如何用机械臂进行大尺度的离散化的建筑制造?

建筑手帐C UniDesignLab 2022-04-21

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前言

UCL Bartlett建筑学院不仅对于材料有诸多的研究，还对fabrication建造有着极大的兴趣。而RC4的Design computation lab对于大尺度的离散化的建筑制造有着深厚的研究基础，也是此类研究的佼佼者。感谢本次分享者，来自RC4网红组的steveshao，为大家展现他们的优秀distinction作品transfoamer

Transfoamer

参数化背景下的大尺度离散化制造/RC4

MArch Architectural Design

Bartlett School of Architecuture.

成员介绍

由左及右

邵戈凡：主要负责设计，建筑代码逻辑，结构分析，组合逻辑策略，搭建组装；

魏娜：主要负责joint设计制造，体块制造，混凝土骨架测试，搭建组装；

陈冉：主要负责机械臂调试，机械臂前端设计与制造，切割路径设计，体块制造，搭建组装；

陈志林：主要负责工具制造，体块制造，材料测试与研究，搭建组装；

导师介绍

Manuel Jimenez Garcia: 西班牙建筑师，AA DRL 毕业，AC 专业Director，曾是一名音乐DJ，最喜欢的电影是Tron；

Gilles Retsin: 年轻有为的比利时建筑师，AA DRL毕业，AD专业新任Director, 也是提出离散化设计这一研究方向的建筑师；

Vicente Soler Senent：Bartlett技术担当，RC4技术顾问，软件，代码，机械臂样样精通，Windows 死忠，强迫癌晚期；

设计背景

RC4 今年的研究方向是参数化背景下的大尺度离散化制造。建筑被认为是可以完全数字化的（理想状态下），正如计算机中一切的代码都能由信息最小单位 “bit” 构成，离散化设计方法将构成建筑的基本微粒-砖块看作 “bit” ，在设计师提前设定的规则与组合方式下，自动化地快速组合，增值，扩展，形成建筑结构形态，并且在代码控制下由机械臂大批量快速生产并组装形状相同或规则相似的砖块，最终搭建出建筑结构。整个过程会以完全数字化，自动化，高效率为最终目标。

在此设计方法下的建筑概念将会有别于传统建筑观念中拥有明确梁，板，柱的概念，取而代之的是由于组合方式不同而决定的不同增殖方向，从而形成一种异质化空间：如由于水平方向发展而产生的水平结构，类似 “板” ，和由于垂直方向发展而产生的垂直结构，类似 “柱”。为了实现在计算机中更高效率的组合增长，我们同样会探究分体论在scaling-up中的方法，Particle-Part-Metapart，就如化学中夸克-原子-分子-聚合物的关系。在制造和组装过程中，探究更高效，更快捷，更便宜，更大尺度的结构体是本年度的目标。

作品介绍

1.项目简介

项目“Transfoamer”旨在设计出一种形状上互锁的砖块，用机械臂电热丝切割泡沫块的方法大批量生产，随后用polyurea喷漆加固，并自动化组装成大尺度结构。从而实现高效的全数字化过程。

2.设计

Transfoamer的砖块由多方向三角形组成，它的三视图在两个方向上遵循三角形网格，在一个方向上遵循正方形网格，这使得每个砖块在添加到现有组合体的时候都能遵循空间网格并且知道各自的确切坐标。

首先介绍砖块joint的设计，我们起初用3d打印尝试不同的joint方法（pic）最终选择了在砖块上设计不同凹凸的方法实现部分互锁，再辅以胶水加固。

3.制造

在砖块制造的部分，我们并不是一开始就选择泡沫的，而是在尝试实木，3d打印，浇灌等多种材料和制造方法后，基于对砖块形状特殊性的理解以及大批量快速生产的核心，决定选择电热丝切割高密度xps泡沫的方法制造我们的砖块。而在joint的设计制造上，为实现全数字化，高效率，在尝试了泡沫+木板，泡沫+混凝土喷漆，泡沫+铝片后，我们最终选择纯泡沫+polyurea喷漆的方法。

为了实现机械臂泡沫切割，整个第二学期我们几乎都在研究和碰壁中度过。说句题外话，巴院（尤其RC4）特别注重学生对整个制造过程和原理的理解学习，因此我们的hot-wire cutter和vacuum gripper都是从购买零件开始自己制作的。（如隔壁组有花整个学期制作3d打印extruder的情况）

在制作切割工具的过程前后，我们还对切割方法做了一系列的研究，从原本机械臂抓取hot-wire整体切割砖块到之后用机械臂抓取泡沫固定hot-wire切割，再从原本泡沫块的整切到废料的重复利用，整个研究的过程导向是：更安全，更精确，更高效。

最新一个版本的切割过程采用bend-saw切割体块，机械臂切割joint的方法，整个切割过程只需要10分钟不到就可以制造一个边长为15cm的砖块，而砖块的价格在材料费贵破天际的英国也只需要个位数就可以生产，如果实现工厂大批量生产将会更便宜。为了进一步提高效率，在整切的前提下, Transfoamer还思考了如何利用废料进行生产，并依据废料特性设计不同的切割路径。

