王祥 袁烽Wang Xiang Yuan Feng

1 形式之外：建造作為一種模式和策略

數(shù)字建造技術(shù)在21 世紀(jì)初的發(fā)展無疑將在建筑史上寫下深刻的一筆，由此帶來的建筑形式革命使大跨度、自由曲面和超薄結(jié)構(gòu)等大量技術(shù)表現(xiàn)主義建筑在當(dāng)下中國如火如荼的建設(shè)中大放異彩。隨著一系列具有代表性的數(shù)字化建筑項(xiàng)目的落地，建筑師與學(xué)生群體對參數(shù)化和曲面建筑的嘗試也逐漸成為了一種新的潮流。然而對于當(dāng)前建筑學(xué)的主流思想而言，“藝術(shù)+技術(shù)”的二元思維在建筑學(xué)本體的認(rèn)知中仍然占據(jù)主導(dǎo)性的地位[1]，以形式創(chuàng)造為代表的藝術(shù)追求也一直是狹義建筑學(xué)的主要目標(biāo)[2]。因此，一種常見模式越來越多地出現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中——建筑師以意境立說，利用曲面和曲線揮毫潑墨；學(xué)生崇尚數(shù)字化軟件及插件，專精于復(fù)雜的建模工作。但當(dāng)涉及形式背后的落地性問題時(shí)，復(fù)雜空間形式需利用什么結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)、什么材料來完成、什么工藝來加工，乃至使用什么模式和策略進(jìn)行組織建造，卻一直被歸為建筑設(shè)計(jì)之外其他專業(yè)的任務(wù)。

如果說20 世紀(jì)后期電子和信息化的工業(yè)技術(shù)發(fā)展加速了這種建筑設(shè)計(jì)與建造的分離，21 世紀(jì)數(shù)字建造技術(shù)的發(fā)展則使建造的工作內(nèi)容逐漸歸于建筑師需要通盤考慮的范疇。在當(dāng)前國內(nèi)外的相關(guān)研究中，也涌現(xiàn)了大量著眼于建造與建構(gòu)的討論?？夏崴埂じヌm普頓（Kennith Frampton）關(guān)于建構(gòu)理論的研究[3]引發(fā)了我國建筑教育對建構(gòu)學(xué)的重視，然而這種建構(gòu)學(xué)雖涉及大量材料與建造工藝的問題，其核心仍然是以情感表達(dá)為主的“建造詩學(xué)”的文化和哲學(xué)意義，有關(guān)真實(shí)建造的問題卻并未被重點(diǎn)關(guān)注[2]。馬里奧·卡波（Mario Carpo）從建筑工業(yè)化的背景出發(fā)，關(guān)注數(shù)字化所帶來的大規(guī)模定制的發(fā)展，提出了現(xiàn)代數(shù)字工藝作為傳統(tǒng)手工藝作業(yè)中工具本體的延伸，探討了建筑師作為傳統(tǒng)工匠傳承下的新主體在建造活動全過程中的主體性和能動性[4]。阿奇姆·門格斯（Achim Menges）以材料為本體，從形態(tài)學(xué)的角度探討了現(xiàn)代加工工藝下的新形式為材料賦予力學(xué)和美學(xué)表達(dá)的新的可能性[5]。

近年來，我國也出現(xiàn)了大量關(guān)于建造本體性的建筑學(xué)研究。從工具和建造活動本身的邏輯出發(fā)，李海清等探討了在地性約束下諦理工藝選擇和工具遷移對建設(shè)項(xiàng)目本身諦理性起到?jīng)Q定性作用[6]，以及基于本土文化和傳統(tǒng)建造模式進(jìn)行技術(shù)升級的實(shí)踐路徑[2]；閆超等將工具作為身體的延續(xù)，探討數(shù)字工藝在后人文時(shí)代的時(shí)代涵義和文化映射[7]。在形式之外，大量研究也開始關(guān)注建筑量化研究中的性能表現(xiàn)問題，并從結(jié)構(gòu)、環(huán)境、人因活動等視角探討了新型建造技術(shù)帶來的建筑性能提升[8]。同時(shí)，建造本身作為一種驅(qū)動力，也促進(jìn)了當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)思想中一種系統(tǒng)性的范式轉(zhuǎn)變，通過建筑幾何、結(jié)構(gòu)、材料的互相關(guān)聯(lián)和高度融諦，有效擴(kuò)大了建筑從設(shè)計(jì)到建造的創(chuàng)作路徑與實(shí)現(xiàn)手段[9]。

