袁烽 金晉磎

同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

人工智能通過互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、機器智能等算法技術(shù)飛速刷新著社會認(rèn)知，而建筑業(yè)作為傳統(tǒng)行業(yè)，應(yīng)如何吸納新技術(shù)以打破自身局限并實現(xiàn)提升，是我們每個從業(yè)人員應(yīng)思考的問題。

建筑學(xué)正在和結(jié)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、計算機科學(xué)，甚至機器人產(chǎn)業(yè)帶來的機械學(xué)、生物學(xué)進行深度融合[1]，數(shù)字設(shè)計與智能建造顛覆了傳統(tǒng)的建筑模式，為行業(yè)的變革指明了方向。西岸人工智能峰會B館（圖1）就是在這樣背景下的一次數(shù)字設(shè)計與智能建造的實踐。

1 設(shè)計概述

項目場地位于后世博時代上海徐匯濱江西岸，緊鄰西岸藝術(shù)中心、西岸美術(shù)館、油罐藝術(shù)公園等西岸藝術(shù)空間（圖2）。伴隨著人工智能科技產(chǎn)業(yè)的集聚，藝術(shù)與科技的融合成為新時期發(fā)展下西岸濱江城市建設(shè)的全新話題。在此背景下，西岸迎來了世界人工智能大會（WAIC），西岸人工智能峰會B館項目于2018年4月啟動設(shè)計，6月開始建造，9月順利實現(xiàn)了8 885m2會展空間的呈現(xiàn)（圖3～5）。

1.1 輕型結(jié)構(gòu)預(yù)制建造

項目最大的挑戰(zhàn)來自緊迫的時間，場館的設(shè)計與建造僅有100天。但挑戰(zhàn)同時也意味著機遇：建筑設(shè)計從整體思路上打破了常規(guī)會展建筑的設(shè)計建造方式，以輕型建筑預(yù)制化快速建造實現(xiàn)，結(jié)合數(shù)字設(shè)計與智能建造方法，建筑實現(xiàn)了材料、結(jié)構(gòu)與形式的優(yōu)化——會議場館主體以三個模數(shù)化的輕鋁排架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，休息庭院屋頂通過兩個輕質(zhì)鋼木復(fù)合網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)（圖6）。

考慮到會展建筑的建造和使用特點，輕型建筑在會展類型的建筑設(shè)計中擁有巨大的優(yōu)勢和潛力[2]，弗雷·奧托和坂茂作為輕型建筑的代表建筑師，都先后嘗試了輕型建筑在會展建筑中的創(chuàng)新應(yīng)用（圖7，8）。

1.2 靈活的整體布局

在場地布局方面，三個矩形會議空間首尾扭轉(zhuǎn)相接，與周圍城市肌理相契合，會議空間圍合出兩個三角形庭院。整體空間布局呈現(xiàn)出一種通用性，建筑可以靈活適應(yīng)未來展覽、峰會、論壇等使用功能：三個主要功能空間既可以單獨租用，又可以連通使用；兩個共享庭院在平時可全開放形成城市口袋公園（圖9），在會展活動期間既可作為展示空間，也可作為輔助的緩沖與休憩空間。

1.3 開放的空間營造

建筑整體設(shè)計實現(xiàn)了輕盈、通透的開放空間（圖10），同時我們也考慮以極具科技感和標(biāo)識性的數(shù)字展亭打造有吸引力的城市開放空間：建筑主入口廣場放置德國Achim Menges教授團隊制造的機器人碳纖維編織展亭（圖11），主庭院放置Fab Union制造的機器人3D打印咖啡亭（圖12）。數(shù)字展亭是建筑數(shù)字設(shè)計與智能建造的前沿探索，展現(xiàn)了新興技術(shù)對于建筑產(chǎn)業(yè)的深遠意義。

1 西岸人共智能峰會B館鳥瞰

西岸人工智能峰會B館

業(yè)主：上海西岸開發(fā)（集團）有限公司

建設(shè)地點：上海市徐匯區(qū)

