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        木之建構(gòu)*
        ——性能化與自動(dòng)化實(shí)踐

        2019-11-27 16:40:46華好王嘉城盧德格爾霍夫施塔特
        建筑技藝 2019年9期
        關(guān)鍵詞:木構(gòu)木結(jié)構(gòu)木板

        華好 王嘉城 盧德格爾·霍夫施塔特

        1 東南大學(xué)建筑學(xué)院

        2 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

        使用木材曾經(jīng)是我國傳統(tǒng)建筑的一大特色,而西方對(duì)建筑工業(yè)化、性能化的不斷追求則推動(dòng)了現(xiàn)代木構(gòu)建筑的發(fā)展[1]。21世紀(jì)飛速發(fā)展的運(yùn)算化設(shè)計(jì)(Computational Design)方法與數(shù)控建造(Digital Fabrication)技術(shù)[2]開始從本質(zhì)上改變建筑的物質(zhì)構(gòu)成與設(shè)計(jì)理念,如機(jī)器人3D打印建筑[3]。逐漸完善的數(shù)字技術(shù)正在推動(dòng)木結(jié)構(gòu)的造型、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、制造的創(chuàng)新,生成設(shè)計(jì)、機(jī)器人建造、拓?fù)鋬?yōu)化(Topology Optimization)等方法與木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合,推動(dòng)現(xiàn)代木構(gòu)走向性能化、自動(dòng)化、智能化。

        1 數(shù)字化木構(gòu)

        木構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋了空間設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化、細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)、加工與建造等環(huán)節(jié),這些環(huán)節(jié)各自都有較為明確的內(nèi)容與目標(biāo),但又相互關(guān)聯(lián)。本文主要探討如何用數(shù)字化方法推動(dòng)木構(gòu)的形態(tài)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、細(xì)部設(shè)計(jì)和數(shù)控加工。案例分析包括東南大學(xué)建筑與運(yùn)算研究所在2017~2018年期間完成的四個(gè)木構(gòu)項(xiàng)目:1)Neuron穹頂,南京大學(xué)校園,DADA2017國際工作坊;2)Mero木構(gòu),南京紫東國際創(chuàng)意園;3)Upsilon展廳,國家會(huì)展中心(上海),第七屆中國國際機(jī)器人展覽會(huì);4)Void Pavilion木構(gòu),東南大學(xué)校園[4]。

        這些項(xiàng)目都通過計(jì)算編程進(jìn)行設(shè)計(jì),運(yùn)用數(shù)控機(jī)床或機(jī)器人進(jìn)行加工。典型的數(shù)字化流程為:1)利用算法生成木構(gòu)的形狀,根據(jù)場地條件進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整;2)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和優(yōu)化,該步驟有時(shí)包含在第一個(gè)步驟中;3)算法生成所有構(gòu)件的細(xì)部形狀;4)算法生成數(shù)控設(shè)備可以直接讀取的加工文件,該步驟或可以與第三個(gè)步驟合二為一;5)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化加工;6)現(xiàn)場組裝。

        2 點(diǎn)、線、面在木構(gòu)中的多重角色

        木構(gòu)承擔(dān)了空間、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等多重角色,其中每一個(gè)木構(gòu)件都有獨(dú)特的外形,同時(shí)又可受力,其細(xì)部形狀要便于安裝。木材原料以線性(原木、木方)或平面(各類人造板材)的形式呈現(xiàn),而最終加工而成的木構(gòu)件也通常呈現(xiàn)出線性或平面的形式,因此我們可以通過點(diǎn)、線、面三種典型元素對(duì)木構(gòu)進(jìn)行解析。

        2.1 空間性能

        木結(jié)構(gòu)可以營造供人使用的空間。法國人洛吉(Marc-Antoine Laugier)在18世紀(jì)提出原始棚屋(Primitive Hut)是所有建筑的原型,它由非常簡單的木柱與木梁構(gòu)成,滿足人們在大自然中尋求庇護(hù)的基本需求?,F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)可以作為復(fù)雜建筑物的結(jié)構(gòu)部分,木材在外觀上不可見或部分可見,如坂茂設(shè)計(jì)的蘇黎世Tamedia辦公大樓、法國蓬皮杜中心梅斯分館等;木結(jié)構(gòu)也能自成一體,木材全部暴露在視線內(nèi),如斯圖加特大學(xué)ICD-ITKE設(shè)計(jì)的公園展廳(Landesgartenschau Exhibition Hall)、瑞士EPFL IBOIS實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的Vidy-Lausanne觀演廳等。本文中的案例屬于后一種方式。

