手工艺死了——高精度信息时代的设计与建造进化

瑞士建筑师Peter Zumthor说：“每个人都说手工艺正在消亡，计算机替代了手工艺，但其实不是的。计算机只是奴隶，是工具，我们仍然在用自己的双手来操控这一切。”

本文为全球知识雷锋第23篇讲座，

由ETH数字建筑技术助理教授Benjamin Dillenburger主讲，

2017年10月31号10:00于同济大学建筑与城市规划学院举行，由同济大学侯苗苗总结整理。

侯苗苗

同济大学博士一年级在读，

公众号TransAxis小编之一，

关注前沿设计

瑞士国家机器人能力研究中心（NCCR）数字建造团队的主要负责人，苏黎世联邦理工学院（ETH）数字建筑技术方向助理教授，曾任多伦多大学助理教授。入围MoMA  PS1青年建筑师计划，多个作品在FRAC Archilab、多伦多设计交流博物馆等广泛出版和展出，其中作品Digital Grotesque被蓬皮杜艺术中心收藏。

Benjamin Dillenburger

文章全长6112字，阅读完需要10分钟

前言

Benjamin Dillenburger自2016年起担任苏黎世联邦理工学院（ETH）数字建筑技术的助理教授。Benjamin Dillenburger和他的团队正在研究数字技术在设计和建造方面的无缝接合。他们专注于可编程的数字几何和3D打印，展示了在设计和建造中采用数字技术的新概念，并且成果已经引起了国际关注。他在数字化设计和建造过程的基础上提出的论点，对古典范式提出了疑问，有潜力去挑战传统的建造范式。他们专注于研究高精度增材印刷工艺的具体性能和建构可能性。为了解决这个新的数字建造层级遇到的各种问题，我们需要新的建造系统和设计工具。本讲座将概述他们在高精度增材制造和设计探索机器的计算工具方面的研究，基于研究提高规划和建造的质量，并为更丰富和更有吸引力的建筑开辟了新的道路。

3D打印等CNC（计算机数字控制Computer Numerical Control）生产方法的发展与计算这些高精度形式所需的计算能力的提高息息相关。终于，几何复杂性不再是难以解决的障碍，它的形式可塑性为设计的发展提供了更多可能。

现在正处于建筑发展的一个关键时刻：材料可以被合成和定制，而数据信息可以变成实体。数字生产方法想要以真实尺寸和超高精度实现复杂事物的物质化，而现在正处于一个开端。并且现在要做的不是用新技术来模仿以前的细节和概念，而是以激进和开放的方式来探索一种新的范式。

正文

1.时代背景

在计算机技术飞速发展的今天，我们关注于计算机可以对设计贡献些什么。这是一个信息爆炸的时代，而书写和打印都和信息有关，和我们如何创造信息、处理信息有关，建筑的书写与打印是建筑应对信息时代的回应。

在探索建筑与信息时代的路上，NCCR是一个很强大的技术支持。

NCCR，即瑞士国家机器人能力研究中心（The National Centre of Competence in Research ），是由瑞士国家科学基金会资助的瑞士全国性组织，汇集了全国顶尖的研究人员，旨在开发新的、以人为本的机器人技术，以提高我们的生活质量。 

Benjamin Dillenburger是NCCR数字建造团队的主要负责人。

相较于过去，社会生产力得到了大幅提升，然而令人吃惊的数据显示，相比制造业，可以看到在大型建造方面生产力并没有得到提高，即使工人们在推车等工具的协助下，平均每个工人创造的收益也甚至不增反降。

那么制造业为何生产力发展远快于建造业呢？在机器人制造的发展与应用之后，汽车的生产力大大提高，人们可以较轻易地得到一辆车，但可能需要花费几十年去拥有一间可以负担得起的房子。由此我们可以预测在未来，机器人会在建造方面发挥巨大的力量。

在现今比较常见的所谓“建筑诞生的流程图”中，先设计，之后再考虑建造问题，而NCCR数字建造部门的创新型研究旨在将设计与建造紧密结合，以达到更好的使用效果。

密斯凡德罗的这句话直至今天仍然适用：

“Architecture starts when you carefully put two bricks together.

