瑞雪消融——天府农业博览园“瑞雪”多功能展示馆人机协作数字建构实践.pdf
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1、56壳体结构数字化建造技术一体化设计后人文建构木构智造shell structuredigital construction technologyintegrated designpost-humanistic constructionwood structure intelligent manufacture关键词:Keywords:匍匐于田间的建筑 王可AT 作品AT work57摘要:天府农业博览园“瑞雪”多功能展示馆是一个对后人文建构思想的实际应用。采用性能化建构的转型视角,注重设计过程控制,在生形、模拟优化、建造等方面进行探索。强调数字建造的一体化方法,实现精确快速的建造过程,并优化
2、项目的可持续性。此外,还引入了机器人智能建造和 3D 打印工艺,提高建造的效率和质量,将设计方案精准地落地。Abstract:Ruixue Multi-hall in Tianfu Agricultural Expo Park is a practice of post-humanistic construction ideas.The project adopts a perspective of per-formance-based construction,which emphasizes design process control and explores generation,si
3、mulation optimi-zation,and construction.It applies the integrated method of digital construc-tion to achieve accurate and efficient construction process and optimize the sustainability of the project.In addition,it also introduces robot intelligent manu-facturing and 3D printing technology to improv
4、e the construction efficiency and quality,and accurately implement the design.瑞雪消融天府农业博览园“瑞雪”多功能展示馆人机协作数字建构实践Digital construction of Ruixue Multi-hall in Tianfu Agricultural Expo Park 中图分类号:TU17;TU366 文献标识码:A同云遥映岭,瑞雪近浮空。拂鹤伊川上,飘花桂苑中。玄圃观春雪 南北朝 张正见天府农业博览园“瑞雪”多功能展示馆(以下简称“瑞雪项目”)位于四川省成都市新津区西北部的天府农业博览园内。项目
5、采用先进的木构机器人、3D打印和建造一体化技术,对建筑技术进行前瞻性探索,从而满足各种活动和展示需求。长期以来,川渝地区的生活方式和建筑形式逐渐演化成一种独特的文化符号,深深印刻在西部民俗中。成都平原不仅是四川农耕文化的重要承载者,更是传统农耕时代文明的结晶,扮演着维护平原生态环境的重要角色。1 土地利用与空间规划 农业博览园的另一种可能天府农业博览园是一个集数字化农博与乡村振兴于一体的综合性园区,核心区域被冠以“天府农博岛”之名,占地面积达2.7km2,涵盖了12个重要功能项目,包括主展馆、农博融媒体中心等,致力于打造乡村振兴的建设典范。瑞雪项目作为其中之一,以数字设计助力乡村振兴发展,旨在
6、通过现代化科技手段,为传统农业注入新的动力与活力。鉴于土地规划红线尺度较小且形状不规则,必须选择合适的方式来定义和适应自由边界。因此,我们采用圆弧线作为主要的边界拟合工具,确保整个项目的视觉连贯性和空间连通性。在经过多次试验和分析后,最终使用24条圆弧线和1条直线线段,以适应半径250m之间所有可能出现的空间尺度范围。这种方法不仅最大化利用了展厅空间,而且在各空间之间提供了平滑流畅的过渡区域,创造更加和谐宜人的空间氛围。设计还特别预留了北侧场地主入口,以进一步增强项目的可访问性和可用性。这一经过精心设计的有理化轮廓,为项目的成功落地和可持续发展奠定了重要基础。2 传承和重塑瑞雪祝愿瑞雪项目的设
