超越几何:全球最大改性塑料3D打印建造体欣赏

全球最大的改性塑料3D打印建造体——南京欢乐谷主题乐园东大门,在20201111日随着园区的正式开放,近期经过近半年验收、运营和使用观察,如今非常完美呈现我们在建筑机器人打印建造技术领域的研发能力与实践水平。

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2020年是不寻常的一年,4月下旬开始,随着疫情的有效控制,该项目进入入口广场与主大门的实施收官阶段。设计团队与建筑机器人协作,全面颠覆了传统意义上的设计到建造的流程,高效、精准地完成了超尺度、高维几何建造体的改性塑料3D打印实施工作。独特的定制化建造体不仅在形象上成为了南京欢乐谷的代表性标志,也完美组织整合了从前广场到主题乐园的空间过渡。

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在疫情后的特殊时刻,没有什么比创造一个愉悦的空间更加重要。激发无比欢快的游乐场氛围,同时有效组织出入口检票以及纪念品店的动线功能,这些需求都需要用一个整体式设计给出解决答案。

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基于计算性几何的多维双曲面在多孔性穿透下得到无限扩展,三维空间的内外折叠增强了空间的连续性,曲面起止的绵延消弱了建筑的边界,入口空间呈现从各个方向接纳游客的欢迎姿态。大门整体采用整体钢结构骨架找形,除屋面不可见的较为平整部分采用部分GRP材料外,其他彩色外表皮采用3D改性塑料外表皮打印的建构体系。

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南京欢乐谷东侧大门长52m,宽26m,投影面积1352㎡,曲面展开面积1950㎡。多维双曲几何体实现的异形不规则悬挑跨度长达30米,挑战的不仅仅是设计难度,更是建造精度。占地18300 广场成为大门的铺垫与背景,超然愉悦的欢迎之门,为游客开启游园体验的新序章。

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设计范围不仅仅是东大门本身,还包含了整个园区的入口广场及广场地下室出入口的木构大门。方案设计初期,场地中需要统筹的要素颇多——从基地南侧道路到两大园区入口,从北侧复杂建筑界面到地下扶梯出入口,几者共同带来了场地中人群活动的随机性,产生了维度各异、强度不同的人流动线干扰。为解决该问题,需将人群视作场地中运动的粒子群,通过基于集群多代理系统的自组织粒子群算法对动线进行模拟,再将不同动线转化为矢量要素,使整个广场中的人群行为形成一个复杂的随机向量场。除人群活动外,场地的客观环境中还存在着矢量方向场、漩涡场、点场、排斥力场、向心力场等多个场。

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通过多代理系统,综合场地客观环境中场所形成的空间复合力场,可用来模拟复杂多变的实际环境。在模拟中,将场地的东、西入口以及广场入口视作粒子运动的起始点,将复合力场模型视作真实空间的力场环境,并通过计算分析,得到复合力场对粒子运动轨迹的影响以及对粒子群空间分布的改变。

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最终,在人群与场地关系的基础之上,基于集群智能的模拟结果进一步针对模拟结果使用像素化干扰的手段,将场与场之间的复杂关系转化为广场铺装的肌理层次,完成周边大尺度繁杂空间的初步整理与组织。除场地外,建筑形体也需综合多方因素进行统筹考虑。入口周边人流动线复杂、活动种类繁多,如何在融入场地的同时,完成动线梳理并给予形态以标志性,使其几何兼具功能与美学价值,是该项目的核心思想与最终目的。因入口底侧有大量人群穿行通过,两侧有建筑边界向内挤压,若以入口为正形空间,以底侧人流与两侧建筑为负形空间,该入口在图底关系中并不会是规则的多边形,而将成为漂浮在场地中的多维拓扑流形。

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设计生形的智能性体现于建筑师与计算机的协作之中,计算性几何拓扑原型发生自数学曲面:a1*sin(x)*sin(2*y)*sin(3*z)+a2*sin(2*x)*sin(y)*sin(3*z)+a3*sin(2*x)*sin(3*y)*sin(z)+a4*sin(3*x)*sin(y)*sin(2*z)+a5*sin(x)*sin(3*y)*sin(2*z)+a6*sin(3*x)*sin(2*y)*sin(z)=0

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通过对输入参数a1a2a3a4a5a6的动态调节与最终的形态结果比对,最终生成满足设计期待的拓扑几何原型,建筑师进而根据边界条件、视线框景与空间的通达性需求对几何原型进行衍化与操作迭代。

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基础网格的形成将为建造形态的生成打下基础。在得出大体形态后,随之而来的是从几何参数出发生成符合边界条件的网格划分,其生成需要经历几个步骤:给定边界(Boundary Input),面骨架化(Surface Skeletonization),骨架分解(Skeleton Subdivision)与网格细分(Mesh),最终得到实际建造可用的拓扑表面。

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基于重力场作用,初步形态还需进行结构性能的模拟,优化支撑点的位置,衡量视觉上的通达与力学上的稳定,形成最终的多点支撑体系。拓扑网格中的点特征与线特征往往与结构支承和受力情况相关,因此根据拓扑网格生成的几何网格划分,既符合建造形态,还可将结构体系一并纳入网格划分的参数系统中。