4.计算机生成逻辑

砖块的组合是遵循一定的计算机规则的。

在组合规则上，我们设置砖块的中心点（红色）和一堆遵循网格的周围点（蓝色），不同深浅的蓝色点代表的是不同的组合方向，经过大量测试，砖块的组合方式展现出一个由强到弱，由垂直到水平发展的组合序列。在计算机大批量增殖时，每个砖块都会经历克隆-旋转-移动-对齐连接-判断是否重叠碰撞（若发生碰撞则删除重新前序步骤，若无碰撞进入下一步克隆）的步骤，（组合方式遵循上述序列）代码中还设置了判断砖块因重叠碰撞而删除的语句，在一系列发展方向优先级的限定下（如结构线），组合成某些特定的几何空间图案。

图: 计算机模拟的快速增殖过程，为了提高增殖效率，遵循模数的长piece也会被用在制造过程中

图: 展现的是代码中砖块之间连接的细节步骤：建筑能够沿着结构线的方向发展增殖。

当进入建筑尺度的制造，拓扑优化的概念被运用到设计中。拓扑优化的概念可以追溯到一个叫做“wicked problem”的哲学概念，这类问题被很多复杂的条件所限定，问题的答案没有对错之分只有在某些限定条件下的好坏之别。而结构的拓扑优化涉及到荷载的位置强度，支点的位置强度，材料特性等条件限定，在限制中寻找最高效的结构形状。

因此在离散化设计之前，我们还做了大量有关拓扑优化的研究与实验，在结合如今较为成熟的结构拓扑优化方案BESO in Karamba3D和SIMP in Millipede后，一种新的杂交方案（hybrid method）被运用到Transfoamer建筑尺度的设计中，这种方案在SIMP优化还有冗余的基础上再次进行BESO的分析，形成符合结构且省材料的最优化方案。此处以一个由6m*9m*6m的方盒子优化成的柱子结构为例分析杂交方案的效率。

整个方盒子能由原本填满盒子的36800个砖块，到第一步SIMP in Millipede优化后的11200个砖块，再到第二步BESO in Karamba3D优化后的1834个砖块即可站在1000KN/m^3的均布荷载下站立。转换成机械臂的制造时间，将会是从460天/机械臂到23天/机械臂的约2000%的效率提升。

于是在第三个学期，运用上述的设计方法和制造方案，我们用piece制作了一张桌子，先进行家具尺度的测试，证明它有一定的结构稳定性和美观性。

5.建筑尺度的思考

到建筑尺度，由多排网格组成的多重网格（meta-grid）被运用到建筑尺度的设计中，以提高增殖效率，可以理解成将化学中的原子先组合成不同的分子，然后用分子进行进一步的组合。此外，在设计中，我们还列出了展现不同组合方向和结构密度的列表，以表现密度从0到8的网格组合方式，并带入到建筑生成中。

真正到建筑尺度中，仅仅泡沫是无法承担建筑称重的作用的（事实上传统建筑里泡沫只是作为保温层或者防水层而存在）因此在最后的建筑设想中，我们还引入了混凝土骨架的构想-在组合好的带孔piece之中灌入混凝土，让凝固的混凝土连接成泡沫piece的骨架，增强结构，而泡沫此时也被视为混凝土结构之间的填充部分。

以上的所有经过研究测试之后得到的最优化设计，组合，生产策略将会被制作成一个供用户体验使用的软件界面，在未来，用户可以在软件中选择需要建造的结构体基本型，组合方式，优化比例，切割路径等信息，计算机将会计算出最优的结构形态，并指导机械臂切割组装成结构体，真正实现完全数字化、自动化。

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(视频)

Bpro show中的 trunk用到了少于200个piece，700余个部件，最终在一星期之内组装喷漆搭建完成。

感想与反思

这一年的学习更像是做了一年的研究，学到了很多之后能无限受用的方法论，过程的80-90%时间都会在失败和碰壁中度过，但是经历长时间挫折后收获进展的那一刻又能给人带来满满的成就感，我觉得这算是做研究的魅力所在。离散化设计方法是一个很新的研究方向，它在工业4.0的背景下提出了一种新的建筑观，希望简化制造建筑的方法，与本科所学五年的传统建筑思想有很大差别，可以说是对原有理论的一次巨大冲击。

但是，反思过后，它依然能被发现一些待解决的矛盾。

首先是砖块增殖的精确性，砖块对于组合方式方向的精确性苛求同样会导致因单个组合而产生的微小误差发生大规模增殖；（正负抵消的情况会出现但不可控）

其次是效率的理解，传统建筑区分梁，板，柱有部分原因是考虑到部分结构成分所担任的功能不同，如柱主要承重，抗压，梁连接水平空间，抗剪。离散化设计砖块的组合方式希望同时具备抗压，抗拉和抗剪的能力就会导致某些部分的功能冗余，那么其效率性就很难保证最大化。

对学弟学妹的建议

Work hard，play harder.

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