7、计概念来源于“瑞雪兆丰年”的美好祝愿。通过对特殊的场地边界条件进行线性转化,将原本苛刻的用地限制变为自由连续的线性流动空间,在形态上展现出起伏错落的地形,宛如冬日铺满白雪的大地,或是正在消融的积雪,在视觉效果上极具生命力。项目不仅呈现出雪落大地的美妙意境,同时与周遭自然景观及人文精神相融合,展现出建筑与环境间的无声交融和互为映衬之美。自由、连续的一体化空间为室内布局提供了灵活的调整空间,不仅带来了超越线性的感受和视觉体验,更在特定的空间节点引入天光,让人感受树木、花草悄然生长的过程,消弭了室内外边界,实现人工与自然的融合。建筑与周边环境内在的和谐统一,让人们在这种复杂而又统一的空间中拥有深远曲
8、折的体验。3 瑞雪蜿蜒建筑性能化建构随着性能化建筑的发展与成熟,它有望超越人们对于以形式与几何为出发点的新兴数字技术的关注程度。正是在这种全新的实用主义背景下,性能化的设计与建造才为建筑学提供了如此巨大的希望与前景1。瑞雪项目是一座基于结构性能化壳体找形方法生成的建筑,其设计经历了多个阶段。首先,在确定场地保留树木的位置后,设计团队尝试绕过这些障碍物,形成了较为复杂的边界形态,通过若干半径不同的圆弧对边界进行相切拟合,得到边界最优解。其次,进入找形阶段,将与建造相关的前置条件(重力、材料强度、结构参数、壳体曲率等)作为参数和限制条件进行综合考虑,构建出基于力学性能的纯受压壳体模拟系统,并基于该
9、系统进行多次迭代和筛选,获得形态顺滑、受力合理的壳体几何。在设计过程中,瑞雪项目的整体形态与自然融为一体,展现出了与众不同的美感。同时,对壳体结构设计的深入探索,以及对力学性能的优化,使得建筑能够在不同的自然条件下保持稳定,具有出色的可持续性。为追求形式美观,建筑屋面采用曲率变化复杂的双曲几何形态,这对结构的效率和材料的使用也提出了更高的要求。在对复杂壳体结构进行进一步研究和探索后,最终采用了木结构互承体系这种高度优化的结构落位方式,既能兼顾结构强度和稳定性,又能更好地利用材料性能。运算化设计与数控建造技术从本质上改变了建筑的物质构成与设计理念2,实现设计与结构间的最佳统筹,提升结构效率,降低
10、木材用量。而计算机算法作为模拟、迭代、优化以及建造的核心技术,正在极大地介入并改变着建筑设计、研究与实践的全过程3。4 数字结构融入传统形与力的结合利用圆弧拟合自由曲线边界的技术进行网格划分,在粒子-弹簧算法中设置壳体锚点、荷载和弹力,生成初步的自由曲面壳体。为了实现顶部采光,在壳体顶部开设5个洞口,并定义了室内和半室外的空间边界。然后提取边界曲线来控制边界高度,并根据洞口的功能性定义来调整曲线高度和尺度。最终保留了主入口、观景高窗和室外剧场的大尺度洞口,而收缩其余连通性洞口的开口尺度,在建筑性能和形态美观之间达到最佳平衡。为了优化建筑结构,我们需要考虑曲面壳体的几何形态、边界曲线的控制、洞口
11、的功能性定义和尺度调整等多方面因素。通过微调曲面整体荷载、长度变形系数、曲面找形弹力和曲面平滑度,确定了最佳的参数组合,使壳体的整体形态达到最优稳定状态,并在空间尺度上表现出较高的精度和准确性。通过对壳体内7个拱形空间进行尺度比较,评估不同微调参数的效果,从而确定了最佳的微调参数组合。瑞雪项目使用木结构互承体系,通过构件单袁烽 王月阳 Yuan Feng Wang Yueyang袁烽同济大学建筑与城市规划学院副院长、教授、博士生导师。王月阳上海数字建造工程技术研究中心建筑师。DOI:10.19953/j.at.2023.04.00558元相互搭接形成网格状结构,不受壳体曲面自由性和内部空间连通
12、性的限制。与大多数采用杆系结构体系的木结构建筑不同,我们把每个木杆件看作一根线段,把杆件连接部位看作一个点4。通过研究互承几何,得到11种基础图形,形成镶嵌图形网格。在镶嵌图形中,每个结构单元的每条边都会顺时针旋转一定角度,并延长至与最近线段的相交点,形成互承几何。通过调整每个边的旋转角度,形成不同尺度的互承网格。这种几何形式可用于三维找形,丰富了几何学的研究领域,并被广泛应用于建筑、设计、艺术等领域。该方法适用于各种曲面形态的互承网格结构,为互承几何学研究提供了有力支持,也有助于实现壳体结构的最佳性能。5 人机协作的数字化建造瑞雪浮空由于瑞雪项目屋面高低落差超9m且形状为复杂双曲几何,因此需
13、要采用创新性的建造技术来实现屋面形态的拟合。经过深思熟虑,最终决定采用大规模改性塑料3D打印技术。该技术能够根据具体的设计图纸,通过计算机控制和材料喷射精确控制屋面形态5。在智能建造过程中,采用模块化分板和样板段预制生产的建造方式,将工序流程简化为深化设计、设备打印、后处理加工以及现场安装,有效提高建造过程的效率和精度,减少人为操作的错误率和损失。同时,借助模型数据的指导,在工厂中预制了非标准的3D构件和木构件,以控制成本,并确保构件的质量和精度。此外,通过对不同材料进行比对和选择,提高建筑的质量和可持续性。总的来说,这一综合方案不但显著提升了瑞雪项目的建造效率,还提供了全流程解决方案,实现了
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