学术干货 | 2020 Fabricate Conference 数字建造类国际学术会议-最新论文分享（一)
“FABRICATE” Conference
参数化数字建造类国际学术会议
//引言：关于 FABRICATE Conference
本篇我们将一起来看看4月刚结束的Fabricate 2020会议：Making Resilient Architecture上的最新研究发表项目。Fabricate Conference由UCL Bartlett主办且出版，每三年举办一次总会，讨论主题针对Digital Fabrication 数字建造相关的一系列主题，如新材料性能，虚拟建造与实际建造之间的联系，以及建造的可持续性等。本期我们也邀请到了UCL Bartlett的小伙伴，与大家一起总结一些今年2020年会议中发表的优质项目，并且联系过往三届（Fabricate2017、Fabricate2014、Fabricate2011）中的部分项目做一个简要的梳理和分享。
1. Brief Conference Background | 会议背景概述
2. Construction & Materiality | 建造与材料的创新
3. Related Reading Reference | 相关的文献阅读推荐
文章全长7200个字，阅读时间15分钟
“自适应性建筑”
Fabricate 2020会议主题
Fabricate 2017，2014，2011的会议主题分别为：
2017: Rethinking and Construction | 反思设计与制造
2015: Negotiating Design Making | 建造中的解决方案
2011: Making Digital Architecture | 设计数字建筑
整篇的梳理，会按照以下三个方向展开：
本期将会介绍第一个方向的最新研究：
主题1. Construction & Materiality | 建造与材料的创新
主题2.Design and Production Integration| 设计与生产的结合
主题3. Architectural Intelligence & Optimization | 建筑智能与优化
（其他两个主题会在之后更新）
Brief Conference Background | 会议背景概述
“由数字建筑至自适应建筑的转变”
“From Making Digital Architecture to Making Resilient Architecture”
—— Bob Sheil, Director of The Bartlett of Architecture, UCL
南北极冰川持续融化影响着全球气候模式；物种多样性和栖息地也随着农业大面积开发正在逐步减少……在大生态环境的变化下，作为建筑和工程领域的研究与实践，该如何应对与缓解这些巨大的变化呢？建筑的功能、设计、材料、制造、加工、运输和组装是否可以被重新思考和定义呢？Fabricate 2020年中对于“自适应性建筑”的讨论，认为新设计方法与建造过程的提出在当下的必要性，应该是我们回应生态和气候变化的核心，本会议结合了机器学习、人工智能、可再生材料、优化的建模或运算生成方法等。
“Global weather patterns and air quality are changing; biodiversity is both diminishing and altering its profile; agricultural production is proliferating in scale and reducing in diversity……Architectural and engineering research and practice, together occupy vital roles in preparing for a changed world by rethinking how the built environment is designed, made, used and operates within vast logistical equations: from the supply and processing of materials to the organisationof necessary infrastructures、manufacture and assembly, ……In 2020, ‘Making Resilient Architecture’ declares thedesign and construction processes to be central in our response to the climate and ecological emergency. Running core to this mission is the capability to harness the vast potential for precision measurement, complex modelling, and synthesised manufacturing, including machine learning and artificial intelligence, using renewable materials, optimised and autonomous methods……