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形体掩映中,局部探出的阶梯引导游客拾阶而上,使游客能在不同的高度体验到拓扑几何演绎下的空间多样性,获得丰富的建筑体验。在某个特定的角度,视线可穿过形体中的环洞到达园区轴线尽端的摩天轮,得到打破常规的几何框景。在穿行中,来自各个方向的游客都能在人与拓扑形体的关系中,得到超越几何与空间的回应。

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走向建筑机器人建造的大规模定制道路并不平坦。团队对于改性塑料打印的研发始于2014年,从单一材料走向复合改性塑料,从单一构件计算走向全局有限元计算,从层级打印到空间打印,从实验室探索走向工示范,一共经历了6年时间。期间,2016年我们在悉尼大学RobArch会议上最早发表空间拓扑打印的技术方法;2018年,在威尼斯建筑双年展中国馆展示空间打印展亭;以及2020年完成南京欢乐谷的东大门。时间记录了不仅仅是技术的进步,也记录了从原型、艺术展品到大规模生产建造的全部历程,所以,本项目具有重要的历史价值与社会实践价值。在复杂几何与智能建造背后,研发设计建造一体化以及软硬件一体化技术平台也成为了我们逐步攀登的喜马拉雅。基于参数化设计的拓扑几何形体如何转译为可建造的模式语言?人机协作下的智能化建造如何在疫情的远程背景下,确保建造过程的高效率、高精度、高质量?复杂环境下生成的多维几何形体,亦对数字化语境下建造的技术性突破提出了要求。

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整体设计与建造的流程是当代建筑学与建造学的范式革新。团队自主研发的FURobot软件平台,是实现可建造模块语言的转译的坚石。其中不但蕴含着建造要求下的几何规划、板材划分,更重要的是将建筑几何瞬时转译成建筑机器人加工路径规划的能力。团队研发了复杂模型的局部几何模型自适应反变形算法,将展开面积高达1950㎡的连续曲面转译为可供工厂打印预制的4000余块曲面板材,并远程生成打印路径,最远的设计者疫情期间远在马来西亚,云端协力完成整个设计与机器人控制文件的生成。我们搭建的人机协作的桥梁,实现了设计师的创作情感与大规模定制化建造的有效融合。

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为契合欢乐谷游园氛围,6种深浅不一的红色通过彩色像素化拼贴算法被赋予给不同的样板段。明亮的色彩极具标识性,在隐喻着欢乐谷丰富多彩的活动的同时,也抽象出了游客在入口处的美好期待,以及其热情的面貌欢迎各方来客。经过严谨的材料试验,经过十年的抗老化材料性能试验,团队精准研发了户外抗紫外线彩色改性塑料材料,可以实现256种色彩的精准参数化调色打印技术。

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在几何形态、多重颜色双控下的复杂性,需要对打印成功率与精度具有高超的掌控力。在随几何与色彩差异性的单元建模后,再运用自主研发的FURobot软件对每块单体进行可供机器识别与反馈的3D打印算法编程。每个板块单体均由大尺度3D改性塑料机器人在工厂完成预制3D打印,经过在工厂进行系统编号再运至现场进行模块化复合安装。建造现场配合系统编号采用多象限、多目标的复合数控安装技术,通过数控激光定位与扫描系统为每个3D打印外挂板进行精准定位,同时实现上海设计办公室对于现场工程进度的远程实时监控。在疫情期间仍实现了高效率、高精度、高质量的项目建造水准。

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现场交叉施工作业的复杂环境导致的多维拓扑形体空间统筹具有极高的难度,搭建数字工地,全局形成智能感知与反馈系统,不但可以每天获取建设数据,更重要的是为短工期的动态预测安装精度与全局尺寸带来保证。数字工地的自主感知系统,确保了复杂多维拓扑形体的实现,数字化生形与建造相辅相成,入口大门和周边要素相贯相融,通过尺度的变化与新颖的材料,使得游客于空间的渐变中完成城市到主题乐园的心境转化,将传统的购票验票流程转变为开启一段奇妙旅程的序章,极大地提升体验者的参与感与喜悦感。

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欢乐谷大门项目作为全球规模和尺度最大的改性塑料3D打印建筑实践之一,其直面的是大尺度3D打印领域的一个根本问题:在尺度和精度上的双重要求几乎是超越了3D打印材料的物理性能极限的。该项目在全局优化和单元计算两个层面上对这一问题进行了回应。在全局层面,基于3D打印形变预测模型的曲面细分优化算法保证了整体板面划分的合理性和精度水平。

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针对改性塑料研发的精准的变形预测与反变形打印技术,实现了高效的材料性能的几何计算;在单元层面,材料有限元计算助力下的复杂几何和每块打印板完全不同的几何特征,只有通过建筑机器人研发的打印路径规划工具,才能实现每个打印单元达到精度最佳的打印效果和加工目标。最终在南京华侨城东大门示范项目,在长度达到52m整体建筑尺度下,全局表皮打印板实现了亚厘米级的完成精度。

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物性有形,建造无形。从某种意义上出发,超越几何不仅是对传统建造技术的超越,也是一次空间体验的全面超越。疫情后的时代我们应追求的不仅仅是呼吸的安全与健康的社交方式,更应反思技术文化该以何种方式书写。在全球后疫情的时代中,或许唯有技术创新与文化融入才是在后人文背景下再拾信心重新起航的必由之路。

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时间 - 2021年05月03日

作者 - 展厅设计

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