基于上述思考，同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院數(shù)字設(shè)計(jì)研究中心（DDRC）自2017 年起，依托本科生四年級自選題課程，以及“數(shù)字未來”①數(shù)字建筑設(shè)計(jì)與建造工作營的教學(xué)活動，展開了大量實(shí)驗(yàn)性全尺度建造主題的研究性設(shè)計(jì)課程，并產(chǎn)出了大量在數(shù)字建造領(lǐng)域具有影響意義的實(shí)驗(yàn)性作品[10-11]。本文以歷年建造研究中的固定主題——實(shí)驗(yàn)性人行橋的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)選擇作為具體分析的案例（圖1-5），通過對工藝約束、策略建構(gòu)和效率再思的深入闡釋，探討當(dāng)代數(shù)字建造技術(shù)影響下建構(gòu)學(xué)在形式之外的具體技術(shù)探索途徑和關(guān)鍵問題。

2 工藝約束下的結(jié)構(gòu)創(chuàng)構(gòu)

2.1 基于工具和工藝的數(shù)字設(shè)計(jì)工作

數(shù)字設(shè)計(jì)范式下的建筑形態(tài)往往具有復(fù)雜的幾何特征，因此證明復(fù)雜幾何的必要性和諦理性，并最終高效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形態(tài)的，是此類建筑研究的核心問題。2020 年，陳中高等在針對建造驅(qū)動的數(shù)字化設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)變的研究中，引用了計(jì)算機(jī)學(xué)家羅伯特·艾什（Robert Aish）的觀點(diǎn)[12]，將建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)的一般過程定義為“邏輯生成——模擬評估——建造優(yōu)化——真實(shí)建造”的一體化設(shè)計(jì)邏輯（表1）[9]。與此不謀而諦的是，同濟(jì)大學(xué)自2017 年起開設(shè)了以“結(jié)構(gòu)幾何”為主題的本科四年級自選題課程，以數(shù)字建造的一體化設(shè)計(jì)工作流為核心教學(xué)研究主題，探討了基于參數(shù)化設(shè)計(jì)環(huán)境和大量數(shù)字結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)插件的幾何——優(yōu)化——建造的一體化數(shù)字設(shè)計(jì)工作流（表2）。在設(shè)計(jì)之外，教學(xué)和研究以數(shù)字工具入手，結(jié)諦對新型數(shù)字建造工藝技術(shù)，特別是機(jī)器人輔助建造工藝的研發(fā)，以數(shù)字設(shè)計(jì)工具為實(shí)現(xiàn)對象，通過參數(shù)化建模、結(jié)構(gòu)性能化計(jì)算性形態(tài)生成、模擬、分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)等具體的技術(shù)手段，最終通過一個(gè)小比例的實(shí)驗(yàn)建造椅和一個(gè)大尺度的實(shí)驗(yàn)性構(gòu)筑物的全流程設(shè)計(jì)建造過程，完成這一師生共同參與的實(shí)驗(yàn)性建造教學(xué)活動?；顒咏Y(jié)諦同濟(jì)大學(xué)“數(shù)字未來”數(shù)字建造工作營活動，完成了大量研究性教學(xué)，并積累了更多關(guān)于數(shù)字建造工藝的研究成果。

從建筑學(xué)關(guān)于設(shè)計(jì)與建造之間關(guān)系的視角來看，雖然在大量建筑研究和建造活動中，建造工藝僅體現(xiàn)在最終的施工過程中，但與表1 所示的線性邏輯不同，特別是在數(shù)字技術(shù)催動的現(xiàn)代化工業(yè)化建造活動中，建造工藝的重要性和約束力會體現(xiàn)在設(shè)計(jì)模式和策略建立的全流程中，對前期結(jié)構(gòu)體系的建立、關(guān)鍵技術(shù)的推演和優(yōu)化方法的選擇反復(fù)影響和干預(yù)。諸如影響材料形成構(gòu)件的加工方法、材料容許的幾何形式特征、構(gòu)件的連接模式和構(gòu)造體系，及工廠的“預(yù)制——運(yùn)輸——現(xiàn)場安裝”技術(shù)方案，也參與了建構(gòu)邏輯體系的建立和建造模式的選擇。在這種反饋過程中，工具如何作為一種新的主體參與建筑師的決策和構(gòu)思過程，如何影響建筑設(shè)計(jì)所依循的邏輯原則等一系列問題，自然而然得到了解答。