There it begins. ”

当你经过深思熟虑之后将两块砖放在一起时，建筑便诞生了。

这句话中有三个关键词：深思熟虑，你以及砖。这三个词也是Benjamin Dillenburger团队进行研究、设计时把握的关键词。

2.Carefully-计算机自我学习

怎样做，才算是在深思熟虑之后进行设计与建造？在设计中我们通常需要规则，但是，不可否认的是许多规则时常难以发挥应有的作用。我们希望能找到自然世界中事物的出现与自我组织的规律，然而人类自上而下制定出的规则有时并不能得出理想的结果。倒反是自下而上的方法或许更接近自然规律。

Follow the Church

Follow the church是一个用软件进行自下而上的城市设计的研究，它用计算机模拟出围绕着教堂的房屋、街区与道路是如何分布与生成的。这个是2002年的研究，仅是一个原型，但基于它可以深入发展更多的城市规划方法。

红色房子是离教堂最近的居民，黄、绿色房子与教堂的距离逐渐增大。当教堂发生移动时，整个区域内建筑布局动态地跟随着改变。之后软件计算出街区，以及道路的生成。这样生成的街区虽然不是严格的矩形，但计算机会考虑这个因素并进行优化处理。

为什么选择了自下而上呢？我们不需要去创造简单的规则，在城市决策中做高风险的决定，而是要保留城市原本的复杂性。通过自下而上的模拟，复杂性得以留存。

将这种方法运用到这个项目之中，得到由计算机模拟生成的动态总平。

（更多相关信息请访问http://www.kaisersrot.ch/kaisersrot-02/MEDIA.html）

相比为城市设计制定规则，我们可以尝试用计算机去学习相关的案例，找到其中的规则以及数字类型学，去找到什么是影响参数。为了学习城市图底关系，计算机需要有一个强大的数据库去获取足够多的参数化模型作为“学习资料”，经过学习之后，需要经过训练，再去生成新的方案。

这样的方法被运用在建筑空间研究项目Oblique Circulation中。

Oblique Circulation

Oblique Circulation 是一个通过再创造楼梯以达到优化建筑、创造有更好体验的建筑流线的研究，它在图案原型的基础上不断地改变形态，提供了更多的可能。

如果我们可以想象一段穿过建筑、漫步道的旅程，让计算机为我们安排这个故事脚本，那会是怎样？

如果我们可以想象关于这段穿过建筑、漫步道的旅程的故事脚本，让计算机为我们实现它，那会是怎样？

计算机在给定的体量中安排预定义的房间序列。通过人为的演化，结构被反复地折叠以在建筑物中定义漫步建筑。 各个楼板开始发生互动和连接; 一个具象的充满戏剧性的演变开始了。结果得到了一个三维的纵向道路，且它并不约束于一个固定轴。还得到了一个连续的空间，在那里墙壁和地板都消失了。

Oblique Circulation的升级版更具有戏剧性的空间

AnyChair

从城市设计到建筑空间设计，再到家具设计，Benjamin Dillenburger在不同尺度的方案生成都运用了这一方法。

AnyChair 将各个单元方块建立联系放在一起，通过学习创造参数化模型，给计算机输入大量的椅子模型，通过分析数据进行学习之后，可以生成新的椅子。并且通过参考的本征不同，生成的椅子形态各异。

让计算机在学习原有规则之后生成方案，这是在未来的一种可能性。

3.You-人与机器

正如前文所言，建造的发展可向制造业学习，让人类更好地借助机器的力量，提高效率以及生产力。

以往我们看到的机器人大多是橙色的，就像工人的衣服。橙色是醒目的，总是和危险与警示相联系着。而在NCCR digital Fabrication里我们将机器的颜色换成白色，告诉人们机器并不是那么危险可怕，人们可以和它们一起合作工作。

