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数字建造︱用编程营造一栋建筑

UA设计学堂 2023-03-13



1课程背景 
关键词:Parametric Design, Robotic  Fabrication
数字主义的出现始于计算机的应用,早起数字主义由于其天马行空的形式,让整个建筑界为之改变,越来越多的建筑师开始创造各种复杂的设计形态,但一直以内计算机复杂的形式和实际建造过程施工能力的不对等,让我们很难实现过于复杂的设计形式。1959年,当Unimate#001原型机第一次安装在新泽西通用汽车厂的装配线上,全世界的制造方式就此彻底改变。此后,在数字化浪潮袭来后的六十年间,建筑领域中的数字化工具也融入到设计-建造的各个生产环节之中,不断革新建筑中的创作思维与工作模式。这一切让我们天马行空的想象有了落地的可能。
史上第1台工业机器人原型机「Unimate#001」
建筑思想的革新始于技术的创新但又被技术发展的速度所限制,建筑工程的复杂性决定了它的发展会落后于一般制造业,往往很多最新的数字技术都是始于其他设计领域,慢慢扩展到建筑工程领域。工业机器人的历史也许始于60年代,但建筑机器人的历史却晚了40年。无论如何,最终建筑机器人必将为建筑事业带来全新的变革,这一切在一些国际和国内的前沿建筑师的实践中已经得到了体现。
建筑机器人对传统工艺加工局限的超越,使其可以更高效地完成大批量建筑构件的定制加工生产;而建筑机器人能够突破臂展和负重的限制,突破人工作业所无法达到的极限值,从而完成大型或复杂的多尺度、多功能的建造任务。
伴随着数字时代的到来,数字建造正在成为一个热门话题。人工智能将给传统建造开辟哪些全新的领域,人机融合的前景如何?本届建造营重点探讨数字时代下人与机器的交互与联系,进行从机器人建造到人工智能等一系列领域人机融合的实践。以“数字营造”为主题,在十天的建造营内,我们将开展多项设计和建造实践,尝试“数字营造”的方式创造出一系列全新的设计作品。
本届建造营开展时间为2020年8月1日,实体建造活动为期十天,建造活动前会有相应的网络软件基础课程,帮助学员提前学习一些必备的Rhino和GH等相应的软件技能,以便提高实践建造的效率,在最短的时间做出比较成熟的建造作品。
KUKA|prc 机器人仿真软件界面


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课程内容 

课程一:机器人陶土/混凝土打印
陶土打印是数字建造对传统材料建造方式的又一挑战。设计师通过数字模拟技术,在机械臂运动的逻辑、技能和机制上将制陶工艺进行扩展,以框架和规则定义建造的特性,并直接与陶土的性能关联在一起。
在打印过程中,陶土的透气性、水合程度、塑性能力与打印工具的挤出速度、机械臂自身运动的速度、加速度甚至加工空间的温度和湿度都息息相关。只有通过对各参数严格地控制和模拟,并根据设计的形态和建造的过程不断地协调各参数间的作用,才能得到优化的结果。建筑师通过在数字设计过程中将材料的性能以参数形式传递到建造工具,融入到构造逻辑中,使工具和材料共同反应,拓展了数字建造的深度和广度。
‍‍一旦印出来,粘土制品就需要在窑炉里烧制,使之变硬、坚固,经久耐用。一些粘土也可以在厨房的烤箱里烧制,但除非你已经是一名陶艺家,否则你可能不得不把你的3D打印作品带到当地的陶瓷工作室,并租用烧制。
这种通过3D 打印制作出来的空心混凝土结构,可以被战略性地使用,从而可以实现更具可持续性发展的混凝土建筑。此外,经过计算设计的材料装饰和表面纹理体现了3D混凝土打印在大型结构中的通用性和巨大的审美潜力。
© Axel Crettenand