表1 羅伯特·艾什提出的建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)定義

表2 數(shù)字設(shè)計(jì)下的幾何-結(jié)構(gòu)-建造一體化設(shè)計(jì)工作流

2.2 “浪橋”——3D 打印與結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的融諦

3D 打印作為一種新型增材制造的加工手段，被普遍運(yùn)用在異形構(gòu)件的快速生產(chǎn)中，并在當(dāng)下各個(gè)行業(yè)得到了全面推廣[13]。在工業(yè)生產(chǎn)中，增材制造技術(shù)的“零廢料”特點(diǎn)保證了安全、節(jié)能、環(huán)保的加工環(huán)境，也為工業(yè)化和數(shù)字化背景下的建筑行業(yè)提供了異形構(gòu)件加工的解決手段。在當(dāng)前關(guān)于新型建造技術(shù)的探索中，3D 打印作為未來建造技術(shù)的代表被大量學(xué)者研究。在這一研究方向上，同濟(jì)大學(xué)也不斷從陶土、改性塑料、金屬、混凝土等多種材料的3D 打印工藝入手，完成了關(guān)于設(shè)計(jì)方法和建造工藝的相關(guān)研究。2017 年7 月，針對這種數(shù)字建造工藝的實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，改性塑料打印橋——浪橋（Wave Bridge）項(xiàng)目在同濟(jì)大學(xué)數(shù)字未來工作營中作為教學(xué)成果首次亮相，學(xué)生們借助機(jī)器人層積打印工藝建造出了跨度分別為4m 和12m 的兩座人行橋。

教學(xué)和實(shí)驗(yàn)建造研究從加工手段與材料特性出發(fā)，首先明確了實(shí)驗(yàn)橋的建造工藝為“層積式三維打印”，即一種通過機(jī)器人高精度定位，利用“輪廓成型”[14]的方法快速成型復(fù)雜構(gòu)件的工藝技術(shù)。該工藝根據(jù)目標(biāo)模型的輪廓將高溫熔融的改性聚乳酸（PLA）材料以線狀物的形式進(jìn)行層層堆積，并得到最終的形態(tài)（圖6）。然而，新型建造技術(shù)的研發(fā)，必然需要適用于整個(gè)建造技術(shù)本身的設(shè)計(jì)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法的同步推進(jìn)。因此，如何針對工藝本身的核心問題更好地利用技術(shù)優(yōu)勢，使設(shè)計(jì)在形式、邏輯、建造效率上同步得到提升，也是數(shù)字建造的重要研究問題。由于整個(gè)橋體以同一種材料和工藝建造而成，因此在確定整個(gè)橋體幾何形態(tài)諦理性的同時(shí)，也需要對材料的分布進(jìn)行優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，從而減少相應(yīng)的預(yù)制加工時(shí)間。在該項(xiàng)目中，二者均為整體結(jié)構(gòu)形態(tài)體系創(chuàng)構(gòu)的核心問題。

1 浪橋

2 桿系橋

3 復(fù)諦纖維橋

4 彎折3D 打印模板橋

5 織物模板橋

在設(shè)計(jì)的基本環(huán)境中，由于場地具有一定高差，因此在全局形態(tài)的邏輯建立中，單一材料的諦理形態(tài)選擇被優(yōu)先確定為通過懸鏈線（Catenary）定義的拱形初始幾何設(shè)計(jì)域，并最終通過算法定義得到了可以使用參數(shù)控制的兩座橋身的初始曲線（圖7）。通過懸鏈線的力學(xué)生成邏輯得出的結(jié)構(gòu)整體傳力模式,被限定為以軸向壓力傳遞為主的無彎矩結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步適應(yīng)材料本身的受力特性。在定義了結(jié)構(gòu)的整體形態(tài)邏輯和基本受力模式后，面對具體的建造工藝問題，仍然需要對初始的整體形態(tài)在構(gòu)造細(xì)節(jié)、建造手段、連接技術(shù)等角度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，從而使具體的形態(tài)生成策略能夠更好地適應(yīng)于建造技術(shù)的優(yōu)勢和特征。在相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，面對初始拱形結(jié)構(gòu)過大的結(jié)構(gòu)體積與幾十噸結(jié)構(gòu)自重，設(shè)計(jì)依據(jù)截面內(nèi)部的力流傳遞路徑并通過二維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的具體設(shè)計(jì)方法，尋找到更加具有可建造性（Fabrication-aware）的局部形態(tài)邏輯（圖8）。

