建筑能打印吗？清华博士的前沿探索
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他毕业自哈佛大学设计学院，
在海归大潮伊始之时，
回国成立个人工作室，
并同时攻读清华大学建筑学博士，
成为数字建筑设计领域里一位开拓者。
他研发三维打印机，
利用工业机器臂创作大型三维打印艺术装置，
致力于将建筑思维、方法和逻辑跨界应用，
以创新的整合方式提供数字设计及工业解决方案。
他的作品Vulcan Pavilion，
获得吉尼斯世界纪录
“世界最大三维打印建筑”称号。
他就是——
于雷
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于雷工作照
于雷的工作室ASW（Archi-SolutionWorkshop）“建解建筑”数字建筑设计工作车间位于北京朝阳区的郎园Vintage，是地处CBD心区的文化创意产业园。由于地理位置的优越、合理的空间规划和一些优惠条件，不少具有相当影响力的文化创意企业集聚于此。于雷所做的事情代表着艺术与科技，正符合园区的主题，他在得到邀请后欣然将工作室安置在这里。在园区，他有一片很大的地下空间作为研发基地，进行三维打印以及机器臂建构的试验与生产，另有一处小的地上空间作为展厅，最大的一台机械臂就放置在展厅中。
三维打印机开发
在本科学习建筑设计期间，于雷就喜欢动手操作。自己开工做模型在二十几年前的建筑学生当中，可不是一个普遍的做法。当他出国深造时，发现国外的培养方式更看重动手能力，感到很契合，自身兴趣和能力都得到了长足的提高。他一直认为，无论是工程师还是设计师，亲自参与作品制作才能称作创造的过程，仅绘制图纸或者制作出符合工业标准化生产的样品并不可取。这种想法成为他不断探索的内在动力。
2009年底，三维打印技术的专利保护到期，引起了全世界创客、极客和工程师的关注，热熔堆积技术得到了全面的开发。于雷对此也十分感兴趣，在没有找到三维打印机卖家的情况下，怀着对动手操作的热情，将其当作一种爱好开始了钻研。早期工作室从事建筑项目的收入，几乎全部被投入三维打印的技术开发和设备试验之中。前后花了两年有余的时间，在2012年做出了第一台样机。
从宏观的角度上看，彼时的建筑行业特别是国际建筑界，数字设计早已兴起。以数学为核心，引入工程学、物理学等领域的技术知识，许多建筑师、设计师用这种方法解决长期找不到妥善方案的问题。例如建造异形空间、应用特殊材料、更新建造方法，等等。三维打印手段的兴起使数字建筑设计的理念有了实现的可能性。
2013年，美国制造业转型，总统奥巴马在公开演讲中称“三维打印拯救未来”，引起了全世界对三维打印技术的关注。这时于雷的研发成果已经比较成熟，开发出的一系列样机中，大型的三维打印机能够生产直径半米左右的对象。由于研究起因于个人爱好，于雷最初并没有转去专门销售自己研发的三维打印机，而仅将其应用在实现自己的设计理念和一些建筑装饰的制造上。从2013年开始，于雷将自己的研发成果申请专利，目前已拥有专利十几项。2017年9月，于雷的工作室被核定为国家高新技术企业。作为由建筑师主导的设计工作室，获得这一定位的可谓凤毛麟角。随着三维打印技术观念的普及，越来越多的人开始寻找购买三维打印机的途径，于雷也乐于将自己的成果进行分享。
于雷工作室产品：大型三维打印机GRANDY，成型尺寸：1100 毫米×1100 毫米×1100 毫米（ 长× 宽× 高）， 设备尺寸：1550 毫米×1550 毫米×1600 毫米（长× 宽×高），打印精度：0.1 毫米~1.5 毫米，净重：280 公斤，毛重：380 公斤
据介绍，工作室目前提供大、中、小三种型号的三维打印机可以购买，近年来购买量逐步上升。大多数客户是设计工作室，用来制作模型，或者是高校，用于实验室配置，提供给学生使用，个人爱好者也是其中一部分。对于普通的买家来说，大多是将其作为一个工具，利用机器的使用方式，作为设计过程中的工具，使原来需要寻求外部帮助制作的模型能够自己完成。国外一直有公司出售三维打印机，除了距离和成本上的优势，于雷能够提供的技术指导和售后服务也是国外卖家不能提供的，因此在市场上有很强的竞争力。全自主开发所得的三维打印机所拥有的核心技术是其中真正具有价值的部分。另外，工作室利用三维打印技术做出的艺术装置，成果有目共睹，许多客户也是因此慕名而来。正如ASW的理念所说：“从建筑方案、空间设计、艺术装置到专业教学，我们坚持‘车间’的操作模式，坚持将绘图工具和加工工具作为同一种设计的手段。”可以看出，工作室更注重的是将技术应用到具体的实践中去。