Construction & Materiality | 建造与材料的创新
关于该研究方向，在Fabricate会议上可以总结成以下两个重点：
讨论1）木材料性能与结构
Wood Material Performance & Structure
讨论2) 新3D打印材料应用
3D Printing Material Application
1. 木材性能与结构
Wood Material Performace & Structure
"Biocomposites From Annually Renewable Resources Displaying Vision of Future Sustainable Architectures"
试验装置结构1. BioMat Pavilion, 2018
建筑业消耗了全球40%以上的资源，其中约50%为不可回收的制造材料和35%的不可再生能源，然而到目前为止，混凝土仍然是欧盟建筑中使用的主要材料。在该项目中，设计师们通过提出“Materials as a design tool（将材料作为设计工具）”的概念，并使用天然纤维增强聚合物的复合材料（NFRP），旨在总结两个实验性的装置 (BioMat Pavilion, 2018 & Biocomposite Mock-up, 2019)，证明用新可持续性材料以及其搭建方法可以代替我们日常传统的水泥材料以及制造方法，且具有一定的未来实用性与形态多样性。
生物复合材料（Biocomposites）是至少有一种成分是以生物量为基础的材料。在建筑行业的应用主要为木材和农业废料通过热塑性粘合而成的木质复合材料（Wood Polymer Composites）. 在BioMat Pavilion的项目中，设计师将WPC材料夹在两侧半弹性的木质纤维板之间以加固。在Biocomposite Mock-up的项目中，设计师将连续的亚麻纤维用树脂粘合剂浸渍形成预设的几何形状。
（由左至右）木片复合材料的粘合过程，与通过磨具的形态压制、以及打磨的过程
单个弯曲面板组成的主要细部结构点
BioMat Pavilion:
团队首先通过3D扫描场地，确定尺寸限制，再以两个连接层相互交织的壳体为设计形态，整个结构可分为3边支撑梁结构，以及360个编号木片。在木片的制造过程中，先用CNC切割WPC材料板与木质纤维板，用胶水将三层材料粘合后，再将粘合板放置到提前设计好的磨具上穿孔压制以固定形态，待形态稳定再将原先的穿孔处切除，经过打磨，便得到了制作完成的单片。由此不断重复完成360个单木片后，为了确保壳体结构最终被搭建的精确性，团队先以3个单木片为一组，形成120个结构单体，再用螺栓链接成4大部分，逐一放置在提前固定的梁结构上。完成后，进行重复的3D扫描并将其与数字模型进行比较，将虚拟模型与实际结果的误差以控制在允许的范围内。最终，整个装置在真实天气条件下放置了六个月，证明了该生物复合材料能够满足结构的强度和耐候性要求，团队也将在后续研究材料的降解性，防水性以及制造和装配过程实现自动化的方法。
弯曲木片制造以及团队搭建的实际建造过程，与3D扫描用于对比实际搭建结果与设计模型的误差
Biocomposite Mock-up:
Mock-up为BioMat之后的另一个小型短期试验。Mock-up的形态也是弯曲结构，最初的形态可以在Grasshopper-Galapagos-Millipede中找到，选定的设计形态由团队进行了拓扑优化，以减少不必要的材料量以实现最佳的轻量结构。其优化过程由以下可见：
基本外壳的拓扑优化，以及CAD剪裁路径
材料相比于之前的短纤维，此项目选用的是天然长纤维和亚麻纤维作为生物复合材料的增强剂，并加入了TFP技术。整个过程相较于前一个项目相对更加简便，由下图可见，1cm宽的亚麻纤维和长纤维先被铺放在弯曲模具中固定，再浸入环氧树脂进行二次固形，等待材料固化后，进行最后的打磨和涂覆，便得到了轻薄的弯曲形态。虽然设计受到了木质纤维板以及生产过程中的尺寸限制，团队的两个研究都展示了可持续性材料代替传统建材以及木材的选择，以及对复杂结构的实现。
TFP preform、磨具、制作过程、以及成果
"From Machine Control to Material Programming:
Self-Shaping Wood Manufacturing of High Performance
Curved CLT Structure –Urban Tower"
利用自成型木材制造成的木结构
木材含水量的变化通常会导致材料表面或者内部的开裂和变形等问题，完整的大尺寸弯曲木板结构也将在实际建造中浪费不少材料。然而在该项目中，设计师将劣势转化为优势，提出了木材自成型的新制作方法，使得木材在干燥过程中，通过干湿收缩的变化，自主地逐渐弯曲成预设的形状，减少了加工和劳动力的浪费。
木材在干燥过程中的自成型状态
木材的干燥与粘合过程