建筑設(shè)計：上海創(chuàng)盟國際建筑設(shè)計有限公司

項目負責(zé)人：袁烽

設(shè)計團隊：韓力、金晉磎、林磊、黃金玉、張嘯（建筑）；張準(zhǔn)、沈俊超、黃濤、王瑞（結(jié)構(gòu)）；何福孜、唐靜燕（室內(nèi)）；俞瑛、王勇、魏大衛(wèi)（機電）

數(shù)字建造：上海一造建筑智能工程有限公司

總建筑面積：8 885m2

結(jié)構(gòu)形式：鋼木混合結(jié)構(gòu)、輕鋁排架結(jié)構(gòu)

設(shè)計時間：2018.04～2018.07

建成時間：2018.08

攝影：田方方

3 西岸人工智能峰會B館平面圖

4 西岸人工智能峰會B館北立面圖

5 西岸人工智能峰會B館剖面圖

6 建筑爆炸圖

7 2000年德國漢諾威世博會日本館，坂茂

8 1967年加拿大蒙特利爾世博會德國館，弗雷·奧拓

9 主門廳共享庭院沿街空間

10 面向城市開放的庭院空間

11 主入口廣場碳纖維編織展亭

12 主庭院空間機器人3D打印咖啡亭

13 自由靈活分隔室內(nèi)空間

14 主立面聚碳酸酯板幕墻

15 單榀排架單元吊裝為整體結(jié)構(gòu)

2 模數(shù)：鋁合金排架會議場館

考慮到時間有限，三個會議空間通過瑞德爾裝配式展覽建筑篷房體系實現(xiàn)，采用模塊化裝配的鋁合金排架結(jié)構(gòu)。雖然篷房體系僅能滿足臨時建筑的要求，但其呈現(xiàn)出的簡潔結(jié)構(gòu)幾何邏輯、剛?cè)峤Y(jié)合的高效結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合、模塊裝配等特點，可以實現(xiàn)高效結(jié)構(gòu)和快速建造，是短周期、低成本、環(huán)保節(jié)能的解決方案。

2.1 ?？旎ㄖ瓶臻g

跨度30～40m、邊高7.2～8.4m的三個坡頂排架帳篷可以滿足會議空間需求，單榀排架單元通過檁條、斜撐連接實現(xiàn)輕質(zhì)大跨空間（圖6），可自由靈活分隔大跨的通用空間以滿足展覽和會議需求（圖13）。

立面和屋頂?shù)膰o體系通過差異化設(shè)計實現(xiàn)建筑功能流線、立面形象、節(jié)能減耗的綜合要求（圖6），通過精致化的十字鋼龍骨體系和聚碳酸酯板結(jié)合的半隱框幕墻來提升立面品質(zhì)（圖14），屋頂以雙層膜系統(tǒng)增強建筑的熱學(xué)性能。

2.2 構(gòu)件優(yōu)化

篷房體系的結(jié)構(gòu)材料包括鋁合金、鋼鋁型材和鋼型材，提供適用于不同定制方案的最優(yōu)材料，通過結(jié)構(gòu)模擬計算，排架會議空間可以通過鋁合金型材實現(xiàn)。鋁合金作為超輕的新型結(jié)構(gòu)材料，比相同條件下的鋼結(jié)構(gòu)輕1/3。通過數(shù)字模擬計算，鋁合金排架的構(gòu)件截面可優(yōu)化為355mm×124mm的通用型材，實現(xiàn)非常輕巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.3 預(yù)制化快速建造

模塊化輕鋁排架體系的優(yōu)勢在工業(yè)化快速建造方面更為明顯。所有構(gòu)件在工廠預(yù)制，現(xiàn)場安裝連接為單榀排架單元后通過機械吊裝為整體結(jié)構(gòu)（圖15）。結(jié)構(gòu)體系和圍護體系均可通過預(yù)制化快速建造實現(xiàn)，最終6 700m2的會議空間得以在兩個月的時間內(nèi)完成建造。

