木板片弯曲结构与机械臂缝纫

赵阳臣

摘 要：随着数字技术的发展，数字计算与模拟技术被逐渐引入到设计之中，设计由形式驱动演变为性能驱动，性能成为设计过程中需要着重考虑的因素，无论是环境性能、材料性能还是行为性能，都成为了左右设计形式的要素。薄板片弯曲结构作为当今建构研究中的全新课题，具有较大的研究价值。文章通过对相关案例的研究，阐述了在机械臂技术的协助下，板片弯曲结构这种全新设计方法是如何实现的。

关键词：板片弯曲；机械臂缝纫；数字建造

中图分类号：TU501 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）19-0041-03

Abstract： With the development of digital technology， digital computing and analog technology has been gradually introduced into the design. The design has evolved from form-driven to performance-driven， and performance has become an important factor to be considered in the design process. Whether it is environmental performance， material performance or behavior performance， it has become the key factor of the design form. The bending structure of thin plate is a new subject in the research of construction nowadays， which has great research value. Through the study of relevant cases， this paper expounds how to realize the new design method of plate bending structure with the help of manipulator technology.

Keywords： plate bending； arm sewing； digital construction

1 概念緣起

板片材料作为一种传统建构材料，特别是木板材料，在传统建造过程中非常易于使用，首先木板片方便桌面加工，这种二维加工方式简单快速，并可以和国内现有的制造技术很好的结合起来，另一方面木板片的二维加工通常相对廉价。随着建造中预制化、模块化特征越发明显[1]，板片材料也逐渐在建造中发挥出重要作用。

然而板片材料也有其局限性，板片的二维材料特征虽使得半片材料易于加工，但以传统方式使用板片会让设计在形式上受到限制，另一方面板片材料通常有易变形的特征，在结构强度上很难保证。由此看来，板片的弯曲似乎可以同时解决这一系列问题。弯曲让原本二维的板片产生三维形态特征，从而可以实现多维造型，设计在形式上可以得到维度上的解放。同时如果充分利用板片的弯曲特性，可以在结构上为构筑物提供预应力，实现结构性能的强化。

板片弯曲的设计思路让木板片的使用方式无论在形式上还是性能上都迈出了一大步。这种理想的新设计思路也随之为设计过程带来了巨大的挑战，从形式角度来看，由于这种设计过程中通常会需要面对复杂的几何问题，设计师很难预想板片弯曲伴随的造型变化。从性能上看，虽然理论上板片的弯曲可以实现性能的强化，但是在具体设计的过程中这些性能也是难以估算的。从实际建造角度看，这种新范式很难通过传统线性建造工艺实现的，需要研究针对新结构进行建造方式革新。

在数字技术不完善的二十世纪二十年代，设计师已经开始了对板片弯曲结构的研究，当时的板片弯曲结构设计是依靠大量几何计算来实现的，这方面研究主要体现在穹顶建筑领域中。理查德·巴克敏斯特·富勒是美国著名设计大师，他在建筑材料与穹顶结构设计领域做出了杰出贡献。富勒的设计大多为三角网格的球形穹顶建筑，他致力于研究如何发挥材料与结构的特性实现建筑中的曲面大跨弧面穹顶。他做的很多小规模搭建实验研究了不同的穹顶结构实现方式[2]。这些实验解决了很多几何计算的难题，然而这些研究还是仅限于应对球面这类基本几何体，更复杂的曲面造型时通常需要面对更为复杂的几何计算。在当时技术条件的限制下，富勒只能通过几何计算来求得数据，其造型呈现的形式也受到了很大的限制。

二十世纪下半叶解构主义浪潮席卷设计领域，建筑设计中的复杂性需求越发强烈，人们不再满足于基本几何造型，因此几何计算越来越难以招架建筑设计中的复杂体系。在这样的形式下，数字化技术开始被设计师引入到设计中，参数化设计开始萌芽，二十世纪末出现了首个参数化软件。数字技术的介入对于板片弯曲结构面对的瓶颈无疑是雪中送炭。在短短的二十年左右的时间，数字技术从虚拟设计到施工建造全面融入了设计，板片弯曲结构也得到了进一步的发展。