塔结构受变形、表面干燥脱水和组合角度的影响
设计师选用了云杉木板，将新方法实验应用于一个14米高12片曲面的薄壳木结构中。团队先用CNC机器将12块木板切至设定的尺寸，通过多次不同湿度和弯曲率的实验，将不同木板放置在架子上进入窑中干燥，之后将WMC (Wood Moisture Content) 即木材的湿度由22% 降低到12%（设定的湿度），即可成形得到2.4米半径的目标曲率。同时为了增强木板形状的稳定性，两片弯曲木板将通过粘合剂贴合。在不断比对预设的曲率和实际制造的曲率，和反复的烘干过程，木板将逐步接近精确的弯曲程度。最终以三片弯曲木板形成一组构件，4组构建将运输至搭建现场，使得实际搭建过程节省了人力与时间。
完成预制，准备组装的部件
“Bending The Line:
Zipper Wood Creating Non-orthogonal Architectural Assemblies Using The Most Common Linear Building Component (The 2X4)”
曲线木条对于柱体结构的表现
轻型木结构因为灵活，适应性强，价格便宜，可再生，组装技术要求更低，在北美的建造市场占主要地位。该项目将关于叠合嵌木的研究引入了传统的木条框架方法，使得设计师能减少材料费用的同时，提高材料的利用效率，达到多样的形态效果，且在设计上颠覆对传统木构件建造方法的理解。同样是对木材弯曲可能的探究，该项目的叠合嵌木法相比于上一个提到的干燥法在精确度上有了不少提高。通过在木条上的锯齿切割，将两块木条的纹路对应，木条中较薄的区域可以有较好的弯曲度，且将两条木条叠合可整体弯曲到一定的曲线程度。通过不同的纹路、以及切割的厚度、以及粘合剂选用的实验，设计师可以得到一系列根据想要弯曲的角度对应的锯齿切割数据，同时也可以通过计算机模拟得到一定的切割角度与厚度可能达成的弯曲效果。
利用机械臂切割出木条内部的锯齿，以及计算机模拟的木条弯曲效果
两个锯齿木条的叠合在实验中的弯曲效果
由下图可见，木条在被弯曲之后，为了验证木条实际建造中的曲率准确度，设计师会用其他设备先固定木条，通过3D扫描的方法，将虚拟模型和实际模型不断校准修正来减少误差。再调整至最佳的位置后，将弯曲的主要结构点定型，等待胶水的粘合与木条形态的固定。
(左) 木条弯曲准确度的扫描测试，紫色为正确位置，（右）不同弯曲结点的固定
在最终的应用范围中，设计师做了一系列的可行性实验的研究，除了之前我们展示的小型构筑物图，还有在一些墙体结构与其他柱体结构中的新实验。如下图，虽然只是初步的实验结果，但在未来也有一定的新可能可被研究。
弯曲木条的墙体应用结构
以下为过往几届会议有关木材性能的项目论文概述：
“Hygroskin Meteorosensitive Pavilion”
材料本身张和的性能
表皮实验过程
搭建单体的结构图，最终在不同状态下的表皮状态，(中) 相对湿度，75%，(右) 相对湿度低，45%
生物系统如何更好地转化为建筑系统？该项目与我们之前提到的干燥弯曲法比较相似，我们在此就简要地分析一下。由松果外壳的干燥收缩过程获得启发，结构上的木表皮也可以通过外部环境的湿度变化，而调整表皮的收缩和扩张情况，将外部环境直观可视化的同时，也控制了内部围合空间的通风情况。在围合空间的表皮应用上，由单片结构的分析图可见其中内部的叠合结构，圆形镂空处则被附上感应性薄木材用于湿度感应，而其他部分则为一般木材。
“Research Pavilion”
实际搭建效果与单片木材的嵌入过程
两片木材的嵌入方式、以及场地扫描和误差校对的模型
虽然是较为ICD，University of Stuttgart早期的木材结构，但是在木材本身的性能应用上可以带来不少启发。与我们以上提到的水分干燥弯曲法，以及叠合嵌木弯曲法不同的是，这个项目利用了桦木胶合板本身的弹性性能。在建造过程中，完整的桦木胶合薄板先由CNC切割，通过在木板上不同卡槽的设计，可以将多块薄片穿插固定后并且弯曲。团队通过多次调节胶合板的尺寸、卡槽的位置，以及锚固点的位置，最终选取了最优的情况用于组合成自稳定的装置建造。与BioMat Pavilion项目类似，在装置的设计中，先将实际搭建的场地环境3D扫描，得到搭建尺度的限制，再将实验得到的结构应用在场地中。整个搭建过程非将几个部件在场地直接拼接，而是有方向性的由首端开始不断嵌入单片材料至末端结束。在实际嵌入的过程中，桦木胶合薄板两头固定后，同样也会通过3D扫描的形式比较实际建造的位置与弯曲度与虚拟模型的误差，并做及时的调整。设计师们利用材料本身性能，使得整个项目的嵌入搭建法简便快捷，也给零时性且可持续的构筑做了很好的参考。与该项目的法方法与材料比较相似的还有（FABRICATE 2017，Bending-Active Plates Planning and Construction，UCB与ITEK的两个合作项目），以下为部分项目图，大家如果有兴趣，可以搜索查看。
case1.桦木胶合板3mm抗弯外壳
case1.形态设计与分析过程
case2.搭建过程
2. 新3D打印材料应用
3D Printing Material Application
“Mud Frontiers“
实地土壤的选取与打印的过程