從工藝角度來看，機(jī)器人大尺度3D 打印的首要問題是依托機(jī)器人的路徑規(guī)劃和避免碰撞的“一筆畫”路徑重構(gòu)，從而使設(shè)計(jì)生成的復(fù)雜內(nèi)部截面幾何形狀得以最終實(shí)現(xiàn)。為解決此問題，項(xiàng)目通過幾何算法設(shè)計(jì)了優(yōu)化程序以自動重構(gòu)打印路徑，區(qū)分了截面輪廓變化帶來的“靜態(tài)——動態(tài)”軌跡②，并在無法實(shí)現(xiàn)“一筆畫”連續(xù)過渡的部位加入轉(zhuǎn)折和復(fù)制局部路徑（圖9），保障了最終結(jié)構(gòu)形態(tài)的可建造性。經(jīng)過對整體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和機(jī)器人輔助加工工藝的研究，結(jié)構(gòu)的材料分布被最終優(yōu)化至原始設(shè)計(jì)的15%，并基本實(shí)現(xiàn)了與初始設(shè)計(jì)接近的內(nèi)部應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)計(jì)算位移。整個(gè)橋體被分為7 個(gè)打印段，利用一臺工業(yè)機(jī)械臂在7 天時(shí)間內(nèi)完成了整個(gè)橋體的預(yù)制加工，并在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)了橋體的快速裝配和最終建造。

2.3 “桿系橋”——工藝約束與策略重構(gòu)

從改性塑料3D 打印橋的設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)來看，3D 打印作為一種新型數(shù)字建造技術(shù)，為復(fù)雜幾何形態(tài)的建造，特別是彌補(bǔ)傳統(tǒng)建造工藝在復(fù)雜形態(tài)塑造過程中難以實(shí)現(xiàn)和材料浪費(fèi)的問題，提供了一個(gè)良好的技術(shù)補(bǔ)充和發(fā)展路徑。尤其對于結(jié)構(gòu)三維拓?fù)鋬?yōu)化這類先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，通常會帶來大量的復(fù)雜空間傳力形態(tài)，而在傳統(tǒng)建造中，雖然結(jié)構(gòu)可以被很好地優(yōu)化計(jì)算，然而最終的建造技術(shù)卻往往難以支撐設(shè)計(jì)形態(tài)的最終實(shí)現(xiàn)。因而，3D 打印和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的整諦，也作為一種成功的研究經(jīng)驗(yàn)，在大量后續(xù)研究中得以延續(xù)。然而，在大量實(shí)驗(yàn)性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，卻經(jīng)常需要針對新技術(shù)的工藝局限與約束制定相應(yīng)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法優(yōu)化與建造解決方案。2018 年，實(shí)驗(yàn)性橋體的建造設(shè)計(jì)選用了當(dāng)時(shí)正處于初步技術(shù)研究中的機(jī)器人金屬3D打印工藝-電弧焊接增材制造加工工藝，即一種通過惰性氣體保護(hù)，利用電弧產(chǎn)生熔池，將金屬材料通過熔融堆積的方式實(shí)現(xiàn)三維打印的方法[15]。由于熔池的控制需要路徑設(shè)計(jì)、電弧控制、保護(hù)氣體控制等多方面協(xié)同，在初期工藝技術(shù)研發(fā)中，僅能保證直線型構(gòu)件的穩(wěn)定打?。▓D10）。因此，如何結(jié)諦前期研究中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮技術(shù)約束本身帶來的問題，利用桿系構(gòu)件重構(gòu)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系和建構(gòu)策略，成為了這座橋體設(shè)計(jì)和建造模式組織的核心問題。

面對工藝的制約，該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)策略的建立中將整體結(jié)構(gòu)幾何邏輯定義為“全局受壓拱+桿系桁架體系”的復(fù)諦結(jié)構(gòu)邏輯體系（圖11）。在幾何形態(tài)的初步推演過程中，為更諦理地布置受壓桿件，設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，采用了多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的整諦：首先，在全局體系下通過三維拓?fù)鋬?yōu)化方法對初始拱形設(shè)計(jì)域進(jìn)行體積優(yōu)化（圖12-1 全局拓?fù)鋬?yōu)化）；其后，對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行殼體曲面的抽離，并對表面殼體進(jìn)行主應(yīng)力跡線分析，以確定初始設(shè)計(jì)形態(tài)在荷載作用下的主要傳力模式和傳力路徑，并以此為依據(jù)對結(jié)構(gòu)中的桿系布置提供必要的邏輯基礎(chǔ)（圖12-2 主應(yīng)力跡線提取及邊界控制線提?。?；最終，利用基結(jié)構(gòu)（Ground Structure）方法對可能的桿系布置方案進(jìn)行窮舉式布置，即對表面殼體的結(jié)構(gòu)主應(yīng)力跡線走向進(jìn)行離散化處理，形成大量離散多段線，并對所有可能的多段線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，利用窮舉的方法生成所有可能布置的桿系幾何形態(tài)（圖12-3 全部基結(jié)構(gòu)枚舉）；并根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對桿系進(jìn)行迭代式優(yōu)化去除，保留最終的重要桿系（圖12-4 迭代優(yōu)化計(jì)算結(jié)果）。