课程二:机械臂组装/编织
组装木构
木材和砖可以说在建筑中的应用可以说源远流长,中国的古人应用这些材料和精湛的施工技法创造了很多举世瞩目的成就。传统木构固然优秀,但随着时代的发展,新材料的出现,我们不能再守住古人的智慧一成不变,在国内外开始有一些优秀的设计师,利用木材的传统技艺和现代材料的优点,把它们结合起来,来创造属于我们这个时代的木构。
计算机和机械臂的出现让我们的设计越来越复杂和富有创意,计算机让我们的想象力更加丰富,可以创造出更多的设计作品,而机械臂的出现,帮助我们实现这些复杂的想法提供了实现的可能。
本次课程我们将带大家一起学习这些手法,并利用机械臂的设计手段,创造出更多富有创意的现代木构作品。
以上案例为DAM_Lab第四届机器人建构国际工作营作品
采用砖体的形式语法进行生形并对墙体的结构性能进行优化,通过遗传算法对产生结果进行迭代筛选,使得砖这种古老材料在本质意象和传统做法中寻找结构性能上的更多可能性。机械臂的空间精准定位使得这种预设走向实际建造,保证了由于空间和条件的局限而选定的分段搭建,在多段墙体连接后能够形成一段稳定、连续且具有强烈视觉冲击力的砖墙序列。与此同时,机械臂工作站的综合性流水线工作模式,大大提高了现场施工的效率和准确度,保证了数字砖墙结构性能的完整度。
使用Grasshopper进行形体优化,并使用机械臂进行自动建造

课程三:机器人3D打印
对于3D打印,有一种比较老的说法,一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。然而随着打印方式的不断革新,逐层打印的方式已经不是 3D 打印的唯一选择,尤其是3D打印和机械臂相结合,我们可以打印出更多复杂的形体。本地工作营我们将学习如何用机械臂结合3D打印机一起创作多维度的打印作品。
 以上案例为于雷老师机械臂空间打印MESH
©展臂技术公司(Branch Technology)

课程四:机器人热线切割热线切割结合机械臂的精准化操作,可以精确制作曲面模具,为其他工程的曲面制作提供便利,解决曲面不易制作的问题,是参数化曲面模具快速成型的一项技术。
机器人热丝热线切割(RHWC)的方法兼容了混凝土预制和现场制造的可能性,机器人热切割 EPS 混凝土模板相比于机器人 CNC 铣削,加工时间大大缩短,同时其可建造高光滑度的铸造表面,可显着降低模板制造的成本。这种建造技术提供了一个独特的解决方案,可以用来探索新颖的设计语汇。本次我们工作营我们将学习如何用热线切割制作EPS模板,为复杂的形态实现提供更多解决方案。上图为OdicoFormwork Robotics为建筑提供模板解决方案。上图为DAMLab2016年机器人热线切割作品。

3作品集项目准备 国外院校对于机械臂的使用可谓不胜枚举,SCI-Arc的6台机械臂组合实验室,UCLA的IDEAS CAMPUS拥有大型的KUKA机械臂,UCL的Design for Manufacture MArch对于机械臂的前沿探索,以及AA、ETH、Aalto等诸多名校对于机械臂的交叉使用,足以看出世界各国对于机械臂建造的痴迷(虽然很多同学抱怨感觉在当一名高级预备技工,这里没有贬低任何职业的意思,只是单纯的说心里感受)。因此,如果在作品集的制作过程当中可以体现我们对于建筑建造智能化,建筑材料等多维度的设计思考以及制作,一定可以在锻炼自己能力的同时,使自己的作品集更加高级!下面有一段简短的机械臂工作流程来自于The Institute for Advanced Architecture of Catalonia (IAAC) 展示,希望大家提前感受到数字化建造的魅力!