世界最大三维打印建筑的诞生
三维打印技术有很多优势，同时也受到很多限制。首先就是材料上的，虽然有很多材料都可以进行打印，但最常用、成本最低的塑料耗材抗弯性能很差，受到不同方向上的力容易折断，但是抗压性能优秀。在材料特性的基础上，于雷将三维打印编程结合参数化设计，结合拱形结构算法，设计出纯受压结构体系，称为“蚕丝混凝土”结构。三维打印的蚕丝结构形成复合材料，依据合理的受力原则，将大型连续曲面拆分成一系列多边形平板结构，在没有框架的前提下，通过榫卯构建起大型的结构。首个试验在2015年5月完成，形成一个约5米×6 米×3米的拱形结构，所积累的专业技术及经验成为之后获得吉尼斯世界纪录“世界最大三维打印建筑”称号的Vulcan Pavilion的基础。
蚕丝混凝土-Silky Concrete Pavilion
Vulcan一词源于拉丁语，有“司火之神”之意，英语单词的意思为“火山”——象征着大自然变化莫测的力量，以及人类文明的脆弱。VulcanPavilion于北京国际设计周期间在北京侨福芳草地展出，是三维打印建造应用到人体尺度的一次成功尝试。最终结果是一个形如火山喷发蘑菇云状的拱形结构，边长8.08米,高2.88米。如此大体量的作品，由于应用了数字设计和三维打印技术，在造型上达到极大的突破，可控性很强。建造对象的体量扩大意味着对力学设计有很高的要求，制造工艺决定了零件的数量十分庞大。可以说，只有通过数字设计进行的零件设计生产，才能够保证建造过程的合理性，最终获得成功。装置整体由三个同样的模块组合而成，在一个等边三角形的范围内呈120度中心对称，包含1086个三维打印的独立部件。这么大量级零件的制造装配时间却很短，20部大型三维打印机用30天制作出所有构件，随后在现场，15个人用了12天时间将所有构件装配成一个整体。最终的成品高4.5米，最薄的位置厚度仅2厘米，误差小于5毫米。与传统制作模式相比，如此小的装配误差是不可想象的，体现出三维打印技术巨大的优势。
Vulcan Pavilion–2015 北京设计周三维打印空间构筑物，获得吉尼斯世界纪录“世界最大三维打印建筑”称号
这一项目的成功也充分体现了于雷的建筑师素养。建筑与其他设计领域不同，更为注重空间的结构性。相较于室内设计围绕现有的空间进行艺术性创作，建筑设计更多的是思考结构与空间的关系，以及构建具有特定属性的空间。这种专业背景，使得于雷和其他三维打印爱好者在思维模式上从一开始就有所不同。虽然最终呈现的是一件艺术性很强的作品，但在创作过程中，于雷考虑更多的是工程学上的因素。另外，得益于数字建筑设计的发展，利用计算机模拟技术能够在短时间内获得合理的结果，减少了试错所带来的成本消耗。于雷对三维打印技术的掌握解决了加工工艺上的难点，结构力学知识使整体结构设计能够满足三维打印材料的特性，加上建筑师所具有的空间构造和处理能力，以及人与空间关系处理的设计，共同促成了这一令人惊叹的艺术装置作品。
在普通人看来，这只是一个三维打印出来的、零件更多、体量更大、看起来更复杂的装置，充满新鲜感。然而在对三维打印技术有所了解的人眼中，Vulcan Pavilion的成就是多方面的。
第一，也是基础，是将三维打印技术应用于空间的营造，最终作品尺度扩大到可以容纳人的日常行为。
第二是使用最常见的打印材料进行制作。而众所周知，这种材料的韧性是其短板，结构设计稍有差错，某一块零件受到弯折的力，马上便会断裂。
第三是加工工艺，三维打印机的生产方式决定了所生产的单个零件的大小受限于打印机体积的大小。这就意味着要塑造大体量的结构，需要庞大数量的单体才能够完成。
第四是编程技术的支持，通过精密编程，能够实现每个零件在形式上的独特性。
第五是建造结构设计的合理性，在符合力学结构的前提下，将大量零件拼合起来形成建筑结构。于雷使用了拱券的原理，正如传统建造经典赵州桥一样，每一块零件的受力都是上下的压合力。第六是装配过程中的合理性。统计、运输、现场装配，要在过程中减少损耗、误差并提高效率，最大限度地节省时间。
