银河系建造指南 | 建筑师如何进行星际设计
银河系建造指南
建筑师太空设计
2018年2月6日，Musk的SpaceX成功将他的重型猎鹰送上太空，其运载能力、高性价比、可回收性都领先于世界。同时运载的红色特斯拉跑车上演了一场太空大秀，仿佛预示着人类银河漫步和宇宙探索时代即将到来。在这之前，SpaceX还计划2022年开始火星殖民，开启外太空文明。而这看似科幻小说式的雄心壮志，却又一次离人类如此之近；在这些科技富豪的推动下，星际旅行和外星殖民或许真的不是玩笑。对于建筑师和规划师来说，设计外太空建筑群落的时候就要到来了；一个可以适应太空环境并可以自我维持（self-sustaining）的星球城市将进入议题。
本章将从
太空建筑需求、外星建造黑技术、建筑形态
三个板块进行探究火星建筑村落的可能性
图片较多，请在WIFI下观看
创建PayPal， Solar city和 Tesla的Musk又在太空领域书写了浓墨重彩的一笔
红色跑车和SpaceX无疑是一场成功的双重营销
其实，早在2013年，就有来自140多个国家的200,000人申请了移民火星的票，非盈利组织Mars One组织了这场志愿活动。在他们的计划里，人们将居住在多个充气单元里，人均占据250立方的容积空间。这个居住单元将由漫游者机器人进行组装。由生命支持单元为生存空间提供所需的氧气和食物。居住单元会以模块化的形式，易于安装和维修。太阳能板和无土栽培农场将被应用于提供能源。
实际上，在外太空建筑村落设计里，我们不能忽视的元素有以下几点：
1. 人类生活环境的维持
2. 人类生活所需物质的提供（自给自足为主）
3. 人类心理状态的维护（好的建筑环境）
4. 建筑如何建造
5. 建筑表皮防护（防止威胁人类健康的宇宙射线）
6. 建筑内部功能配比
7. 外太空城市连接和聚落组织
考虑到这些因素，太空建筑设计无论是设施功能配备、建成环境维持、建筑材料和建造技术选择等等都需要仔细思考，也无疑是一种挑战。不过在现有的技术之上，结合大量的案例我们可以以窥一二。
www.mars-one.com
一、太空建筑需求
输12
心理学研究表明，人在太空、深海、极点空间站都出现了很多头痛、失眠、思乡病等问题。这些问题的出现很大程度上是因为被限制的居住条件。比如局限的生活空间、人工的建造环境，缺乏基础的日照景观和私人等舒适感。对于短时间旅行来说，人尚可接受，但长时间地居住在这样地方容易引起许多的心理疾病。所以之前只是作为遮蔽物的太空建筑，现在则需要将人的因素考虑进来。
实际上NASA在1997年就提出了火星建筑设计的一些详细准则：
1. 更大的灵活可变的生活空间
2. 每一位殖民者有自己的私人空间
3. 有功能的分区（工作/休闲，动静结合）
4. 又可以调节和再布置的分隔墙体
5. 通过连接模块体，基地可以延展
6. 具有防止有害污染和隔离的能力
7. 便于运输和调配工作
宇航员的需求表
产品设计师Sophie Becher设计的太空舱室内设计
所以在这样的情况下，完善的功能设备至关重要，他们必须包括居住区、储存设施、工作站、资源挖掘站（尤其是空气和水，后期会考虑矿物质和建筑材料）、能源收集和储存装置（火星距离太阳更远，日照更少，需要更强大的太阳能设备）、食物生产站、推进燃料生产站（特别是氢气和甲烷）、能源站（为了火星表面旅行）、交流设备。所以Musk认为，即使是一百万的殖民者去开发火星，也需要消耗很大，并面临更大的挑战。
Source: http://www.zaarchitects.com/en/other/103-mars-colonization.html
另一方面，在结构上，有在地修建和展开式建筑多种方式。其中展开的空气舱建筑更能保证无菌环境，并减少对星球表面的侵略性。轻便的弹性材料，可以大大减少飞船运输的负载。同时，材料应该适应火星气候，对于有害物质有抵抗力。而对于不同位置上的建筑结构，可以采用
a. 坚硬的金属和塑料材料
b. 可延展结构
c. 地下管道
d. 火星本地的砖石
而保护措施则可以选择膜结构、温度绝缘材料等等，我们将在下一章进行深度剖析。
二、技术支持
输12
传统科技
常规结构来说，我们第一时间想到的就是各种出现在科幻电影里的太空舱。这种结构虽然证实是可以在外太空使用的，但是其价格并不便宜，并且非常笨重。为了便于携带或组装需要做出一些改进。比如可以使用折叠结构、弹性结构、延展钢化材料和记忆金属
Hoberman’s dome
http://www.inflatable-structures.com/
http://www.google.com/patents/US4587777
Fibre Composite Adaptive Systems
Architectural Association
而除了金属、塑料材料，实际上火星本地的石材沙块也是能够使用的，并且其本身有防辐射等作用。对此，我们可以参考许多砌块建筑进行设计。除了常用的砖石拱、石块建筑，还可以利用将沙填满做成建筑材料进行堆砌。这样的做法是可以就地取材。不过需要增加制作工艺。