穿孔卡织布机（Jacquard loom）

回溯历史，人们需要特定的工具去制作不一样的东西，直至1802年发生了改变。1802年，法国人雅卡尔发明了穿孔卡织布机（Jacquard loom），引起法国丝织工业的革命。这种革命性的织布机利用预先打孔的卡片来控制织物的编织式样，速度比老式手工提花机快了25倍，就好比从自行车到汽车的飞跃。

在计算机出现之前，这个两百年前的织布机，是第一个可以被编程的机器。后人把穿孔卡做成计算机的输入装置。即使到了20世纪40年代，计算机的时代到来了，那时候的计算机也没有放弃打孔卡片，仍利用它编程。

像雅卡尔织布机一样，信息被转换，呈现成实体的、可读的信息，这就是设计的书写。而将信息呈现到材料上，这可谓设计的打印。

3D打印技术在建筑中的应用到目前为止仅限于原型或生产小型模型。材料成本高，机器尺寸有限，大部分材料强度不足以满足施工要求。

随着时代的发展，科技进步的关键在于对信息的处理。就像电视屏幕对图像的显示，从家里屏幕的更新换代我们可以发现对精度的处理至关重要。探索这样的进步与发展可以为建筑领域做些什么呢？

最近沙子打印技术（Sand-printing technology）作为克服这些限制的增材制造技术而出现。目前该技术主要用于为工业创建制造形式。但它具有独特的功能，使其适用于制造建筑组件。具体来说，它可以在短时间内以高分辨率和精度制造大规模元件（目前尺寸为8立方米）并且价格不高。打印的砂岩元素可以完全自我支撑，可以组装成坚固的结构。

该打印机拥有4.2TB的打印空间，可在36小时内打印4 x 2 x 1米大小的物体。

它具有两大优势：

 （1）虽然有其他尺寸更大的打印机，但这个打印机更加精确，可以打印0.2mm的精度。就像纸张打印机一样，所有信息从左到右、以同一方向被打印出来。

 （2）不管是一个简单的方盒子，还是有许多细节的精细雕塑都可以在同样的时间被打印出来，即使是不同的材料也一样。因此物体形态的复杂性已经不是打印成本需要考虑的问题。

即使机器的技术不断发展，能发挥的力量越来越大，我们也不该忘记人作为设计者在整个过程的作用。我们在其中的角色是选择和决定，去探索有哪些有趣的事物，要将设计往哪个方向推进，并在计算机提供了可能性后做出决策。

4.Bricks-结构元素

在3D打印技术中，为了实现以真实尺寸和超高精度打印建筑，有两个问题至关重要。一是材料成本问题，二是将建筑拆解成各个部分之后的组装问题。

面对这些疑问，NCCR Digital Fabrication通过项目Empa NEST Building进行了探究与实践。

Empa NEST （Next Evolution in Sustainable Building Technologies）Building

NEST将是“全球首个使用数字化流程设计，规划和建造的房屋”，是世界上第一个旨在加速建筑行业创新的模块化研究项目和创新建筑。它作为NCCR数字建造的一个里程碑项目，Empa NEST生活实验室将以1：1的尺度作为建筑示范项目而实现。

该团队使用安装在履带上的两米高的建筑机器人来制造钢丝网部分，将其作为混凝土墙的模板和钢筋。

这个项目将把NCCR数字制建造中的个别研究项目汇集到一起，创建一个运用数字技术设计和建造的可以让人使用、居住的建筑。作为未来的生活和工作实验室，这座建筑将在实际条件下测试、展示和优化新型材料、组件和创新系统。