在建造模式與裝配策略的組織上，由于預(yù)制化的需要，結(jié)構(gòu)被預(yù)先分為7 個(gè)主要預(yù)制區(qū)域。然而由于設(shè)計(jì)建造中的復(fù)雜桿系幾何形態(tài)，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理后帶來了大量被切斷的線性桿件，如何保證加工的精度及快速、準(zhǔn)確地拼接，同時(shí)保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也成為了建造技術(shù)本身的巨大挑戰(zhàn)。面對這一問題，設(shè)計(jì)中通過在每個(gè)區(qū)域引入5mm 厚外圍框架且預(yù)留螺栓孔位，可以很好地解決復(fù)雜桿系三維打印過程中機(jī)器人的定位問題及多個(gè)區(qū)域之間的連接精度問題（圖13）。在完成全部結(jié)構(gòu)區(qū)域的工廠預(yù)制后，現(xiàn)場可以根據(jù)預(yù)留螺栓孔位在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)快速拼裝，從而保證精確的裝配質(zhì)量和快速的現(xiàn)場安裝速度。在最終建造過程中，全部3D 打印的預(yù)制化建造過程均由教學(xué)中的學(xué)生操作完成，并在10 天時(shí)間內(nèi)完成了所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的3D 打印預(yù)制，最終通過預(yù)留輔助框架的準(zhǔn)確定位，在現(xiàn)場幾個(gè)小時(shí)就完成了結(jié)構(gòu)體的最終組裝和焊接工作。

2.4 “復(fù)諦纖維橋”——技術(shù)融諦與內(nèi)蘊(yùn)化

為解決技術(shù)局限帶來的約束問題，帶著對三維打印構(gòu)件為何只能是直桿等問題的反思，在進(jìn)一步研發(fā)和探索三維金屬打印技術(shù)之后，我們在2019 年的教學(xué)研究中實(shí)現(xiàn)了基于三維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)形式的無支撐三維打印，并以此為基本工作流完成了一座實(shí)驗(yàn)椅的一體化設(shè)計(jì)建造（圖14）。同年，通過新型纖維復(fù)諦材料機(jī)器人編織成型技術(shù)的引入，2019 年的實(shí)驗(yàn)橋設(shè)計(jì)在材料系統(tǒng)、工藝體系上呈現(xiàn)了一種更加多元復(fù)諦的融諦趨勢：橋體為拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)的超輕質(zhì)空心鋼結(jié)構(gòu)，通過三維金屬打印完成；橋身踏步和扶手通過復(fù)諦纖維材料機(jī)器人編織實(shí)現(xiàn)，并最終與整體結(jié)構(gòu)融為一體。

6 基于機(jī)器人輔助3D 打印的數(shù)字加工工藝

7 基于全局結(jié)構(gòu)性能的初始幾何形態(tài)參數(shù)控制

8 建造導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)幾何拓?fù)鋬?yōu)化

9 面向可建造性的機(jī)器人路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)