Vulcan Pavilion项目成功之后，于雷获得了广泛的社会关注以及一些三维打印装置的订单。与Vulcan Pavilion的实验性不同，定制项目需要根据展示内容的需要，适应环境、塑造更为灵活的空间。在香港翰海的展示活动中，又一个以结构自支撑为建造原则的“三维打印之云”得以实施。模块共有近3000个，最大跨度达到了28米，最大高度达到4.5米，覆盖面积近300平方米，15个人耗时10小时拼装，使用耗材近3吨。各项指标都在实验项目的基础上有所提升。在活动结束后，三维打印构件拆分后运至北京，重新组装，用于北京翰海的展示活动。这也体现出这一技术手段所制作品拆装简易、运输方便、可重复使用等特点。
三维打印之云– 香港瀚海秋拍展场设计
在进行这项实验时，设计者考虑更多的只是如何将其实施，如何成功突破一个个技术难点。然而当成品在公共空间向所有人开放时，每个参观者的反馈都是不可预料的。据于雷介绍，令人印象最为深刻的是儿童与装置之间的关系。孩子一跑进作品包裹的空间之内，就像换了个人一样，行为方式和心理状态都发生了变化。他们蹦蹦跳跳，喜笑颜开，互相追逐，与在外面牵着父母的手安静地参观完全不同。这也不由得让人思考这样的空间会给人的心理产生什么样的实际影响。这也是于雷所认为的，真正能够体现作为一名建筑师进行艺术创作的优势，即创造人类行为尺度的空间，邀请参观者进入作品内部进行感受。在这种情况下，受众的反馈也许会超过创作者的预期。诚然，在空间的处理背后，有着许多理论，知觉现象学、建筑心理学、场所、空间、精神、行为之间错综复杂的关系支撑着建筑的实践活动。这种类型和模式的空间，既然是全新的创造，那么人们身处其中的感受也是之前并没有出现过的，值得从理论上去进一步思考。
Arachne– 三维打印建筑外墙装置
除了大体量跨越式的结构，已经利用三维打印技术完成的项目还有位于广东佛山的Arachne数字化外墙装置。采用干挂幕墙体系，近2000块各不相同的三维打印构件用螺栓固定于龙骨之上，形态复杂、严谨。再如大型雕塑作品Cabala，具有流畅的线条，包裹着建筑的一角，共300余个单元，通过榫卯结构拼接而成，内部采用蜂窝填充结构，在不牺牲强度的情况下，大幅度降低了整体重量。室外工程与室内项目相比，最大的挑战在于材料的处理。三维打印的塑料耗材并不能承受户外环境的日晒雨淋。在进行室外工程时，除了造型、材料、空间处理方式、编程等工作，还要着力去研究如何使材料的耐久性提高。于雷最终采用的是涂层的方式，溶液自身的耐久度要好，和塑料材质的亲和性也更优秀。
Cabala– 三维打印雕塑装置
单就技术研究方向而言，下一步还有更多应用的可能。例如在新媒体互动艺术设计领域，之前多媒体作品常见的做法是在建筑楼体上进行三维效果的投射。若能与空间深度结合，如在Vulcan这种人体尺度的建筑空间中纳入一些声光电的设备，与建筑空间的体积和形态契合并产生互动，全面营造的氛围突破了在空间表面上简单地做投射，给人所带来的沉浸式感受和情感冲击将是惊人的。能够深刻理解并掌握这一技术的艺术家，也许会创作出非同凡响的作品。
机器臂建造技术
如上文所述，三维打印技术有自身的发展瓶颈，例如材料、成本、单体的尺寸等。在掌握了三维打印技术之后，于雷又对工业机器臂建造技术产生了兴趣。实际上，他的Kuka机器臂编程首次与世人见面，是在郎园举办的“爱在阳光下”新媒体艺术展上，这是一次关爱艾滋病儿童的公益活动。其中一台机器臂上安装了毛笔，通过编程写出了“爱的阳光下”的字样；另外一台安装了一把扇子，同样是以编程的方式实现与人合作，人机共舞呈现一场扇子舞蹈。可以说是机器臂应用于科学与艺术的首次碰撞。后来，在清华大学和同济大学的工作营中，于雷在参数化建造的课程上引入了机器臂制造，开始将其作为一种设计工具的专业探索。