Additive Manufacturing (增材建造) ，也称为3D打印，其概念与操作方法在建筑生产与学术领域主要用于研究如何创建全尺度且更轻便的制造工具。然而，由于大型工业3D打印机和机器臂的相关花费，打印材料本身的费用与运输情况，以及在操作过程中需要有编码与三维建模的知识，增材建造在建筑领域仍然不是一种常见的制造方法。该项目的选地为El Paso（美墨边境），物资调用耗时较长。研究目的则克服了以上三个障碍，提出了一个轻量，廉价的移动机器人装置，能够实地取用土壤材料进行临时性的搭建。原本的复杂编码系统也被一个易于使用的GCode脚本代替以便于操作。设计师开发的轻量移动型3D打印机与一个连续流动料斗相结合，可以打印直径高达2200mm、高达2500mm的圆形墙壁和外壳，其结构大于一般的3D打印工具，也克服了打印在体量上的限制。同时打印材料可以是当地周边直接挖掘的粘土、碎稻草、砂石、水或者玉米芯的混合可持续材料，且不用加入任何稳定剂等化学材料，节省了原本材料与运输的大量费用。本项目将打印的结果应用于短期庇护性的空间，双层土墙的打印结构也有很好的加固作用，虽然因为打印快速呈现的表皮效果略显粗糙，但对于类似环境的其他场地有较好的适用性。
打印过程与内部结构
“Cellulosic Biocomposite for Sustainable Manufacturing”
真菌类粘合剂与木材生产中的废材
该项目同样用到了自然合成资源，植物的纤维素以及动物骨骼中的几丁质，两种成分的复合材料形成的真菌粘附材料，其所打印建造而成的空间装置也可以完全被降解。该合成材料也因为在室温下即可通过蒸发水分而固性，省去了打印中的加热步骤，减少了能耗。材料因为密度、粘度和弹性在打印喷头挤出材料的过程中受剪切力以及打印速度的影响，设计团队通过实验建模，以及3D扫描收集打印结果数据以进行比对与统计。同时，在实验过程中也用到了机器学习的非线性回归模型将剪切力以及打印速度与打印的效果联系，最终得到了预设模型用于建造过程中的变形预期方法之一。
建造中的实验过程以及3D材料的延伸使用
除了比较常见的柱体结构打印之外，项目还加入了该材料的可持续应用方法。如以上图片右侧展示的翼性结构，由于部分加热后，材料受热会变软质，设计师先展示了一个打印完成的结构，通过部分加热、材料变软、融化、重新粘合可又能重新 得到一块表面较为完整的材料，也可再经过打磨，用于雕刻，实用性较为广泛。
最终打印的柱体效果
“ Pulp Faction:3D Printed Material Assembles Through Microbial Biotransformation”
真菌木纤维素的柱截面，以及显微镜下，不同放大倍数的基质成分
本文利用生物生长过程中的纤维，通过实验型项目提出真菌木质纤维素作为可再生合成材料，作为传统建造的可降解性替代方案。项目的实现需要两大部分，真菌，以及生长基质。其中基质由细木片、纸浆、高岭土和粘土制作而成，由3D打印成设计的基本曲线形态，为真菌的生长提供营养。真菌（Byssomerulius corium，Gloeophyllum sp）也在一开始被接种在纸浆内，等待生长。在生长过程中，真菌的分泌如多糖和蛋白质等将促进细胞锚定在基质上，即充当菌丝与基质之间的胶，提高材料整体链接度与硬度的同时，基质将转化为所需要的生物复合材料。在较长的培养等待期，生长将逐步至稳定状态。通过不同基质材料成分以及比例，不同真菌种类，以及不同基座形态的实验，得到最佳的配比。同时，通过将真菌制成的材料浸入水中，材料仍然有很好的完整度和弹性。
不同真菌配比的材料水溶的实验过程
虽然是测试性的项目，最终实验可以被初步假设可以应用到柱体结构上，即先通过contour将设计的柱体形态横向剖成多层结构，每单个剖面结构为基质培养真菌生长，剖面结构不同的真菌也会混合成不同的生长结果。
从设计到组装的柱体
“Printed Assembly A Co-evolution of Composite Tectonics and Additive Manufacturing Techniques”
最终打印效果
该项目研究了碳纤维结构在大型3D打印聚合物中的应用，形态设计由粒子系统中的粒子移动轨迹为灵感，与以往的打印方式不同，该项目在打印的表皮内加入了碳纤维结构作为结构支撑，增大了强度，之后分片段性依次打印后拼接成完整的装置形态。
构建之间的组装过程
其他过往与3D打印相关的项目如下：
1）（Fabricate 2020）
Optimization of Robotic Printing Paths For Structural Stiffness Using Machine Learning
2）（Fabricate 2020）
Concrete Choreography Prefabrication of 3D-printed Columns
3）（Fabricate 2014）
Building Bytes：3D-Printed Bricks
4）（Fabricate 2014）
Anti-gravity Additive Manufacturing
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