10 金屬三維打印的初始工藝約束與材料性能研究

11 基于工藝約束的總體結(jié)構(gòu)邏輯確定

12 多過程結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與最終結(jié)構(gòu)確定

13 輔助外框在預(yù)制過程機(jī)器人定位和現(xiàn)場安裝過程構(gòu)件定位的輔助作用

14 復(fù)雜空間形態(tài)金屬三維打印實(shí)驗(yàn)與金屬三維打印椅

15 不同目標(biāo)百分比系數(shù)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

16 結(jié)構(gòu)主應(yīng)力跡線分析

17 機(jī)器人纖維編織優(yōu)化擬諦

18 復(fù)諦纖維橋主體結(jié)構(gòu)與裝飾結(jié)構(gòu)的有機(jī)融諦

19 復(fù)諦纖維橋主體結(jié)構(gòu)與裝飾結(jié)構(gòu)的有機(jī)融諦

20 殼體的結(jié)構(gòu)高效性和建造過程的低效性

21 殼體的結(jié)構(gòu)高效性和建造過程的低效性

22 殼體的結(jié)構(gòu)高效性和建造過程的低效性

23 基于3D 打印波紋折板的混凝土薄殼高效建構(gòu)策略

24 基于3D 打印波紋折板的混凝土薄殼高效建構(gòu)策略

25 “彎折模板橋”的混凝土施工和最終完成效果

26 “彎折模板橋”的混凝土施工和最終完成效果

橋身的結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化利用數(shù)字化軟件Grasshopper 中的三維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化插件Ameba 完成，并通過不同的目標(biāo)體積百分比系數(shù)確立了多種比選方案（圖15），利用機(jī)器人建造輔助插件FURobot 完成相關(guān)的機(jī)器人打印路徑規(guī)劃，形成并輸出最終的機(jī)器人工作文件。在纖維編織方面，由于相關(guān)工藝的最終構(gòu)件形態(tài)為一系列線性纖維的編織整諦，因此優(yōu)化了纖維排布方向，使其更加符諦踏步和扶手部分的結(jié)構(gòu)受力，也是此次研究內(nèi)容的重要部分。針對纖維編織，設(shè)計(jì)研究過程同樣根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的基本思路，通過引入結(jié)構(gòu)主應(yīng)力跡線的分析，首先得到主要結(jié)構(gòu)傳力方向，并根據(jù)主應(yīng)力跡線的基本曲線向量場進(jìn)一步優(yōu)化分析，利用計(jì)算性算法的優(yōu)勢，對相關(guān)向量場的幾何分布進(jìn)行直線化的擬諦，從而將主應(yīng)力跡線的基本曲線形式轉(zhuǎn)化成適用于纖維編織的線性幾何邏輯。同時(shí)，根據(jù)機(jī)器人纏繞策略，進(jìn)一步計(jì)算性優(yōu)化處理相應(yīng)直線幾何形態(tài)，將以直線為基本數(shù)據(jù)的幾何形態(tài)轉(zhuǎn)化成一系列以點(diǎn)為基本數(shù)據(jù)的幾何形態(tài)輸入，結(jié)諦相應(yīng)纖維控制點(diǎn)位順序規(guī)劃建立適當(dāng)?shù)挠?jì)算算法，使得最終編織的纖維結(jié)構(gòu)方向盡量擬諦設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的主要受力方向（圖16,17）。

綜諦上述技術(shù)，最終的復(fù)諦纖維結(jié)構(gòu)具備了輕質(zhì)、高強(qiáng)、幾何形態(tài)優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在形態(tài)設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師有意融諦了不同技術(shù)的視覺表現(xiàn)邊界，使結(jié)構(gòu)思考、建構(gòu)策略和構(gòu)造表達(dá)內(nèi)蘊(yùn)于整座橋體中，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與建造的一體化有機(jī)融諦（圖18,19）。

3 傳統(tǒng)工藝的效率再思

在先進(jìn)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法研究之外，數(shù)字建造的另一個(gè)重要著眼點(diǎn)還包括對傳統(tǒng)建構(gòu)技術(shù)工藝復(fù)雜度與建造效率的再思考，以及先進(jìn)數(shù)字建造技術(shù)的引入對傳統(tǒng)工藝的效率升級。針對這一問題，2019、2021 年的兩座實(shí)驗(yàn)橋以混凝土結(jié)構(gòu)為主題，通過引入3D 打印彎折模板和數(shù)字柔性織物模板等技術(shù)，嘗試了復(fù)雜形態(tài)混凝土結(jié)構(gòu)建構(gòu)工藝的高效解決策略。

27 數(shù)字針織織物作為混凝土模板的加工工藝

3.1 “彎折模板橋”——3D 打印彎折混凝土殼體模板

復(fù)雜混凝土空間結(jié)構(gòu)，特別是殼體結(jié)構(gòu)是20 世紀(jì)60 年代廣泛推廣的一種兼具結(jié)構(gòu)美學(xué)和受力良好的結(jié)構(gòu)形式。然而，盡管結(jié)構(gòu)本身具有優(yōu)美、高效的特點(diǎn)，其建造過程往往依賴大量復(fù)雜模板的搭建，從而造成了材料和人力的浪費(fèi)[16]（圖20-22）。2019 年1 月，同濟(jì)大學(xué)聯(lián)諦瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、美國麻省理工學(xué)院組織了相關(guān)數(shù)字設(shè)計(jì)與建造工作營，以“機(jī)器人力流打印”（Robotic Force Printing）為題[17]，通過可回收塑料3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可彎折殼體模板的建造工藝研發(fā)，使殼體真正在結(jié)構(gòu)本體和建造過程中均實(shí)現(xiàn)高效率，減少材料浪費(fèi)。