3 結(jié)構(gòu)：鋼木復(fù)合網(wǎng)殼屋頂

兩個庭院空間通過鋼木復(fù)合網(wǎng)殼覆蓋，2 000m2的雙曲面鋼木復(fù)合網(wǎng)殼的預(yù)制加工與現(xiàn)場裝配在兩個月的緊迫建造時間內(nèi)完成，網(wǎng)殼最大跨度達40m（圖16）。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種通過雙曲率獲得強度和剛度的高效大跨度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，然而雙曲面設(shè)計和建造的復(fù)雜性給網(wǎng)殼的實際應(yīng)用帶來了限制[3]，不過數(shù)字技術(shù)提供了打破這種限制的可能。從設(shè)計上講，數(shù)字找形工具和數(shù)字分析模擬工具的發(fā)展使網(wǎng)殼形式的合理設(shè)計成為可能；從建造上講，工業(yè)化生產(chǎn)由粗獷化向精細化的轉(zhuǎn)變促生了建筑“工廠定制化構(gòu)件制造+現(xiàn)場裝配”的建造模式[4]，以支持雙曲網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的建造實現(xiàn)。

16 庭院鋼木復(fù)合網(wǎng)殼屋頂

17 以豎向中空疊合雙梁的直梁擬合網(wǎng)殼曲面

18 木梁節(jié)點

19 雙曲面木網(wǎng)殼安裝過程

3.1 數(shù)字網(wǎng)殼生形

三角庭院在空間上被兩側(cè)的矩形會議空間所限定，在邊界條件基本確定的情況下，網(wǎng)殼既要滿足適合的構(gòu)件尺寸，又要保證支撐條件與兩側(cè)排架柱網(wǎng)相協(xié)調(diào)。通過集成結(jié)構(gòu)生形算法的Rhino插件Kanga roo，將輸入的邊界條件與力學(xué)優(yōu)化參數(shù)關(guān)聯(lián)，可快速實現(xiàn)網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)性能化找形，在不同邊界條件的多方案比選下，最終確定了將網(wǎng)殼屋蓋系統(tǒng)與豎向支座系統(tǒng)分離進行力學(xué)找形的方案。網(wǎng)殼屋蓋系統(tǒng)與豎向支座系統(tǒng)力學(xué)不連續(xù)的矛盾通過鋼木構(gòu)件混合使用的方式化解（圖6）：網(wǎng)殼屋蓋以環(huán)向鋼桁架和角部鋼拉索作為構(gòu)造約束，以抵抗網(wǎng)殼的水平向側(cè)推力。最終得到的屋頂形態(tài)呈現(xiàn)整體漂浮的狀態(tài)，不僅實現(xiàn)了限定條件下的理想空間和形式，曲率平緩的網(wǎng)殼也有利于鋼木構(gòu)件的加工與建造。

3.2 構(gòu)件與節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)殼屋頂通過交錯布置的梁擬合雙曲面屋面，交錯布置的木梁可以實現(xiàn)網(wǎng)殼的半剛性連續(xù)，自由曲面的非標(biāo)節(jié)點建造是節(jié)點設(shè)計和優(yōu)化的核心?；跍p少膠合木用量、增加現(xiàn)場建造的誤差消解能力、提高節(jié)點剛度三方面考慮，結(jié)構(gòu)工程師與建筑師共同提出了以直的木梁擬合網(wǎng)殼曲面（圖17），同時將單個直梁優(yōu)化為厚度50mm的豎向中空疊合雙梁，節(jié)點處雙梁以對穿螺栓和現(xiàn)場開孔的自攻螺釘連接（圖18）。

中國教育的目標(biāo)是“望子成龍”，標(biāo)準(zhǔn)是“成王敗寇”，方法是“死記硬背”，手段是“不斷施壓”，還美其名曰“壓力即動力”。至于孩子們是否真實，是否善良，是否健康，是否快樂，沒人去想。最需要“以人為本”的領(lǐng)域，卻最不拿人當(dāng)人。

經(jīng)計算分析，木梁梁高400mm即可滿足受力要求，但為了減少節(jié)點類型，木梁梁高統(tǒng)一調(diào)整至500mm，這樣不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)殼屋面結(jié)構(gòu)合理、加工快速精確及現(xiàn)場裝配，也能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)殼屋面完整簡潔的空間效果。