2 板片弯曲的数字化设计策略

计算机的数字计算技术与物理模拟技术可以完成弯曲所需一系列模拟计算甚至主导找形生形过程。机械臂等一系列数控机械在建造中的引入将设计与建造联系在一起，在数据信息的控制下，木板片弯曲结构实现了从虚拟设计到物质化的转译。以数字技术为基础的具体策略可以归纳为两个类型，即基于数据简化的弯曲策略和基于模拟计算的弯曲策略[3]。本文针对以上两种弯曲策略，分析了在数字技术的协助下板片弯曲形态与结构是如何实现的。

2.1 基于数据简化的弯曲策略

数据简化的弯曲策略是几何计算与数字技术结合的数据计算生形方法，在数字技术的协助下，弯曲开始应用到复杂的异形形体中，这种策略可以帮助设计师应对建造中每个单元都不同数据的复杂情况。

对于弯曲中的数据简化，一般可归纳为两种方法。一是多重曲面分解法，在弯曲形态中我们最关键的问题是如何处理出数据过程中的单曲面与平面之间的数据互换，处于这种目的，可以将出数据在设计过程中单独考虑，这样一来问题就被大大简化了，通过将曲面转化为由基本四边形与三角形等平面或者单方向单曲面组合而成的多重曲面，可将曲面模块轻松展开，在必要的情况下对展平后的图形进行折角圆滑和顶点的掏空。虽然在出数据的过程中是作为多重曲面处理，可是得出的平面数据足以让我们在实际操作的过程中得到预期的曲面。

二是平面数据反推法平面数据反推法与多重曲面分解法相似，同样是独立考虑出数据的计算方式。不过平面数据反推的方法将更多的计算放到平面中去完成。在设计的过程中只做基本形体的重要数据，比如基本轮廓或者关键边缘线等，得到这些数据之后拍平，在平面中根据一定逻辑来推算每个模块展平后的形态。

以上的两种方法可以将复杂的弯曲计算转化为相对简单的计算，在精度要求不高的小体量建造中可以说是聪明的方法，可是这些方法也带有很明显的弊端，就是误差相对大，只能得到接近预想的形式结果，不能进一步精准更不能以这个方式去求其中弯曲与材料性能、结构性能之间的复杂关系。

2.2 基于模擬计算的弯曲结构

数字模拟技术的发展让弯曲结构在建筑中的应用又有了新的发展，此类技术通过对环境，材料，结构等多方面模拟，计算弯曲性能与推算形态变化，甚至优化形态求得最优结果。计算机模拟计算的策略主要可以分为两类，一种是实时物理模拟法，还有一种是有限元模拟法。

实时物理模拟是如今比较普遍的模拟计算方式，其对应软件较完善，操作也相对简单。在实时物理模拟中，通过简化环境因素，设定特定的力学关系来实现近似真实结果的模拟计算。如kangaroo是典型的实时物理模拟软件，kangaroo通过构建粒子系统，模拟粒子间力的关系，从而可以求得在力作用下物体的形态与性能变化。这种模拟方式依然有其局限性，由于其模拟是理想化的高度简化的力学关系，所以其模拟结果始终还是近似的结果，难以应对复杂的实际情况，与真实的弯曲结果通常有不可避免的误差。

有限元模拟是近几年仿真模拟技术进步的产物，主要被应用于工程与机械领域。与实时物理模拟相比，有限元模拟是更加复杂的模拟方式，其更侧重于重力学数据，设计师除了要设定环境因素数据与相关受力情况，还需要给与材料特性等精细数据。有限元模拟通常是非常复杂的仿真模拟过程，其得到的结果也会相对准确，可以模拟真实的结构受力情况，并得到准确的造型。不过正是由于其模拟的复杂与精确的特性，实施起来技术难度较大，通常还需要非常漫长的耗时。

3 机械臂技术的介入

板片弯曲作为一种新的构建方式，在带来全新形式与结构范式的同时也衍生了建造工艺上的难题，如板片的弯曲在现实加工过程中有时很难精确弯曲到理想的弧度，另一方面弯曲的板片在衔接的过程中会面临不同于常规建造组装的复杂情况。可见其建造安装过程是传统工艺手段难以驾驭的。机械臂技术与缝纫技术的创造性结合很好地解决了这些难题。