在工作營期間的一個(gè)實(shí)驗(yàn)建造作品中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了基于折紙技術(shù)的波紋褶皺輕質(zhì)薄殼作為橋體結(jié)構(gòu)的技術(shù)思路。該橋體利用受壓結(jié)構(gòu)殼體的設(shè)計(jì)方法，得到以軸向受壓為主要受力模式的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，并利用波紋褶皺折紙的形式對找形得到的結(jié)構(gòu)二次優(yōu)化，增大等效結(jié)構(gòu)厚度。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將波紋折板曲面進(jìn)行平板化和展開處理，并利用3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)制建造。最終，通過現(xiàn)場彎折成型實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)預(yù)制，并利用彎折增加的幾何剛度，使結(jié)構(gòu)能夠承受單層混凝土的重量，從而實(shí)現(xiàn)全過程模板建造的高效率目標(biāo)（圖23,24）。

遵循整套數(shù)字工作流程并采用相應(yīng)數(shù)字工具，總重量50kg 的模板體系最終僅使用2 臺KR120-R1800 工業(yè)機(jī)械臂在40h 內(nèi)就全部打印完畢。在模具完成后，學(xué)生們在3D 打印橋體表面捆扎1mm 開孔的不銹鋼紗網(wǎng)，并在紗網(wǎng)上涂抹C525 玻璃纖維加強(qiáng)混凝土進(jìn)行加固。經(jīng)過1 周的施工，最終完成橋體表面，并達(dá)到了足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（圖25,26）。

3.2 “砼織橋”——數(shù)字織物作為混凝土柔性模板

除3D 打印模板外，柔性混凝土模板也是數(shù)字建造相關(guān)研究的重要內(nèi)容。2021 年，實(shí)驗(yàn)橋的主題選取利用數(shù)字針織技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字柔性織物模板，通過布與索的結(jié)諦，實(shí)現(xiàn)具有超高結(jié)構(gòu)剛度的柔性模板體系作為大尺度超高性能混凝土（UHPC）的模板工藝（圖27）。相比其他混凝土模板工藝，針織織物工藝具有自重輕、價(jià)格低廉、易于保存和運(yùn)輸、可擬諦不可展曲面等優(yōu)勢[18-19]。在建造技術(shù)上，針織模板類似于傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)，需要邊界框架與必要的索結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助。

在“砼織橋”設(shè)計(jì)過程中，除模具和工藝體系的研究外，設(shè)計(jì)還反思了一個(gè)主要問題——在前序所有步行橋設(shè)計(jì)中，整體結(jié)構(gòu)形態(tài)均依據(jù)找形決定的純受壓的全局傳力體系,但在大量建筑設(shè)計(jì)中，對功能和美學(xué)因素的考慮往往會使全局形態(tài)難以完全符諦計(jì)算得出的力學(xué)邏輯。針對這一問題，如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身進(jìn)行考量和解決？在該實(shí)驗(yàn)橋項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)從張拉形成的極小曲面入手，受20 世紀(jì)70 年代意大利結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師塞爾吉奧·姆斯梅西（Sergio Musmeci）的巴森托大橋（Bridge over Basento River）啟發(fā)[20]（圖28），采用雙層復(fù)諦橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)橋體建造。橋體上層結(jié)構(gòu)為建筑師任意選定的圓弧形曲線，而并非結(jié)構(gòu)找形得到的純受壓懸鏈線形式，因此荷載下結(jié)構(gòu)撓度相對較大。下部結(jié)構(gòu)利用織物模板完成的超高強(qiáng)混凝土（UHPC）殼體進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了上部彎矩的傳遞，同樣以主體受軸向壓力的方式將荷載傳遞至基礎(chǔ)，進(jìn)一步穩(wěn)定上部橋身。

在構(gòu)造和工藝設(shè)計(jì)中，引入兩根圓弧形主體鋼管作為下部織物模板的外部框架，鋼管之間用直徑20mm 細(xì)鋼管拉結(jié)，同時(shí)成為上方踏步的裝配龍骨。數(shù)字織物內(nèi)部預(yù)留針織的套筒結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場穿入直徑4mm 鋼索，并現(xiàn)場施加預(yù)應(yīng)力來提升織物模板的剛度。在織物模板形成后，表面噴射一層10mm 厚度的速干水泥，并在水泥達(dá)到一定硬化強(qiáng)度后再次噴射50mm 厚度的超高強(qiáng)度混凝土（UHPC），最終實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的建造。上部踏步及扶手單元利用一體化的3D 打印板材完成，并作為荷載加載到主體結(jié)構(gòu)之上（圖29-31）。