        1 南京紫東國際創(chuàng)意園Mero 木構(gòu)

        2 Upsilon 展廳,國家會(huì)展中心(上海),CIROS 2018

        表1 木構(gòu)中的點(diǎn)、線、面元素

        3 力圖解與形圖解之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

        我們可以通過點(diǎn)、線、面三種典型元素對(duì)木構(gòu)的空間屬性進(jìn)行分析(表1)。木構(gòu)件或以實(shí)體的方式體現(xiàn)出點(diǎn)、線、面的幾何特征,或以視覺暗示的方式體現(xiàn)。例如,原始棚屋的四根柱子以“虛”的方式建構(gòu)了4個(gè)垂直面,讓人感知到一個(gè)圍合的建筑空間;Mero木構(gòu)以“實(shí)”的方式呈現(xiàn)了“線”的幾何特征,又以“虛”的方式呈現(xiàn)出了一個(gè)球面,雖然這個(gè)球面并不是真實(shí)存在,但人們可以切實(shí)地感覺到這個(gè)球面空間(圖1);Upsilon木構(gòu)由外圍的8根鋁型材形成了一個(gè)“虛”的方形空間,而內(nèi)部的木結(jié)構(gòu)則形成了一個(gè)“虛”的傘狀曲面,該曲面與外圍方形空間之間的區(qū)域是人們實(shí)際感受到的室內(nèi)空間(圖2)。

        2.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

        數(shù)字化木構(gòu)十分重視力與形之間的對(duì)話,例如斯圖加特大學(xué)ICD-ITKE設(shè)計(jì)的德國海爾布隆BUGA木質(zhì)展亭、坂茂設(shè)計(jì)的韓國赫斯利九橋高爾夫俱樂部等。利用有限元方法(Finite Element Method,簡稱FEM)可以把木構(gòu)件抽象成點(diǎn)、線、面等圖元。木結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能涵蓋靜力平衡、風(fēng)荷載、雪荷載、地震等因素,本文主要討論木結(jié)構(gòu)的靜力平衡分析。

        大多數(shù)木結(jié)構(gòu)是一個(gè)桿系結(jié)構(gòu),我們可以把每個(gè)木桿件看作一根線段,把桿件相連接的部位看作一個(gè)點(diǎn)。伐里農(nóng)(Pierre Varignon)早在17世紀(jì)就對(duì)懸索結(jié)構(gòu)(Funicular Structure)進(jìn)行了研究,他的圖解靜力學(xué)(Graphic Statics)[5]定義了力圖解與形圖解之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖3):1)力圖解與形圖解中的線段一一平行;2)力圖解中的線段長度與其軸向力(拉力或張力)成正比。如果“點(diǎn)—線”形狀和點(diǎn)上的力已知,利用圖解法可以求解每根線段上的軸向力;如果每個(gè)點(diǎn)上的重力和兩個(gè)固定點(diǎn)的位置已知,可以求解所有點(diǎn)的位置。在計(jì)算機(jī)編程中,我們可以通過線性方程組來求解三維桿系結(jié)構(gòu)中的軸向力。

        4 Neuron 穹頂,南京大學(xué)校園

        5 “鼎上添花”木構(gòu)方案

        6 Upsilon 展廳的構(gòu)造細(xì)節(jié)

        Neuron項(xiàng)目(圖4)將靜力平衡分析與形狀優(yōu)化統(tǒng)一起來,設(shè)計(jì)了一種根據(jù)力進(jìn)行找形(Form Finding)的循環(huán)算法。在算法的每一次循環(huán)中,首先把對(duì)應(yīng)木板構(gòu)件的重量按比例分配到相關(guān)的節(jié)點(diǎn)上,然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)受到重力的作用而發(fā)生位移,再通過圖解法計(jì)算出每條邊的軸向力,隨后每個(gè)節(jié)點(diǎn)在邊的軸向力作用下發(fā)生位移。多次循環(huán)之后,整個(gè)結(jié)構(gòu)的形狀趨于穩(wěn)定。