Feltscape

Salvatore Cicero and Theophile Peju
从增材制造作为一种制造复合材料的过程开始,该研究旨在通过将热塑性塑料与工业毛毡结合起来开发一种技术纺织品。通过使用机器人增材制造法挤出聚合物材料的纤维来增强纺织品。通过这项研究,开发了一种称为“推送和打印”的新技术。纤维放置与成型过程的结合是该过程的新颖之处。机器人通过同时推动毛毡来放置细丝,将织物冻结成最终形状。此外,由于该技术是无模具的,因此无需使用昂贵且浪费的模具即可轻松实现定制的双曲率形状。
整个研究过程中开发的原型都是这种新颖印刷工艺的演示,也是探索该工艺所提供的动态功能的有效原型。该复合材料重量轻,能够自支撑,并且可以根据要求(例如结构行为或编排的运动)来设计其性能相关的增强样式。
-From the Design for Manufacture MArch Department of The Bartlett-

-FABRICATE 2020 MAKING RESILIENT ARCHITECTURE-

Reference:Burry, J., Sabin, J., Sheil, R., Skavara, M., (eds.). 2020. Fabricate, London:  UCL Press. DOI: https://doi.org/10.14324/111.9781787358119

-FABRICATE 2020 MAKING RESILIENT ARCHITECTURE-

Reference:ANA ANTON / PATRICK BEDARF/ ANGELA YOO / BENJAMIN DILLENBURGERDIGHAL BUILDING TECHNOLOGIES, ETHZURICH LEX REITER/TIMOTHY WANGLER / ROBERT J. FLATTPHYSICALCHEMISTRY OF BUILDING MATERIALS, ETH ZURICH

用于混凝土浇铸的热线切割泡沫模板
From The RMIT Architectural Robotics Lab

SL Foundation天花板原型的机器人热线泡沫切割

From The RMIT Architectural Robotics Lab

Reference:https://architecturalrobotics.org/

如果可以将这样的模型思考方式代入设计中,那么你一定会像Thomas Heatherwick一样,疯狂而又大胆!

Zeitz Museum Of

-Contemporary Art Africa By-

Heatherwick Studio


课程一共分为四个时间阶段:
线上软件学习+线下实体建造

  PART1 数字营造线上软件课程学习  

Rhino+GH

_Digital Fabrication Software Lecture on line_

时间:2020年7月1日—2020年7月30日


  PART2 数字营造国际工作营主题讲座  

_Digital Fabrication International Workshop Lecture_

时间:2020年8月1日14:00—17:00

地点:北京城市学院


  PART3 设计推导  

_Digital Fabrication International Workshop_

时间:2020年8月2日—9日 

地点:北京城市学院五号实训楼 


  PART4 工作营汇报及展评  

_Workshop Presentation & Discussion_

时间:2020年8月9日

地点:北京城市学院五号实训楼


  PART5 数字营造国际工作营成果展  

_Digital Fabrication International Workshop Exhibition_

时间:2020年8月10日—10月1日

地点:北京城市学院顺义校区


专家导师


导师:于雷清华大学建筑学博士

哈佛大学硕士

ASW(Archi-Solution Workshop)



导师:万达

天津大学建筑学博士在读

德绍建筑学院(DIA)建筑学硕士

DAM_lab



导师:王岳

中华高级木作师
非遗传承人

导师:张卫华

土木工程博士后

北京城市学院城市建设学部副主任



导师:刘辉

中国中建设计集团有限公司

城市规划与村镇设计研究院院长



导师:李国安

中国中建设计集团有限公司

城镇所所长



导师:邵岩

Perkins&will建筑师

德绍建筑学院(DIA)建筑学硕士




活动策划人



徐振华

建筑学博士在读

北京城市学院教师

数字营造工作室创始人




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课程收获 

Rhino / GH 软件全面提升

实体建造/热线切割/3D打印系统学习

设计作品集能力全面提升

一套基于机械臂建造的课题作品



4
授课方式

线上软件基础学习(Rhino,GH)

+

线下搭建实践(北京)



5课程费用

课程原价¥8900

2020年6月1日前报名¥8300

2020年7月1日前报名¥8600

之后恢复课程原价


基于课程内容指导完成作品集课题+¥3000


住宿:学校酒店标间1800元/期/人或校外酒店(可自订)
(住宿价格暂定为上,具体价格根据实际情况另行通知。)


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