底层是开放式生活和工作区，底层之上的另外两层楼通过机器人预制建造而成。这些机器人将组装木材来进行房间分隔。

当混凝土硬化时，它会形成一个承重墙。它的顶部配有使用大型3D沙子打印机制造的，经过优化、功能集成的天花板。

通过这个项目，我们应对3D打印在优化结构、节省材料方面的发展重新进行思考。

Benjamin Dillenburger和他的团队研究发现，使用3D打印技术得到的由25mm厚的混凝土构成的空心结构，可以节省80%的材料，并且能够能承受更大重量。

在2016年双年展中，Incidental Space展现了dfab对3D打印技术与混凝土结合的研究。

Incidental Space

Incidental Space从外部看起来像一朵云，但是靠近之后、再走进内部，发现其实更像一个洞穴——让人感觉似乎到了原始的自然洞穴之中。

这个作品像一个壳体，内部的空间相当唯美。它的形状经过结构计算与优化而确定。Kerez选择了混凝土材料进行建造，因为液体可以被浇筑成任何形状，借助模板，为复杂形体的打印提供了可能性。1：1尺度的展品由厚度仅为20mm的玻璃纤维钢筋混凝土建造而成，并使用铣削技术完成小尺度模型形式的复制。

在这个项目的建造过程中，dfab着重研究了如何通过3D打印来制造可组合的建筑部件。现今，对复杂的、无法批量生产的建筑部件的需求正在日益增长，这主要是和对建筑部件的技术整合的需求、对复杂建筑部件的计算优化需求、对更大设计自由度以及自由形式日益增长的兴趣有关。

虽然在建造过程中，结合使用了数字模型与虚拟现实技术来进行研究与探索，但这些工具并不能代替物理实体模型。也正因为这个原因，Incidetal Space给人一种非常精细复杂，但又非常原始的感觉。在柔光照射下，洞穴表面的高低起伏既随意，又细致，这看似很矛盾，但却在此和谐地融合在一起。它是数字技术与手工艺的结合，尝试使用数字化设计方法去回归原始自然的状态。

这个作品并没有限定功能，而它的空间感与精神性启发人们在其中用自己的双手去探索，在感受内部的雕刻、裂纹与纹理同时，自己创造活动，为空间赋予功能性。

柱子之森

在古典建筑里，人们喜欢在柱子旁漫步。那么如果让柱子在人们旁边行走呢？

在房间里，12个独立的装饰柱在自动机器平台上移动。每个柱子都有自己的拓扑结构。柱子的森林缓慢地变动着位置，会在预先设定的位置停留一会儿，与参观者进行互动。柱子在空间里缓慢移动，重新组织了建筑空间。古典平面里，柱子排布对整个平面图案而言非常重要，它们遵守着很严格的规则，通过这样的可动处理，增添了神秘性和人们对空间氛围的感知度。

建筑突破了自然和人造世界之间的界限。在我们的展馆里，出现了一片森林。这个浪漫的景观由自由移动的柱子组成，它不局限于历史模型，为参观者开辟了一片空间，带给人们新的感官体验。

Digital Grotesque

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Digital Grotesque由两个按1:1尺度3D打印的洞穴——GrottoI和Grotto II组成。它们分别由2.6亿和13.5亿个曲面构成，用了7吨和5.5吨的沙石进行打印——它们展示了数字设计和3D沙打印如何带来更能激发想象力的空间。

算法：

GrottoI和Grotto II完全是由算法生成设计的，并且在优化之后呈现出高度差异化的几何形状，为观察者带来丰富而刺激的空间体验。

迭代细分：

算法将一个简单的面不断切分成更小的面，一次又一次，并且对初始面的改变会影响其细分出来的面。通过改变每次切分面的比例，可以得到不同的几何形式。每次操作的步骤都是相同的，仅是细分的参数被设计者改变着，便可以得到或许能令人惊喜的结果。

以往的参数化设计往往喜欢平滑曲面、极小曲面，而在“数字怪诞”中恰恰相反。通过让面的转折与表面积最大化，创造出了体量的深度。在这里光线朝着无数个方向被反射，建筑的边界在空间中由此变得模糊。