利用沙袋制作的建筑群落
http://www.earthbagbuilding.com/projects/sandbagshelters.htm
数字化建造
提到建筑的建造，实际上之前的那些方法有好处也有弊端。并且很大程度上需要依赖人力。但实际操作中如果将开垦者交给机器人，会提高很多效率。所以我们在此探讨数字化的可能性。
在公众号之前文章里有提到过的漫步机器人进行编程制造（类似原理可以参照之前swarm theory那一篇文章）在集群智慧基础上进行无人机或无人机器人设定。通过编程设定工作路径和机械臂运作路径再数字化建造太空建筑。另一个技术则是我们提及的3D printing 打印技术。比起在地球上建好了大量建筑设备原件再带上去外太空，利用占体积较小的3D打印材料更为经济方便。这种SpiderFab技术可以允许机器人在轨道上进行大规模的宇宙原件编织。同时这样编制起的外太空设施不需要复杂的机械连接机制，并且更容易优化负载。这一点也能提高建筑的组装效率。
NASA develops 3D printing factory in space
Source: http://www.tethers.com/SpiderFab.html
我们以Starshade（一种配合太空望远镜来观察星球的太空设备，减少光的弯曲度以方便太空照相机拍出更真实的星球图像）为例，通过3D打印技术，可以做出强度更大、面积更大的设备，这样更利于太空观察。
Source: http://www.tethers.com/SpiderFab.html
Source: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060008916.pdf
我们总结太空3D打印技术的优点如下：
1. 材料经济、合适并且便于携带
2. 可以在外太空轨道安装而不需要在地球安装
3. 提高安装效率，可以做出大规模的安装工作
4. 可以做出强度更大的结构体系（易于增加附属桁架结构）
5. 节点非机械连接构件，更容易操作和装配
节点处打印即可，不用专门做出配件
而现在NASA实际上已经将第一台3D打印设备送上了太空，预示着太空3D打印时代已经来临。这也为太空建筑的建设提供了强大的技术支持。
Manufactured by Made in Space in collaboration with NASA’s Marshall Space Flight Center
在外太空进行的3D打印产品
Source: http://madeinspace.us/projects/amf
无独有偶，著名高技派设计师Norman Foster和他的事务所也设计了几款3D打印的太空建筑。如果说之前的3D的打印还尝试在装置上，在福斯特事务所的设计里，这种技术直接被用在了建筑上。通过一个模块化的管道装置展开起一个膨胀的居住舱。
Foster + Partners
上图为Foster月球殖民地作品，
下图为使用D-shape打印机所制作的作品
Source: http://d-shape.com/portfolio-item/underwater-moma/
在这个基础上，D-Shape打印机将使用月球本身的泥土进行建造外部框架和土壤保护层，这个设计里也参考了自然衍生建筑的概念。在经过许多类似地球极端环境建造的案例，事务所建议利用星球本地材料，可以更有持续性和适应当地环境。
而建造的地点则建议在月球的南极，因为那里有无限的日照。一个舱可以住四个人，并且建筑的目的是能够防范伽马射线、陨石和高温变化。而这个想法也被福斯特事务所应用在了NASA的火星3D打印居住地竞赛里（NASA悬赏2百万美元募集作品，Foster事务所在这个作品里与高校、工业合作者一起合作，署名GAMMA），并获得了二等奖。在这个方案里利用了三种机器，分别用于挖坑，堆积土壤保护层墙和用微波溶化材料。
2ND PLACE + People's Choice Award winner: GAMMA.
比起人为的近距离操作，这个项目还尽量减少人类输入，而是采取计算机规则和目的进行机器规划。这使得机器更能根据环境调节变化并面对意想不到的问题。
而我们再来看一等奖的方案，很大程度上归功于他们对于建筑材料的研究和革新。不同于仅仅使用火星材料，他们利用火星土壤硫化制作了火星混凝土。不像我们常用的混凝土，这种制作过程不需要掺入水（火星主要的水都是冰冻的）。另一个好处是，这种材料可以回收再利用，进行融化后重新塑形。并且它对酸、盐都有天然抵抗力，并且耐低温。
1ST PLACE: Detail of "Mars Ice House" by Team Space Exploration Architecture and Clouds Architecture Office.