2016年斯图加特大学完成的缝合建筑实验是机械臂缝纫技术应用于建造的首次成功案例（图1）。该项目采用了模仿海胆的仿生双层表皮结构，由一百多块木板片弯曲单元缝合组装而成。其中木板片单元之间多维度复杂的缝合路径是组装的一大难点，设计师将机械臂技术与缝纫机结合，将缝纫机安装于机械臂一端，由脚本控制特定的机械臂缝纫路径，配合齿形卡扣方式使板块之间形成了紧密的缝合衔接，巧妙实现了板片之间的缝纫连接。机械臂缝纫技术的成功完成了木板材料的三维路径缝纫，该项目的成功展示了木板弯曲建构中去金属连接件的可能性。

2017年斯图加特大学在同济大学“数字未来”工作坊中的机械臂木缝纫实验进一步研究了木板弯曲与机械臂缝纫技术结合的建构方式。在该实验中，同样是应用机械臂缝纫技术。木板片在切割的过程中通过CNC连接水笔画出了定位用的黑色方格。纫机上端安装有摄像头，其拍摄的图像数据传输到脚本中，firefly通过识别黑色方格确定缝纫位置，由三个定位点确定一条缝纫路径。该设计通过双层弯曲板片结构，大大加强了整体结构的预应力，从而以最省的材料达到了最大可能的强度。

第三个案例（图3，图4）的板片弯曲建构实验基于现有的机械臂缝纫建构技术探索了多层板片结构的可能性。该设计中由一百多片三向弯曲的单曲面单元相互缝纫连接组成，采用了多重曲面分解的方法，将曲面转化为了由四边形与三角形面组成的多重曲面，在此数据基础上铺平进行进一步的优化处理得到每一个单元的轮廓数据，切割得到的板片单元一方面自生进行弯曲与机械臂缝合，另一方面相邻单元之间也进行缝合。整体表皮形成了四层弯曲表皮结构，完全通过弯曲达到的应力形成牢固的自支撑，同时多层弯曲板片结构也呈现出了独特的空间肌理与形式特征。

从这些实验案例中我们不难看出设计与建造工艺逐渐一体化的趋势，这种由数字技术全局掌控的工艺手段在建筑领域日渐成熟，被称之为“信息工艺”[4]。Grasshopper， python等数字脚本在控制设计生形的同时，把信息模型传给机械臂等数控机械，机械臂通过数据反馈完成信息模型的物质化工作。于是基于代理的一整套多智能系统得以建立[5]。

4 结束语

新技术的发展通常是设计进步的催化剂，如今伴随着后数字时代的到来，数字技术的优势不再停留于计算机虚拟设计，由于越来越多的因素可被同质化为数据，设计的物质化过程也更加可控制可计算，在这样的环境下，数据成了设计与物质化的交汇点。设计、制造、建造之间的界限被打破，逐渐成为一个整体化的复杂体系。板片弯曲与机械臂缝纫技术结合的全新范式，正是当代建筑模块化批量预制趋势下的产物[6]，更是在数字技术基础上设计形式与数控技术互相推进与融合，并开辟新设计思路的典型案例。机械臂技术与缝纫技术的创新结合解决建造问题的同时，又为设计形式的创新开辟了空间。可以预见，在不远的未来机械臂等数控技术在设计中可以实现更大范围的跨领域融合与创新，数字技术在物质化过程中的介入与全方面控制也会成为设计领域的一个重要议题。

参考文献：

[1]钟冠球.机械臂的野心——数字控制工具视角下的建造思维转向[J].新建筑，2016（02）：17-22.

[2]吴丹秋.巴克敏斯特·富勒设计批评思想研究[D].南京艺术学院，2016.

[3]Form-Finding and Design Potentials of Bending-Active Plate Structures[Z].

[4]姜南.信息手工艺——多媒体亭数字化建造过程[A].数字工厂

DADA2015系列活动数字建筑国际学术会议论文集[C].中国建筑学会建筑师分会数字建筑设计专业委员会，2015：10.

[5]袁烽.从数字化编程到数字化建造[J].时代建筑，2012（05）：10-21.

[6]陈玉婷.机械臂装配在模块化建筑中的设计方法研究[A].数字建构文化——2015年全国建筑院系建筑数字技术教学研讨会论文集[C].全国高校建筑学学科专业指导委员会、建筑数字技术教学工作委员会，2015：5.