这个简单的细分过程在不同尺度包含着不同的信息。你越靠近它的形式，就能发现越多的细节。这样的层次分化在古典建筑中也存在，然而与传统建筑设计流程不同的是，这个项目使用了同样的流程来雕刻整体形式，以及构建细致的表面细节。

在这样的算法之中，得到的结构和输入的形体保持着有机的联系。生成的装饰也是随之演化而出的结果，而不是结构之后才进行的构思。在这里，结构和装饰融合成了一个整体。

建造：

“数字怪诞”是第一个完全由3D沙打印建造的人体尺度的沉浸式空间。将洞穴一分为二，这个设计由两个单独的部分构成。它以十分之一毫米的精度在一个3.2米高，16平方米大的房间里被打印出来。这是第一个高精度3D打印的建筑，因此一些细节十分具有创新性。为了方便施工物体的运输和组装，每个单独的、预制的沙石砖块都有模块化系统。

现在限制每个模块大小的因素已经不再是打印机的尺度，而是运输与组装问题：每个部分都必须是便于运输的，并且它们要被抬起来，再进行定位、组装。

为了减轻每个组件的重量，他们将内部变成空心的，并且还通过使用结构分析工具去减少墙的厚度，在非承重关键区域墙厚被降至1cm。为了提高稳定性，还加强了内部的结构网格。建造过程中遇到的问题也在设计时被着重考虑，比如3D打印机将组件竖直抬起时、水平移动时组件的负载情况。

内部网格的细节

组装过程

一个复杂的形式在多种尺度上浮现：在装饰与结构之间，在秩序与混乱之间，异域但又熟悉——这就是“数字怪诞”。

结语

在听完讲座之后，无法不为Benjamin Dillenburger以及NCCR、ETH的数字研究团队的研究而感到震撼。在3D打印技术迅速发展的今天，亟待解决的技术问题、社会对数字化设计褒贬不一的评论让许多人疑惑，什么是数字化技术发展的方向？Benjamin Dillenburger和他的团队研究出的成果启示着，也许我们并不需要把数字化技术和传统方法看成是对立的。

就好像瑞士建筑师Peter Zumthor在双年展上所说：“人们的手工终于回来了。每个人都说手工艺正在消亡，而计算机替代了手工艺，但其实不是的。计算机只是奴隶，是工具，我们仍然在用自己的双手来操控这一切。”感谢Benjamin Dillenburger为我们带来了如此前瞻的研究，让我们看到3D打印、机器人建造在未来更多的可能性，以及手工艺与数字化技术相结合的有趣案例。

END

作者介绍

侯苗苗，

95后，同济大学博士研究生一年级在读中，公众号TransAxis小编之一，自大三参与参数化studio后开始关注建筑学科前沿设计与理论。

第一次在耶鲁群看到有同学分享苗苗的《记一个同济本科最苦最虐studio背后不为人知的故事》，小雷锋都震惊了，第一次体验了一个优美参数化作品背后大量的曲折探索和复杂数理知识，更被苗苗对设计的满腔热爱打动。在这里，热爱设计的同学能得到很多知识和启发，不做设计的同学都能爱上设计。TransAxis目前都是同济同学设计作品故事的用心分享，欢迎大家关注，为你带来一个全新的建筑冥想世界。

给你带来设计背后不为人知的故事：

雷锋福利

这已经是知识雷锋既黄仁天《机器人与新乌托邦建筑》，孙志健《前数字时代的天堂之谜——详解高迪的参数化创新》后的第三篇参数化文章啦，我们还有普林斯顿研究机器人建造的史纪的文章《所有权革命：数位化文化及建筑实践和理想的转变》，现在隆重开放“建筑AI知识雷锋群”，邀请几位作者坐镇，欢迎对建筑AI感兴趣的大家进群交流啦”(•̀ᴗ•́)و ̑̑