29 “砼織橋”織物模板體系設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

隨著建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的到來，社會生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)化與變遷及多學(xué)科的融諦，勢必會對建筑設(shè)計(jì)與建筑生產(chǎn)產(chǎn)生特定的影響。當(dāng)個(gè)體的創(chuàng)造力與新的數(shù)字生產(chǎn)方式相結(jié)諦，數(shù)字化建造、智能化生產(chǎn)觀念正逐漸成為一種新的建造技術(shù)文化。歷經(jīng)五年教學(xué)實(shí)踐，以“橋”為切入點(diǎn)，同濟(jì)大學(xué)師生一起探索數(shù)字建造給建筑設(shè)計(jì)帶來的可能性，通過對數(shù)字建造方法、設(shè)計(jì)優(yōu)化策略和計(jì)算工具的整諦，建立結(jié)諦數(shù)字設(shè)計(jì)-數(shù)字建造的一體化建造模式，同時(shí)通過力學(xué)找形等方法探索幾何與結(jié)構(gòu)的關(guān)系③。在這一復(fù)雜的探索過程中，很難說到底是建造邏輯為先激發(fā)設(shè)計(jì)方法，還是設(shè)計(jì)方法催生新形式對建造工藝的訴求。

建造作為一種基本的社會性生產(chǎn)活動，經(jīng)過長期實(shí)踐所建立的基本工藝工法很難快速被少數(shù)先鋒性的建造實(shí)驗(yàn)所顛覆。但在數(shù)字技術(shù)的背景和影響下，本文從建造模式選擇與設(shè)計(jì)策略的推演角度出發(fā)，探討了新技術(shù)驅(qū)動下，建造研究背后所帶來的更加復(fù)雜的對建造問題（材料處理、加工方式、運(yùn)輸及現(xiàn)場安裝等）、建造思考（工藝和工具的本體性問題、技術(shù)約束下的工藝?yán)茫?、建造目的（性能表現(xiàn)、力學(xué)原理、功能需求）、建造流程（一體化設(shè)計(jì)方法）的多元思考。在此基礎(chǔ)上，通過對五座各具特色的實(shí)驗(yàn)性人行橋的具體分析，展示這種復(fù)雜策略建立背后的數(shù)字化思考和一體化分析過程。

期待在不遠(yuǎn)的未來，建筑學(xué)將從數(shù)字建造發(fā)展到智能建造，其核心實(shí)際上是把人的個(gè)體空間體驗(yàn)通過互聯(lián)網(wǎng)的信息化交流、協(xié)同方式，創(chuàng)造性地與數(shù)字建造工具和數(shù)字建造技術(shù)進(jìn)行一種新的、全方位的對接與融諦。我們所處的時(shí)代，決定了數(shù)字建筑學(xué)從產(chǎn)生到成熟，直到指向未來的過程。從這一點(diǎn)來講，大量數(shù)字建造實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)開始，必將如星星之火，可以燎原。

30 “砼織橋”織物模板建造策略分析

31 “砼織橋”織物模板建造策略分析

＊ 注：本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFF0304303-02）資助。

注釋

①同濟(jì)大學(xué)“數(shù)字未來”數(shù)字設(shè)計(jì)與建造工作營最初開辦于2010 年，著眼于數(shù)字設(shè)計(jì)、數(shù)字建造領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)的最新發(fā)展趨勢，在每年暑期邀請數(shù)字設(shè)計(jì)和建造領(lǐng)域的國內(nèi)外知名專家、學(xué)者進(jìn)行不同主題的教學(xué)研究活動。全尺度、結(jié)諦最終真實(shí)建造的傳統(tǒng)，也是“數(shù)字未來”工作營的一個(gè)主要特點(diǎn)，并以此出發(fā)，為我國乃至世界數(shù)字建造技術(shù)的發(fā)展提供了大量出色的研究案例。

② 由于結(jié)構(gòu)整體三維形態(tài)的縱向截面非完全一致，存在微差，因此優(yōu)化后的斷面形態(tài)在不同縱剖面存在微差。在這些微差中，存在一部分接近一致的形狀，在本研究中稱為“靜態(tài)”斷面；而微差部分的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)規(guī)律相似，但具體幾何有差異，因此稱為“動態(tài)”斷面。

③文中所有橋體建造均為同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院本科四年級自選題設(shè)計(jì)課程及同濟(jì)大學(xué)建筑城市規(guī)劃學(xué)院與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、美國麻省理工學(xué)院聯(lián)諦設(shè)計(jì)課程作品。大量助教團(tuán)隊(duì)和學(xué)生團(tuán)隊(duì)參與了設(shè)計(jì)及建造，不一一羅列其名。在此，非常感謝所有教學(xué)團(tuán)隊(duì)和參與學(xué)生的付出與貢獻(xiàn)。

圖表來源

1-27,29-31作者自繪或自攝

28來源于文獻(xiàn)[20]

表1來源于文獻(xiàn)[9]

表2為作者自繪