        圖5所示的“鼎上添花”構(gòu)筑物營造了可供人休憩交流的半室外空間,整個(gè)曲面由多塊木板拼接而成,木板之間的連接構(gòu)造只能承受壓力。構(gòu)筑物的上部邊緣需要有很強(qiáng)的剛度(可以承受較大的彎矩與剪力),才能保證整體結(jié)構(gòu)的可行性。通過循環(huán)“分析—優(yōu)化”的算法得出圖中所示的形狀,整個(gè)結(jié)構(gòu)跨度約10m,但在技術(shù)上很難制造不規(guī)則的、剛度很高的大尺寸邊緣,因此該方案并未建成。

        2.3 構(gòu)造性能

        木結(jié)構(gòu)的物質(zhì)化(Materialization)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是構(gòu)造設(shè)計(jì),目標(biāo)是:1)把整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能落實(shí)到細(xì)部;2)合理使用材料的各項(xiàng)性能,但這并不意味著因循守舊;3)構(gòu)造細(xì)部需要依據(jù)現(xiàn)實(shí)的加工工藝;4)構(gòu)造設(shè)計(jì)讓安裝便捷準(zhǔn)確,甚至是機(jī)器人自動(dòng)組裝[6]。

        Upsilon木構(gòu)采用每個(gè)金屬片連接3根木桿的構(gòu)造(圖6)。由于構(gòu)筑物的形狀經(jīng)過力學(xué)優(yōu)化,在理論上節(jié)點(diǎn)處沒有彎矩和剪力,因此節(jié)點(diǎn)處金屬片的主要作用是定位與固定,可以采用很薄的金屬板。木桿與木桿之間直接接觸并傳遞壓力,因此木桿端頭的幾何形狀必須十分精確(由機(jī)械臂銑削加工)。此外,金屬片的形狀與木桿端頭的形狀可以確保安裝的正確性與準(zhǔn)確性。

        Void Pavilion木構(gòu)由相互交錯(cuò)的木梁組成(圖7)。市場上的膠合板尺寸多為1.2m×2.4m,因此構(gòu)造設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于:如何用小構(gòu)件拼接成大梁,同時(shí)保證梁具有良好的整體性。項(xiàng)目組發(fā)明了一種雙層構(gòu)造:每根梁(厚30mm)由兩組15mm厚的膠合板構(gòu)成,這兩組膠合板交錯(cuò)拼接在一起,保證了整根梁的整體強(qiáng)度。此外,為了使整體曲面的內(nèi)外表面盡量平滑,木梁的上下邊緣都被切割成連續(xù)變化的斜面(與木板表面不垂直),因此需要用機(jī)械臂進(jìn)行可傾斜的板材切割(圖8)。

        7 Void Pavilion 木構(gòu),東南大學(xué)校園

        8 Void Pavilion 項(xiàng)目采用機(jī)械臂進(jìn)行可傾斜的板材切割

        9 Upsilon、Mero 項(xiàng)目采用機(jī)械臂銑削木材

        10 Neuron穹頂項(xiàng)目采用定制的轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行機(jī)械臂加工

        3 基于機(jī)器人的定制加工

        本文涉及的木結(jié)構(gòu)都具有不規(guī)則的幾何形狀,其中每一個(gè)零件都具有唯一的形狀,而現(xiàn)有商業(yè)軟件不再適用于這種高度定制化的加工模式。針對(duì)每個(gè)構(gòu)件都需要定制的加工過程(Bespoke Fabrication Processes),我們基于Java編程語言獨(dú)立開發(fā)了一套利用KUKA機(jī)械臂進(jìn)行加工的“形體生成—節(jié)點(diǎn)構(gòu)造—機(jī)器人離線編程”程序。

        “形體生成”(Form Finding)程序模塊把木構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)轉(zhuǎn)化為具象的三維形體。以Neuron穹頂為例,關(guān)鍵參數(shù)包括跨度、高度、出入口尺寸、多邊形數(shù)量等。形體的生成是一個(gè)循環(huán)的動(dòng)態(tài)過程,其目標(biāo)是改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,并形成較為平滑的曲面。

        “節(jié)點(diǎn)構(gòu)造”(Digital Tectonics)程序模塊可生成木構(gòu)件的所有幾何細(xì)節(jié),包括所有的連接構(gòu)造。采用參數(shù)化的數(shù)學(xué)模型生成許多形狀不同(但屬于同一類)的細(xì)節(jié)構(gòu)造,復(fù)雜幾何形狀的建模往往需要和加工路徑(Toolpath)編程統(tǒng)一起來[7]。例如,Void Pavilion項(xiàng)目中的木梁上下邊緣不垂直于木板表面,需要利用機(jī)械臂線性運(yùn)動(dòng)過程中連續(xù)旋轉(zhuǎn)角度的功能(參見KUKA機(jī)械臂的LIN命令與$ORI_TYPE參數(shù))。

