殼體形態(tài)力學(xué)找形設(shè)計(jì)、豎向荷載有限元應(yīng)力分析、性能目標(biāo)下模型尺寸優(yōu)化求解、網(wǎng)格拓?fù)淦史帧?shù)控加工制造等一系列關(guān)鍵問題,完整地將材料、力學(xué)、形式及建造結(jié)合起來,從而建構(gòu)起從力學(xué)找形設(shè)計(jì)到數(shù)控建造的一體化技術(shù)流程(圖10)。該流程以計(jì)算性設(shè)計(jì)為思維工具、以數(shù)控建造為手段,綜合運(yùn)用軟硬件平臺(tái),整合力學(xué)找形設(shè)計(jì)與機(jī)器人數(shù)控建造技術(shù),為實(shí)現(xiàn)自由曲面殼體建筑設(shè)計(jì)與建造提供技術(shù)路線。
2019 年冬,中國建筑學(xué)會(huì)計(jì)算性設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)委員會(huì)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院舉辦了“計(jì)算性設(shè)計(jì)2019”工作營,筆者承擔(dān)了“計(jì)算性冰雪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)器人建造”工作坊活動(dòng),采用了力學(xué)找形與數(shù)控建造一體化流程設(shè)計(jì)建造了離散型冰殼作品“Ice Stereotomy”,以期探索寒地氣候冰雪建筑的創(chuàng)新形式。
“Ice Stereotomy”設(shè)計(jì)概念源于古代切石術(shù)——將石材雕鑿為不規(guī)則塊材但砌筑嚴(yán)密的殼體建造方法,方案擬設(shè)計(jì)為采用不規(guī)則形狀的冰磚砌筑成自由形態(tài)的冰殼建筑,設(shè)計(jì)跨度6m,矢高1.8m。冰殼坐落于3 條人行道的交叉口位置,人們可從3個(gè)方向的人行道穿行其中,共有3 個(gè)落地支座進(jìn)行支撐(圖11),幾何中心處開有洞口,形成自由形態(tài)的冰殼曲面,力求最佳的形態(tài)藝術(shù)效果。
設(shè)計(jì)過程采用力學(xué)找形尋求殼體形態(tài)和冰磚砌塊單元的幾何尺寸。首先,基本形態(tài)找形通過參數(shù)化方法建立起幾何約束邊界的模型,應(yīng)用圖解靜力學(xué)軟件RhinoVAULT 設(shè)置水平與垂直迭代次數(shù)與步長、矢高等各優(yōu)化參數(shù),將投影平面網(wǎng)格與殼體三維曲面網(wǎng)格進(jìn)行幾何映射,對(duì)偶運(yùn)算形圖解與力圖解(圖12),進(jìn)行殼體優(yōu)化找形處理。在此過程中,始終保持水平向荷載靜力平衡,力流的傳遞通過拉壓桿模型(strut and tie modeling)尋找荷載傳遞路徑,構(gòu)件內(nèi)部只承受軸向力,形與力達(dá)到糅合統(tǒng)一。其次,對(duì)殼體曲面進(jìn)行剖分,形成最佳的冰磚砌塊單元尺寸。設(shè)計(jì)過程采用Kangaroo 動(dòng)力學(xué)模擬引擎工具進(jìn)行三角剖分,使每個(gè)冰磚單元均處于唯一平面上,隨后進(jìn)行Voronoi 對(duì)偶劃分,實(shí)現(xiàn)多邊形網(wǎng)格面。網(wǎng)格單元尺寸的力學(xué)性能設(shè)計(jì)采用Karamba3D 對(duì)豎向荷載下的砌塊進(jìn)行有限元分析,使每一網(wǎng)格砌塊處于冰磚材料的應(yīng)力極限范圍內(nèi)。再次,殼體厚度、支撐底邊長度的設(shè)計(jì)需要處理自重荷載與砌塊間應(yīng)力的矛盾,殼體厚度越大則自重越重、容易砌筑和穩(wěn)定,厚度越小則自重越小、但接觸面易碎裂且難以砌筑;支撐底邊長度越長應(yīng)力越均勻、自重越大,長度越短則應(yīng)力集中、自重越輕,因此均需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化方法根據(jù)圖解靜力學(xué)TNA 推力線計(jì)算法則和冰體積與重量的線性關(guān)系,采用Octopus 優(yōu)化工具尋求符合目標(biāo)性能的殼體厚度與支撐底邊參數(shù)。最后,對(duì)計(jì)算得到的最佳冰磚砌塊多邊形網(wǎng)格面進(jìn)行三維布爾運(yùn)算,形成獨(dú)立的砌塊單元(圖13),將完整三維形體模型的砌塊單元進(jìn)行編號(hào),映射于水平面之上,以備下一步的建造(圖14)。
力學(xué)找形階段完成的砌筑單元設(shè)計(jì)產(chǎn)生了各不相同的砌塊形狀,不僅平面不規(guī)則,而且表面曲率不一,厚度方向也呈現(xiàn)出漏斗狀的梯形截面。這種復(fù)雜形態(tài)的冰磚砌塊單元無法采用傳統(tǒng)方法加工建造,通過借鑒機(jī)械臂切割技術(shù)和模具生產(chǎn)技術(shù),建造階段采用了機(jī)械臂加工EPS 模具后注水自然冰凍形成砌塊的方法完成冰磚制作。這種方法充分利用寒地氣候環(huán)境、降低了生產(chǎn)成本、避免了不規(guī)則模型形態(tài)的加工難題,而且可以快速成形,加工出任意形態(tài)的砌塊材料。
