与机器人“工友”共建一座木塔!同济人让传统技艺在数字时代发光
走进建筑与城市规划学院中庭,一座金灿灿原木色的木塔傲然挺立:它周身由数百根木棱盘桓而上,像篝火升腾。走近看,这座木塔身高9米,底部直径5.4米,塔内空间宽裕,适合四五个人席地而坐。抬头仰望塔顶,光线透过木棱反射过来,人和塔一起沐浴在温暖的色调中。
这是第八届数字未来建造营第11组“机器人木匠”的参赛作品。今年夏天,第八届数字未来建造营开幕,主题为“人机共生”,探讨数字时代下人与机器的交互关系。
从书本到实践的一次飞跃
根据参赛要求,第11组“机器人木匠”要将中国传统木构工艺置于先进设计建造技术的背景之下,探索木构建筑设计与建造的新可能性。组员朱承哲、金青琳是我校建筑与城市规划学院大五学生,他们和其他队员们一起参加了搭建。反复考察搭建场地,队员们发现,C楼中庭场地不大但是空间通透:那就来点大胆的吧!
他们决定,用传统的榫卯结构连接来建造一个木塔。提议得到大家一致赞成。他们遍阅经典,在《〈营造法式〉注释》中,发现了梁思成研究宋代建筑屋面举折留下的宝贵数据:屋面曲线、斗拱曲线的加工存在一种几何逻辑,通过曲线的连续变换拟合出需要的曲线形式,他们将这种连续微差的逻辑通过数学建模重新抽象演绎,并尝试用grasshopper编程对榫卯节点进行参数化处理,这些研究为后面建造打下很好的基础。
什么样的塔型最合适?种种比较之后,队员们参考了传统木构建面的举折逻辑,塔身细分为168个结构单元,840根构件尺寸自下而上逐渐收缩,截面从12×12厘米减少到塔顶的3×3厘米,2592个构件节点、位置、角度、深度都存在细微差别。这种差别传统手工建造很难做到精确,而机器人建造会很好地处理这个难题。
一根原木料4米长,每根接近60斤,两个人抬到加工台上,机器人铣削程序被制作成grasshopper工具包自动加工。可要在两周内完成840根木料的加工,平均每天要加工50根以上,这对刚开始进行人机对话的队员们来说有点头大:最初的3天里,他们只打磨出1根。“机器人运转速度太慢了,大家闻到了刺鼻烧焦的味道”,“切地太快,木料有些劈裂。”突发状况频出,同学们内心越来越焦虑,照这个进度是无法完成任务的。“建造过程中,我们发现自己的计算机、编程、自动化知识储备远远不够。”队友们拼命恶补,边学边做,此时全程手把手带大家的柴华老师出手了!他指导学员们调整机器人工差、算法,终于打磨出符合要求的木料。他们不知道的是,外表冷静的柴老师面对840根木料的加工量内心也是黑洞——没底。
队员们终于见识到“机器人队友”强悍的加工能力,实验室的木屑很快堆成了小山,多得让人无处插脚,凝重的空气散去,大家开始有说有笑,热火朝天的“滋滋”加工声中,学员们为“出炉”的木料,每一根都编好号,并记下它在塔中的位置。
两周后,机器人队友出色完工,现场搭建变得异常顺利。底层构件与钢板上的耳板相连,逐层进行构件安装,由于结构采用全榫卯,没有一颗钉子和胶水,整个安装过程只需要用橡皮锤将构件敲进去、咬合紧就成了。全塔组装用了3天时间,最后一根木构搭好已是凌晨1点钟。组员们迫不及待地躺进去,激动的心情难以言表:“那一刻,觉得一切辛苦都值了!”
传统技艺在数字时代的继承与发扬
据悉,工作营开营前,袁烽教授带领学员们对传统木构工艺进行了细致的研究。中国传统木构建筑在几千年的发展演变中,工艺极为繁富。榫卯结构的形制与工艺,集中体现了中国木构文化的博大精深,这也是工作营关注的核心内容。研究结果为项目提供了诸多选项:线性木构件、榫卯节点连接、连续渐变的构件形式以及用机器人加工技术。朱承哲说,在木塔方案确定之前,他们也曾冥思苦想,决定要设计一个如同袁老师所说的“一个原始的、有力的空间”,最终找到了木塔这一独具中国建筑文化特色的形式。
这个结构的复杂之处在于,构件的每个节点都不一样。在木构加工过程中,构件的节点开槽采用grasshopper自动运算完成,每个构件节点的位置、角度、深度存在细微的差别,即便是最精巧的木匠,也很难做到机器人建造工艺的精准度,更难说批量定制了。“这对机器人木匠来说可不在话下。”朱承哲说。
与传统木工艺不一样的是,机器人木匠更需要跨学科背景知识的支撑。“以前做设计,设计做完就结束了,这次动手才发现,建造才是真正开始。”金青琳说。“在建造过程中,最大的心愿就是有个学自动化的队友。这样就能进行更有效率的人机结合。”让机器臂读懂人类的语言与指令,数学建模能力、计算机编程背景、机械操控能力以及对材料的认识都很重要,影响着建造。此次建造也让金青琳对木材料有更多的认识:“木有弹性,灵活性更好,在有误差的情况下更有可塑性。”透过C楼中庭玻璃幕墙,我发现木塔与国康路上的水杉交相呼应。金青琳说,有阳光照进来的时候特别好看,难怪自古以来中国人对木头这种材料那么情有独钟。
数字时代,培养面向未来的建筑师
“我们希望引导学生,不要一味追求时髦,首先要了解传统,从传统文化中汲取营养。”本届建造营组织策划者袁烽说。
数字建造营自2011年创办以来已经连续举办了8届,现已成为国际最前沿、最活跃的数字化设计主题工作营。袁烽介绍,数字时代,全行业处在智能化与信息化进程中,数字建造是传统建造拥抱新时代的必然趋势。整个建造的过程中,同学们了解了中国建筑文化特质,学习了数字建造技术,动手能力得到了很好的锻炼。
“建筑师需要学习的东西太多了。”朱承哲说,自己正在筹备申请留学继续深造,这次建造也让他更加明确将来深造的专业方向,坚定了职业理想。
复又走近木塔,只见硕大的“蛋筒冰激凌”扣在楼梯旁负一层的“院井”中。下去,走近,这些木头编织的塔我中有你、你中有我,你拽着我,我牵着你,缓缓地、整齐地、扭转着,盘旋着,一路绝尘,扶摇而上。仔细看,底部木棱粗大,约1.3米一根的木料切了3个斜斜的口,和其它木棱榫卯扣合,严丝合缝,螺旋而飞;咬合的木头呈“之”字形,如同巧妇所织的毛衣,纹理韵律齐整,众木昂头向上,渐渐围拢;侧身,入门,到塔内,并排而立的“人”,齐整地叠着罗汉,一层层摞着,往上升去,渐渐地渐渐地小、再小,到顶端,并拢而尖。抬眼望,塔身上的木棱仿佛列队点兵的军队,又似划过长空的雁阵,铿锵凛凛,战阵如虹。
出塔,再仰望,光滑细腻的木头们,在阳光里暖黄暖黄的,飘出淡淡的暗香:工匠如斯,数字建造。
作者:李涵
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