三、建筑形态
输12
实际上在以往的外星建筑设计上基本上可以总结出几种常见的空间形态：
1. 圆顶型（Habitat in Domes）
2. 利用地势型（可利用陨石坑、峭壁或死火山洞）
圆顶型
圆顶型非常常见，因为圆顶本身代表着一个个的模块，这些模块可以很有效地进行组装。另外太空舱也是这样一个个进行展开，符合机械原理。上述竞赛里，多数作品都利用了圆顶帐篷式工作舱作为基本型。当然，和建筑设计一样，即使是这样的原型也有多种组合
Kozicki, J. and Kozicka, J
圆顶型的优点在于其功能方便组合，并且大小有时候可以决定分区。另外，这也是充气式弹性结构常见的展开方式。但多组团式就需要中间的连接，最后容易形成村落型火星规划。比如Musk的计划中，火星村落就是这样的：
当然，实际上圆顶型也可以形成集中式，参考现有的建筑，比如英国的大型植物园伊甸园项目。以及同样作为未来设计的Sadeh Criswell所设计的月球基地。
Eden project
Structural design of a lunar habitat
Journal of Aerospace Engineering
Mars Science City, Dubai, Bjarke Ingels Group
实际上，我们还可以用之前文章提到过的分形的手法进行设置，这样的集中式可以给人以丰富的城市聚落感又可以减少在交通空间的消耗。
A fractal design for a lunar base by Hatem Al Khafaji of Dubai
利用地势型
这种中心式建筑以大型农场和greenhouse作为中心，可以方便提供氧气。而这样的建筑可以设计在陨石坑内或者死火山留下的洞窟，很大程度上运用了地形， 而死火山等本身就是一道天然的屏障。这里可以参考陕西的地下窑洞和matmata的地下建筑。
上图为陕西传统民居，下图为matmata homestead
实际上，外太空的死火山坑本身就有非常大的空间和强度，可以保护人类免受陨石、射线等危害。本身就是天然的屏障。同时也可以减少挖方量，利用原有的洞窟，就可以在火星建设城市。（下图是月球的死火山坑比例）
ZA事务所曾今在2013年设计了一套地下火星城市，通过钻井机器人先行，大量开发地下洞窟。然后再将居住舱植入，在这样的空间里能够保证基本的防护和安全，并能提供适宜的温度。
在未来，这可以发展成巨型的地下城市。而通过无数采光井进行采光也不会显得黑暗。而这些天然的屏障也能起到非常大的保护作用。
http://www.zaarchitects.com/en/other/103-mars-colonization.html
除了洞穴，另一个设计师团队Team Staye还建议直接将建筑植入冰川里，这样有充足的水资源供给。同时冰海还可以提供宇宙射线的防护，而气候在白天也很暖和。
再者就是利用悬崖峭壁。其实，峭壁式在设计竞赛中经常被应用，而在太空这种形式也有很多好处，一方面可以利用洞穴作为自然屏障，另一方面因为是垂直关系，不容易受到陨石等危害。另外靠近洞穴能够更好地进行温度调节，并且能够减少许多的工程量。实际上秘鲁的阶梯式建筑就是这样一个范例。
后记
银翼杀手有句著名的台词：“我见过你们人类难以置信的事，我见过太空飞船在猎户星座的边缘被击中，燃起熊熊火光。我见过C射线，划过'唐怀瑟之门'那幽暗的宇宙空间。然而所有的这些时刻都将消失在时间里，就像...泪水...消失在雨中一样。”
然而此刻人类的泪应该是激动的——银河系的星辰大海仿佛就在眼前。那些对于银河系的所有幻想终于踏出了显著的一步。所以梦想一定要有的，万一有一天就实现了呢。中二少年也能拯救世界。
参考文献
An Astronaut Gardener On The Moon - Summits Of Sunlight And Vast Lunar Caves In Low Gravity, Robert Walker, available from: http://www.science20.com/robert_inventor/an_astronaut_gardener_on_the_moon_summits_of_sunlight_and_vast_lunar_caves_in_low_gravity-180516
Balint, T. and Hall, A., 2016. How to design and fly your humanly space object in space?. Acta Astronautica, 123, pp.71-85.
Harrison, A.A., 2010. Humanizing outer space: architecture, habitability, and behavioral health. Acta Astronautica, 66(5-6), pp.890-896.
Kozicki, J. and Kozicka, J., 2010. Architectural concepts of Martian bases built: of domes, around greenhouses and into slopes-the human aspect and the technology. In 38th COSPAR Scientific Assembly (Vol. 38, p. 3).
Kozicki, J. and Kozicka, J., 2011. Human friendly architectural design for a small Martian base. Advances in Space Research, 48(12), pp.1997-2004.
Martinez, V., 2009. Architectural design for space tourism. Acta Astronautica, 64(2-3), pp.382-390.
NASA 3D-printed habitat challenge, available from: http://3dpchallenge.tumblr.com/
Ruess, F., Schaenzlin, J. and Benaroya, H., 2006. Structural design of a lunar habitat. Journal of Aerospace Engineering, 19(3), pp.133-157.
Sen, S., Carranza, S. and Pillay, S., 2010. Multifunctional Martian habitat composite material synthesized from in situ resources. Advances in Space Research, 46(5), pp.582-592.
Sherwood, B., 2017. Space architecture for MoonVillage. Acta Astronautica, 139, pp.396-406.
更多相关文章欢迎关注本公众号：