        “機(jī)器人離線編程”(Robotic Off-Line Programming)程序模塊把每個(gè)木構(gòu)件的幾何細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)數(shù)控設(shè)備的加工代碼。在Upsilon與Mero項(xiàng)目中,木桿件的端頭形狀較為復(fù)雜,而且包含很多非垂直的角度(圖9),因此需要對(duì)加工路徑進(jìn)行詳盡規(guī)劃[8]。每個(gè)構(gòu)件的幾何細(xì)節(jié)各不相同,需要通過編程從每個(gè)構(gòu)件的特定幾何形狀計(jì)算出相應(yīng)的加工路徑文件(KUKA的.src文件)。

        高度定制化的機(jī)器人加工工藝通常需要試制或定制加工工具、工裝、夾具[9]。例如,Neuron項(xiàng)目先用三軸數(shù)控銑床把每個(gè)木板構(gòu)件的大致輪廓切割出來,再把木板構(gòu)件固定在轉(zhuǎn)臺(tái)之上,最后使用KUKA機(jī)械臂加工構(gòu)件邊緣的“手指”狀的榫卯切口(圖10)。切口方向與木板表面呈微小的角度(取決于相鄰兩塊木板的夾角),無法用普通的三軸數(shù)控機(jī)床來加工。標(biāo)準(zhǔn)夾具不方便固定不規(guī)則形狀的木板,因此該項(xiàng)目定制了一種金屬臺(tái)面,表面放射狀地密布螺紋孔,用數(shù)控機(jī)床預(yù)先在每個(gè)木板構(gòu)件上開若干定位孔,再用螺栓穿過這些定位孔與金屬臺(tái)面上特定的螺紋孔固定。

        4 新型裝配式木構(gòu)

        木構(gòu)建筑通常采用現(xiàn)場裝配的建造方式。中國傳統(tǒng)木構(gòu)建筑主要通過木材自身的構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)連接與固定,很少采用額外的連接件,可以方便地進(jìn)行拆解與重建;而現(xiàn)代木構(gòu)主要采用金屬連接件進(jìn)行連接與固定,力學(xué)模型清晰且性能可靠。現(xiàn)代木構(gòu)的木材性能與連接構(gòu)造都具有明確的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。建筑師面臨的一大挑戰(zhàn)就是研發(fā)新型的裝配式木構(gòu),特別是具有本國特色的木構(gòu)系統(tǒng)。在這一方面,國外建筑師目前走在了前列,如坂茂設(shè)計(jì)的蘇黎世Tamedia辦公大樓是瑞士最大的木材框架結(jié)構(gòu)建筑;隈研吾的高知縣云上圖書館采用了一種鋼木混合的新木構(gòu)系統(tǒng);JK-AR事務(wù)所的“三棵樹住宅”開發(fā)了一種與斗栱形狀類似的樹狀結(jié)構(gòu)。

        同時(shí),以數(shù)字建構(gòu)、材料性能啟動(dòng)的新型木構(gòu)取得了飛速發(fā)展[10,11],這類新型裝配式木構(gòu)的主要特點(diǎn)是:通過運(yùn)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、采用數(shù)控加工方式、開發(fā)全新的連接構(gòu)造、采用參數(shù)化的構(gòu)造。典型案例包括坂茂設(shè)計(jì)的蓬皮杜中心梅斯分館、ICD-ITKE設(shè)計(jì)的BUGA木質(zhì)展亭、瑞士DFAB-House中的機(jī)器人自動(dòng)組裝的木構(gòu)屋頂、袁烽教授團(tuán)隊(duì)在四川的“竹里”木構(gòu)等。而本文中的Neuron穹頂用25mm厚板材之間的榫卯插接實(shí)現(xiàn)了7m的跨度;Upsilon展廳能在6h內(nèi)完成現(xiàn)場組裝并在1.5h內(nèi)拆除。這類數(shù)字化木構(gòu)將繼續(xù)在裝配方式、連接構(gòu)造、材料性能等方面推動(dòng)裝配式木構(gòu)體系的發(fā)展。

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