工业机器臂最早源于多轴自动化编程机械，用于货物搬运，如今在汽车生产行业中有着成熟的应用，在其他产业中则很少见。通过编程，机器人可以完成一系列精密复杂的相似动作，实现参数化设计与数字加工手段之间的衔接。在2015年清华大学暑期工作营中，于雷带领团队完成了“机器人木构V1.0”（Robotic Bird Nest）。鸟巢装置采用圆木棒作为建造材料，通过编程操纵机器臂，完成拾取、切割、开榫、摆放等一系列动作。每一根圆木棒的位置和长度都经过计算和优化，这样“鸟巢”的形态便能够得以严格控制。最终完成的“井干式”水平叠加结构，每个榫口的角度不同，榫口之间上下对应，体现出机器臂加工和搬运的精度。2016 年7月，在前一年工作营成功的基础之上，第二次工作营的参与人数爆发式增长。此次工作营延续了木结构的主题，引入“互助自锁结构”（Reciprocal）原型，在9天时间里挑战杆件的空间搭接构造形式。杆件的空间构成通过榫卯方式达成静力学位置，这样编程机器臂的智能优势得到最大程度的发挥，每个榫扣都是独一无二的。工作营的流程为概念研究、手模原型测试、机器臂工具头测试、机器臂加工和装配，多台机器臂协同工作的模式也得到了验证。
Robotic Bird Nest– 机器人木构V1.0
Robotic Bird Nest– 机器人木构V2.0
三维打印是增材制造模式，而机器臂建造可以说是减材制造模式，同样是利用数字技术进行生产制造，生产模式却有很大的不同。三维打印通过堆积材料成型，而机器臂则是在已有的模块上去掉多余的材料，留下想要的部分，简单来说，就是塑与刻的区别。二者相较，机器臂建造最大的优势是建造的对象不受机器臂本身大小的限制。将机器臂作为一个工具使用，可以在无限大的对象上进行雕琢。另外，机器臂建造较少受到材料的限制，许多传统材料得以利用，如木材、混凝土、玻璃，等等，极大降低了制造成本，扩大了创作空间。2017年秋冬交替之际，郎园委托于雷完成了北门长廊艺术廊柱的设计与制作。每根廊柱由水泥浇筑，在展厅中使用机器臂进行雕琢后，移至北门落位，形成园区独特的景观。
用机器的触角来代替人的手作，听起来充满了科幻色彩和伦理争辩。特别是在阿尔法狗（AlphaGo）赢得了人机围棋比赛，人工智能不断在社会舆论中制造热点的当下，人们总会对不了解的事物心存怀疑。然而，回想一下机械化的普及给人类带来了多大程度上体力的解放，也许忐忑的心态会有所缓解。机器化生产可以在编好的程序下全天24小时地完成工作，生产过程可以无限地复制，形成规模化，每次产出都能够保证是完全相同的标准化。如今，除了这些以外，通过编程实现的数字化生产更进一步，在精度上远远高于人工所能达到的程度，在进行复杂曲面的切割时，误差更低、效率更高。
结语
在真正的艺术创作时，机器无法代替艺术家的思考与表达，这是毋庸置疑的。然而，在实际情况当中，艺术品从理念到完成的过程确实有很多步骤可以利用工具完美地解决。例如，位于西班牙巴塞罗那的圣家族大教堂，1882年始建，在高迪设计建造的时代，建筑全曲面的不规则效果全靠工人一块块切割石材实现。直至1926年73岁的高迪因电车事故去世，教堂仅完工了不到四分之一。如今，在采用机械臂洗削石材技术的条件下，工程取得了飞速的进展。自由的形态通过数字模型完成计算，机器臂加工将误差最大程度地降低，速度更快、完成度更好。加上利用三维打印技术制造雕塑石膏模型，近些年圣家族大教堂的建造效率极大提高。
如今，无论是称作工业4.0也好，信息时代也好，无论是三维打印也好，机器臂建构也好，虽然融入了大量的算法和编程在背后操纵机器的行为，但这一现象的意义依然存在，即解放人类的双手，进行更好的创造。如今，包含设计、制造、材料、加工、仓储、运输、经销等环节的传统产业链条正日渐衰落。在未来新型工业化、全面定制化制造的趋势中，设计转化为产品并被使用者占有的过程被大大缩短。在这样的新型产业链条中，设计师的主导地位会越来越突出。设计与创造日益成为一个集成的过程，以设计思维为根本，数字编程为手段，整合数学、物理学、工程学、材料学、心理学，最后的物质层面塑形工作则由机器来完成。处理过程中复杂的交织关系，重新建立有机的、具有审美属性的结构，是新时代设计师最重要的能力所在。为了能够担此重任，不断打破思想壁垒，利用科技发展成果进行设计工具的迭代，也许是设计师未来最好的选择。
来源 | 《装饰》杂志2017第12期，原标题：《数字技术创新与设计工具迭代》，作者：张明。文字经删减、编辑。
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