10 離散型冰殼設(shè)計(jì)建造一體化流程(繪制:陳平)
11 冰殼方案設(shè)計(jì)效果圖
12 形圖解與力圖解對(duì)應(yīng)關(guān)系圖(11.12繪制:陳平)
13 冰殼砌塊單元?jiǎng)澐诌^程(基本曲面—Voronoi劃分—對(duì)偶與放樣確定厚度—圍合成砌塊單元)
14 冰殼參數(shù)化設(shè)計(jì)流程(13.14繪制:陳平,宋婧雯)
15 SprutCAM平臺(tái)
16 機(jī)械臂自動(dòng)銑削過程
17 EPS模具中注水
18 室外冰凍成形
19 砌塊脫模(15-19攝影:陳平,宋婧雯)
機(jī)械臂加工EPS 模具綜合應(yīng)用了熱線切割技術(shù)、銑削技術(shù)和帶鋸加工技術(shù),加工工具采用KUKA-KR60-3 六軸工業(yè)機(jī)器人和離線加工編程軟件SprutCAM 平臺(tái)(圖15)。六軸工業(yè)機(jī)器人具有全方位的加工能力,配合具有動(dòng)態(tài)仿真模塊功能、自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)路徑與碰撞檢測(cè)的SprutCAM平臺(tái),可以大量減少建筑師編程工作。加工過程首先采用機(jī)械臂熱線切割技術(shù),以略大于置平后的砌塊單元總厚度1~2cm 為尺寸標(biāo)準(zhǔn),將EPS 型材切割為相同厚度的片狀板材,以便使每一個(gè)砌塊模型可以嵌入其中。隨后,在Rhino 中將砌塊模型嵌入到EPS 板材模型進(jìn)行Boolean 運(yùn)算,得到中空的EPS 模具模型,將模具模型導(dǎo)入SprutCAM,設(shè)定起始位置、加工速度、加工路徑等參數(shù),快速生成NC 代碼,而后將代碼轉(zhuǎn)入機(jī)械臂控制程序完成全自動(dòng)銑削過程,制作出每個(gè)砌塊單元模具(圖16)。最后,充分利用哈爾濱室外-15℃~-25℃的氣溫條件,在EPS 模具中注入清水,經(jīng)天然凍實(shí)形成冰磚砌塊。經(jīng)過前期試驗(yàn),尺寸為100×250×300mm 的水體經(jīng)過10 小時(shí)自然冰凍即可完全達(dá)到滿足建造要求的冰磚強(qiáng)度。將加工完成的EPS 模具統(tǒng)一置平、注水,迅速完成了全部冰磚的快速制作(圖17-19)。
支撐模板的設(shè)計(jì)建造對(duì)于冰殼砌筑成功與否起著關(guān)鍵作用,為保證支撐模板精確度,采用激光切割木板正交插接方法。支撐模板的設(shè)計(jì)過程優(yōu)化計(jì)算了模板的網(wǎng)格尺寸與截面高度,使模板上表面與冰殼下表面完全貼緊吻合、網(wǎng)格大小可以支撐全部冰磚尺寸、模板厚度足以承載砌筑過程中的冰磚重量(圖20)。隨后,將模板進(jìn)行編號(hào)、切割、插接成形(圖21)。
搭建施工先后經(jīng)過施工放線、基座置平、支模搭建、冰磚砌筑、撤除模板等過程?;A(chǔ)放樣采用將設(shè)計(jì)圖直接打印后置于底面固定,其上放置采用1.6m 標(biāo)準(zhǔn)毛冰制作的基座,并與底層放線圖對(duì)應(yīng)置平。為抵御豎向荷載與側(cè)推力,沿冰殼投影線切割成L 形的基座斷面,隨后將支撐模板平放其上,按照冰磚編號(hào)依次砌筑完成冰殼施工過程。待冰殼穩(wěn)固后向下取出支撐模板,最終完成獨(dú)立支撐的冰殼(圖22-25)。冰殼建造前后的效果對(duì)比和細(xì)節(jié)(圖26-31)。
冰殼這一古老的建筑形式,藉由力學(xué)找形設(shè)計(jì)和數(shù)控建造技術(shù)的發(fā)展,煥發(fā)出新時(shí)代的生機(jī)。新技術(shù)方法與寒地冰雪建筑創(chuàng)新需求的碰撞,激發(fā)產(chǎn)生了全新的自由曲面離散型冰殼建筑形式,既是對(duì)傳統(tǒng)材料工藝的現(xiàn)代轉(zhuǎn)譯、也是地域性建筑文化的探索。力學(xué)找形與數(shù)控建造一體化,支撐了建筑師同時(shí)面對(duì)形式、結(jié)構(gòu)與建造的需求,可為進(jìn)一步挖掘不同地域氣候與建筑材料的建筑創(chuàng)新形式,提供有力的技術(shù)支撐?!?/p>
(致謝:感謝中國建筑學(xué)會(huì)計(jì)算性設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)委員會(huì)的組織和“計(jì)算性冰雪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)器人建造”工作坊成員的協(xié)助。)
20 支撐模板設(shè)計(jì)過程(模板曲面網(wǎng)格剖分—計(jì)算模板截面高度 —計(jì)算模板截面厚度)
21 支撐模板參數(shù)化設(shè)計(jì)流程(20.21繪制:陳平,宋婧雯)
22 基礎(chǔ)放樣
23 放置模板
24 冰磚砌筑
25 脫模成殼(22-25攝影:陳平,賈永恒,宋婧雯)
26 冰殼方案設(shè)計(jì)效果(繪制:王月濤,宋婧雯)
27 冰殼建成后效果 (攝影:宋婧雯)
28 冰殼建成后的日景效果
29 底部細(xì)節(jié)效果
30 外表面效果
31 內(nèi)表面效果(28-31攝影:陳平,賈永恒,王聰)