3.3 數(shù)字預(yù)制與現(xiàn)場裝配

網(wǎng)殼屋頂基于數(shù)字模型進行建造，在兩個月的緊迫時間里完成了2 000m2空間異形雙曲面網(wǎng)殼屋頂?shù)念A(yù)制加工與現(xiàn)場裝配。數(shù)字工廠快速、精確地實現(xiàn)了差異木梁和木墊片的全自動化加工，鋼桁架、鋼梁系統(tǒng)和異形鋼柱的加工與焊接也在工廠預(yù)制完成?，F(xiàn)場裝配與建造過程搭設(shè)了滿堂腳手架作為操作平臺和定位基準(zhǔn)網(wǎng)格，以實現(xiàn)復(fù)雜雙曲面木網(wǎng)殼的安裝調(diào)整和精確建造（圖19）。

4 工藝：機器人3D打印咖啡亭

共享花園中，我們通過機器人3D打印技術(shù)，使用環(huán)保材料——改性塑料，建造了3D打印咖啡亭及其內(nèi)部的3D打印隔墻、吧臺、家具（圖20，21）。3D打印咖啡亭采用大尺度空間打印的工藝進行建造，使用特定的編程語言生成面向建造的連續(xù)空間網(wǎng)格，充分融合結(jié)構(gòu)性能化分析技術(shù)，力求做到整體結(jié)構(gòu)最輕、用材最省。大尺度空間打印技術(shù)將在建筑復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)、異形模板等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 算法生形

3D打印咖啡亭的形式通過算法生形實現(xiàn)。首先根據(jù)場地關(guān)系確定咖啡亭輪廓和基礎(chǔ)平面網(wǎng)格線并細分網(wǎng)格，以庭院空間的人流動線擾動網(wǎng)格，可得到用作生形的網(wǎng)格線，通過Grasshopper的插件Kangaroo進行結(jié)構(gòu)找形可得到構(gòu)件的空間位置。

4.2 拓撲優(yōu)化與建造優(yōu)化

在深化設(shè)計中引入結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化技術(shù)，并綜合考慮打印效率和結(jié)構(gòu)性能，實現(xiàn)了不同剛度、不同重量的3D打印單元網(wǎng)格，不同疏密的空間打印單元路徑是算法設(shè)計生成的，可實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。同時，深化設(shè)計還需要考慮機器人建造工藝的限制，進行合理的運動路徑規(guī)劃，以避免打印路徑碰撞及打印環(huán)境變化帶來的限制，從而再次優(yōu)化整體網(wǎng)格[5]。

4.3 機器人3D打印

Grasshopper的插件Kukap rc在虛擬環(huán)境中模擬了實際建造過程以實現(xiàn)控制，并將模型轉(zhuǎn)化為加工代碼。3D打印咖啡亭充分展示了機器人的空間運動能力帶來的建造優(yōu)勢。作為一個開放的、面向“數(shù)據(jù)”的工具平臺，機器人實現(xiàn)定制構(gòu)件建造可以很好地控制時間與成本，咖啡亭主體結(jié)構(gòu)及其附屬的物品都在工廠通過機器人預(yù)制完成建造，總耗時3周。

20 3D打印咖啡亭及其內(nèi)部3D打印隔墻、吧臺、家具

21 3D打印咖啡亭及其內(nèi)部3D打印隔墻、吧臺、家具

西岸人工智能峰會B館3D打印服務(wù)亭

業(yè)主:上海西岸開發(fā)（集團）有限公司建設(shè)地點：上海市徐匯區(qū)龍騰大道

數(shù)字設(shè)計、建造：上海一造建筑智能工程有限公司

主持建筑師：袁烽

設(shè)計團隊：張立名、金晉磎、徐純、高思捷、黃楨翔、李策（建筑）；張立名、張雯、王徐煒、彭勇、徐純、高思捷、黃楨翔、李策、萬智敏（數(shù)字建造）

設(shè)計時間：2018.04～2018.07

建造時間：2018.06～2018.08

攝影：田方方

碳纖維展亭

數(shù)字設(shè)計與建造：德國斯圖加特大學(xué)計算機設(shè)計學(xué)院（ICD）和建筑結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)院（ITKE）

