大型增材制造海帕殼體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)和模塊化建造

來(lái)源：Architectural Intelligence

盡管增材制造技術(shù)近年來(lái)取得了很多進(jìn)步，但由于大型打印設(shè)備的高成本，建筑尺度的3D打印結(jié)構(gòu)仍然存在挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，模塊化結(jié)構(gòu)通過(guò)更小的預(yù)制組件和現(xiàn)場(chǎng)安裝顯示了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文介紹了華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院蘇朝浩老師團(tuán)隊(duì)采用模塊化3D打印技術(shù)所設(shè)計(jì)的海帕殼體結(jié)構(gòu)藝術(shù)裝置。在參數(shù)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析的指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)對(duì)海帕殼體進(jìn)行了優(yōu)化，形成了一個(gè)具有鏤空蝶形圖案的形式。為縮短成品完成時(shí)間，使用了數(shù)臺(tái)商用3D打印機(jī)完成模塊化單元的預(yù)制。在廣州國(guó)際燈光節(jié)我們現(xiàn)場(chǎng)組裝了這個(gè)3D打印的海帕殼體，它夾層構(gòu)造的燈光設(shè)計(jì)為夜間效果的展示提供了可能。同時(shí)這件作品也在英國(guó)經(jīng)歷了拆卸和重建，展示了模塊化設(shè)計(jì)的適應(yīng)性和靈活性。由此，3D打印結(jié)構(gòu)藝術(shù)不僅為建成環(huán)境提供了獨(dú)特美學(xué)價(jià)值，還通過(guò)簡(jiǎn)化施工流程展示了以低預(yù)算建造大型薄殼結(jié)構(gòu)的可能性。

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創(chuàng)新點(diǎn)

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工由于對(duì)建筑環(huán)境的危害和資源消耗高，在實(shí)踐中已成為一種不利的做法。為了實(shí)現(xiàn)更高的建筑效率和更低的碳排放，對(duì)使用模塊化和預(yù)制的新型施工方法的需求一直很高。增材制造（即3D打印）的引入，為制造非標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)件提供了一條少人工、省材料的新途徑。

盡管增材制造技術(shù)近年來(lái)取得了許多進(jìn)步，但由于大型打印設(shè)備的高成本，建筑尺度的3D打印結(jié)構(gòu)仍然存在挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，模塊化結(jié)構(gòu)通過(guò)更小的預(yù)制組件和現(xiàn)場(chǎng)安裝顯示了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文介紹了采用模塊化3D打印的海帕殼體結(jié)構(gòu)藝術(shù)研究。在參數(shù)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的指導(dǎo)下，我們對(duì)海帕殼體進(jìn)行了優(yōu)化，形成了一個(gè)具有鏤空蝶形圖案的形式。為縮短成品完成時(shí)間，使用了數(shù)臺(tái)商用3D打印機(jī)完成模塊化單元的預(yù)制。在廣州國(guó)際燈光節(jié)我們現(xiàn)場(chǎng)組裝了這個(gè)3D打印的海帕殼體，它夾層構(gòu)造的燈光設(shè)計(jì)為夜間效果的展示提供了可能。同時(shí)這件作品也在英國(guó)經(jīng)歷了拆卸和重建，展示了模塊化設(shè)計(jì)的適應(yīng)性和靈活性。由此，3D打印結(jié)構(gòu)藝術(shù)不僅為建成環(huán)境提供了獨(dú)特美學(xué)價(jià)值，還通過(guò)簡(jiǎn)化施工流程展示了以低預(yù)算建造大型薄殼結(jié)構(gòu)的可能性。