設(shè)計團隊：Achim Menges、Moritz D?rstelmann（設(shè)計）；Jan Knippers（結(jié)構(gòu)工程）；Thomas Auer（氣候工程）

攝影：田方方

22 碳纖維展亭透視

23 玻璃纖維與碳纖維細部

24 機器人纖維編織

5 材料：碳纖維展亭

建筑入口廣場的碳纖維展亭Elytra Filam ent Pavilion（圖22）由德國斯圖加特大學(xué)計算機設(shè)計學(xué)院（ICD）和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)院（ITKE）聯(lián)合設(shè)計建造，開拓性地融合了建筑學(xué)、工程學(xué)和仿生學(xué)的原理，并通過現(xiàn)代的綜合設(shè)計方式實現(xiàn)，其高技術(shù)、高效能的仿生形態(tài)極具科技感，展示了新興技術(shù)的意義和深遠影響[6]。

5.1 仿生設(shè)計

在先進的計算設(shè)計、模擬和制造技術(shù)的幫助下，豐富的生物學(xué)資源可以被用于探索設(shè)計和工程中自然系統(tǒng)的基本工作原理，作為斯圖加特大學(xué)Achim Menges碳纖維展亭的系列探索作品之一，Elytra Filament Pavilion探討了生物纖維系統(tǒng)如何轉(zhuǎn)移到建筑。

200m2展館的結(jié)構(gòu)靈感來自于自然界中的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)原理，其中最主要的是一種在甲殼蟲前翅上發(fā)現(xiàn)的纖維狀翅鞘結(jié)構(gòu)。通過將輕質(zhì)結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)譯為具有適應(yīng)性的、不斷增長的樹冠形式，以實現(xiàn)展亭形態(tài)擴展并適應(yīng)半戶外城市綠地。

5.2 工程集成

該裝置的纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)由模塊化的六邊形基本單元構(gòu)成，單元由項目團隊開發(fā)的機器人纏繞纖維工藝制造，透明玻璃纖維形成空間支架，在其上施加主要結(jié)構(gòu)的黑色碳纖維提供必須的硬度和強度，纖維增強復(fù)合材料（FRP）以各向異性的卓越結(jié)構(gòu)性能實現(xiàn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)體（圖23）。由于機器人制造過程能夠?qū)崿F(xiàn)差異化的形態(tài)建造，每個頂篷單元設(shè)計都考慮了其特定的荷載條件，通過其纖維排列密度和方向的變化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，形成輕質(zhì)有效的結(jié)構(gòu)，其平均重量僅為9kg/m2。

5.3 機器人纖維編織

Elytra Filament Pavilion模塊化輕量級的纖維復(fù)合建筑系統(tǒng)由兩臺協(xié)作機器人纏繞纖維制造，使用了當(dāng)前世界上最先進的建筑智能制造技術(shù)，與其他大多數(shù)復(fù)合材料制造工藝相比，機器人纏繞纖維不需要任何模具即可實現(xiàn)快速建造，占地200m2的起伏頂篷（包含40個各不相同的六邊形構(gòu)件單元）平均制造時間大約為3h（圖24）。

6 結(jié)語

西岸人工智能峰會B館通過模塊化的輕鋁排架場館、鋼木復(fù)合網(wǎng)殼屋頂、3D打印服務(wù)亭、碳纖維展亭的設(shè)計與建造，探索了未來的建筑設(shè)計和建造方式：建筑和展亭以一套整合材料系統(tǒng)、性能化參數(shù)、建造方式的數(shù)字設(shè)計方法實現(xiàn)了設(shè)計，并以超輕型、快速準(zhǔn)確的智能建造技術(shù)進行建造，實現(xiàn)了工業(yè)化、智能化的具體實踐。建筑和展亭呼應(yīng)了人工智能峰會的主題，同時提升了西岸濱水開放空間的獨特性和吸引力。

圖片來源

圖1，9～14，16，20～23為田方方拍攝；15，19為西岸集團拍攝；2～6，17～18為設(shè)計團隊繪制；7，8，24來源于網(wǎng)絡(luò)。