參數(shù)化設(shè)計(jì)和增材制造等新興技術(shù)加速了建筑行業(yè)內(nèi)正在進(jìn)行的數(shù)字化范式轉(zhuǎn)變。與桌面級(jí)3D打印方法相比，大尺度增材制造帶來(lái)了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，如更重的重量、復(fù)雜的邊界條件和構(gòu)件連接方式。構(gòu)建大型增材制造作品需要機(jī)械臂的打印工具包或較小打印尺寸的模塊化組件。在這項(xiàng)研究中，我們采用后一種方法來(lái)設(shè)計(jì)和制造一個(gè)總跨度為6.6 m，總高度為4.8 m的大型Hypar殼結(jié)構(gòu)。在結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)和力學(xué)結(jié)構(gòu)分析的交互過(guò)程的指導(dǎo)下，我們能夠在 hypar 殼體表面找到最佳開(kāi)洞位置分布�？紤]到打印機(jī)制造能力的限制，我們將整個(gè)結(jié)構(gòu)分解成許多不同形狀的小模塊，并將制造任務(wù)發(fā)送到多個(gè)預(yù)制工廠。通過(guò)在兩個(gè)工廠進(jìn)行這種平行預(yù)制，我們能夠在 4 到 5 天內(nèi)完成模塊化單元，然后進(jìn)行安裝過(guò)程的預(yù)演。此外，我們還將數(shù)字照明設(shè)計(jì)納入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，為燈具和電線預(yù)留空間。值得注意的是，外殼結(jié)構(gòu)可以拆卸和重新組裝以供多次使用。我們?cè)谟��?guó)蘭開(kāi)斯特和謝菲爾德證明了它們的建筑效率，后來(lái)又在香港知專設(shè)計(jì)學(xué)院展出。從環(huán)境的角度來(lái)看，我們認(rèn)為進(jìn)一步的材料回收策略包括將打印模塊變成更小的碎片，并將它們轉(zhuǎn)換回3D打印細(xì)絲或顆粒，正如“蝶變”殼體完成了完整的蛻變。

3D打印設(shè)備和機(jī)器人輔助技術(shù)的最新發(fā)展使我們能夠構(gòu)建更大的組件，這將使增材制造技術(shù)更適合建筑行業(yè)。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)方法現(xiàn)今仍適用于3D打印部件的標(biāo)準(zhǔn)化，即通過(guò)設(shè)計(jì)更好的連接件進(jìn)行構(gòu)件的重復(fù)使用和再組裝。我們希望這個(gè)案例研究可以提供指導(dǎo)，并激發(fā)對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)和制造的進(jìn)一步研究。潛在的研究方向包括模塊單元和空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，高速大尺度打印設(shè)備的開(kāi)發(fā)，功能或能源與3D打印預(yù)制構(gòu)件的統(tǒng)一成型，材料回收策略等。我們?cè)O(shè)想，大尺度增材制造將補(bǔ)充傳統(tǒng)的建筑技術(shù)，為設(shè)計(jì)師在智能建造時(shí)代設(shè)計(jì)輕量化和定制結(jié)構(gòu)提供更多的自由。

海帕外殼的生物啟發(fā)設(shè)計(jì)。(a) 受力機(jī)制。(b) 在按比例縮小的 3D 打印外殼上進(jìn)行試驗(yàn)。外殼的試驗(yàn)。(c) 典型的翼型及其變化[44]。(d) 具有生物啟發(fā)鏤空?qǐng)D案的外殼。

受蝴蝶翅膀啟發(fā)而設(shè)計(jì)的海帕 外殼的總體設(shè)計(jì)流程圖。

基線海帕外殼 (a) 幾何參數(shù)；(b) 不同升跨比海帕外殼的應(yīng)力分布；(c) Voronoi 多邊形的應(yīng)用；(d) 鏤空?qǐng)D案的生成。

帶有鏤空?qǐng)D案的海帕外殼的形狀優(yōu)化過(guò)程

海帕外殼的數(shù)值分析。(a) 靜載荷下的應(yīng)力分布。(b)風(fēng)荷載下的應(yīng)力分布。(c) 屈曲分析得出的特征值形狀。

模塊單元的組裝。a 兩種連接器；b 帶有 12 個(gè)較大組件的海帕外殼。c 3D 打印面板內(nèi)的照明光源。

照明設(shè)計(jì)和測(cè)試。a 照明安裝孔和凹槽的參數(shù)化設(shè)計(jì) b 照明效果測(cè)試 c 夜景實(shí)際照明演示

作者和機(jī)構(gòu)
School of Architecture, South China University of Technology, Guangzhou, 510641, China
Chaohao Su

Architectural Design & Research Institute of SCUT Co., Ltd, , Guangzhou, 510641, China
Chaohao Su, Meiqin Yuan & Yi Fan

School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou, 510641, China
Lu Zhu & Nan Hu